PCB技術 - PCB基板インピーダンス不連続が信号反射を引き起こす

これは、PCB基板デザイナーがマスターしなければならない非常に重要なトピックに関する綿密な記事です. 最初に覚えておくのは不連続インピーダンスのためです, シグナルリフレクションは PCB伝送線路.

伝送線路は、均一な特性インピーダンスを有するべきである。インピーダンスのどんな変化または不連続も、信号反射と歪みを引き起こします。

この現象は、PCB基板トレースおよび伝送ラインにも適用される。その理由は、高周波信号の物理波長が非常に短いことである。したがって、PCBトレースは、同じ特性を示す。周波数が高いほど波長が短くなる。伝送線のような短いトレースを扱う必要があります。

信号軌道不連続性または不均一不連続性が信号完全性不連続性を形成する. ソースとターゲットの信号歪みを避けるために, あなたは PCBトレース インピーダンス. その後、ソースとターゲットの端でインピーダンスをロードする必要があります. これはかなりの課題を提示する, インピーダンス不連続に起因する信号減衰の影響を緩和するための慎重なPCB設計の必要性. 特性インピーダンスの不連続性, 信号反射が高い. これは、信号歪みも高いことを意味します. したがって, インピーダンス不連続性をできるだけ小さく保つようにしてください. 振幅と時間に関して. 読み取りインピーダンスが本当に重要な理由.

インピーダンス不連続性は信号完全性に影響する

理論的には、デジタル信号は短周期でスイッチする方形波パルスである。当然、高周波デジタル回路によって必要とされる短信号立ち上がり時間は、高速信号立ち上がり時間に関連した非常に高い周波数をもたらす。実際には、これらの周波数は、回路のクロック周波数より高い大きさのオーダーである。高周波デジタル回路のパルス幅は短い。これにより、立ち上がり時間が短くなる。非常に短い信号立ち上がり時間は、デジタル信号が非常に高い周波数を含むことを意味する。したがって、高周波信号は高周波信号に関する信号完全性規則に従うべきである。

したがって、PCBトレースのインピーダンスのいかなる変化も信号反射を引き起こす。これらはリンギングと信号の歪みを引き起こす可能性があります。その結果、高いスイッチング周波数では、インピーダンス不連続性がデジタル信号に重大な歪みを生じ、信号サンプリングエラーが生じる可能性がある。PCBトレースによって形成された伝送線を、抵抗、コンダクタンス、およびトレース抵抗によって特徴付けることができる。プリント配線板のマイクロストリップラインとストリップラインの違いをお読みください。

インピーダンス不連続性

線路の特性インピーダンスは、キャパシタンスによって分割されたインダクタンスの平方根である。これは，高い信号周波数でのトレース抵抗とコンダクタンスがそのインダクタンスとキャパシタンスと比較して無視できるので，プリント基板に対する妥当な仮定である。

インピーダンス不連続は、その静電容量に対するトレースインダクタンスの比率に影響を及ぼすいかなる要因でもある。以下に典型的な例を示します:

線のインピーダンス変化：銅線断面積の変化や経路の変化など、何らかの理由で線路のインピーダンスが変化すると、相互インダクタンスが変化し、インピーダンス不連続が生じる。

線の分岐：複数のデバイスに信号を送る必要があるかもしれませんが、分岐と線スタブの使用は線インピーダンスを変えて、不連続を引き起こすことができます。

リターン信号分割：高周波信号は、通常、接地面において信号トレースの直下に位置する、最も低いインピーダンスを有する経路に沿って伝搬する。リターン信号がこの経路から逸脱するのを強制するリターンラインまたはグランドプレーンのどんな物理的特徴も、不連続性を引き起こすでしょう。

VIA：PCBの1つの層から別の信号を送信するためにVIAを使用します。PCB設計の基本的な特徴であるが、ビアの形状とサイズは、トレースのインダクタンスおよびキャパシタンスを変化させ、別の不連続性を作り出す。詳細については、PCBレイアウトの寄生容量を減らす方法を読んでください。

インピーダンス不連続性の影響を制限する方法

インピーダンス不連続の負の効果を制御するキーは、すべてのプリント配線板信号トレースを伝送線として扱うことである。信号経路上のすべての点の特性インピーダンスが同じであることを保証すべきである。

以下のガイドラインに従ってください。

ソースインピーダンスと負荷インピーダンスとの整合：ソースインピーダンスおよび負荷インピーダンスがトレースインピーダンスと同じであることを保証する。あなたは正しいインピーダンスを達成するために直列または並列抵抗器を使用することによってこれを達成することができます。また、正しい値の抵抗を持つ任意の開いているトレースを終了する必要があります。

分岐を避ける：シグナルが複数のチップによって共有されなければならないならば、枝を使用する代わりにデイジーチェーンで線を接続してください。あるいは、マッチングバッファデバイスを使用して信号を分岐に送信することができる。

シグナルリターンパス：シグナルリターンがシグナルラインと同じパスに従うことを確認してください。グランドプレーンを使用する場合、戻り信号パスの分割に中断がないことを確認します。痕跡の下で全長を通り抜ける固体面があることを確認してください、そして、クラックまたはカットがありません。固体の平面がない場合、より厚いリターントレースを使用する。そして、それはトレースの長さおよび誘電体の高さの三倍をカバーしなければならない。

ビアデザイン：可能な限り層に高周波のトレースを配置します。ビアが必要な場合は、伝統的なヴィラの代わりにマイクロビアを使用してください。スルーホールは、キャパシタンスおよびインダクタンス特性を著しく異なるので、信号トレース上での使用を最小にする。必要に応じて、標準的なビアよりはるかに小さい静電容量およびインダクタンスでマイクロビアを使用する。マイクロ穴は、スタブの長さをできるだけ短く保つのを助けます。別の方法は、高密度相互接続またはHDI プリント基板技術を使用することである。

インピーダンス不連続性と信号反射

均一な伝送線路上の信号は、ライン上のすべての位置において一定のインピーダンス「ZC（V／I）」に遭遇し、必要に応じて信号はそれに沿って伝送される。しかし、任意の点でインピーダンス不連続性が存在する場合、信号伝搬は影響を受け、信号の反射は、それが伝播する媒体の不連続性に遭遇するとき光が反射するときに生じる。

インピーダンス不連続性の様々な種類とその原因

伝送線路のインピーダンスは、導体の形状及びプリント配線板材料の特性に依存するので、これらの特性の変化は、インピーダンスを変化させる。以下に例を示します:

行のソースまたは行先/端で。ソースインピーダンス又は受信機インピーダンスは、通常、ラインのインピーダンスとは異なる。

プリント基板材料の線幅または高さ（すなわち銅厚）の変化信号線と戻り経路の間、または高さと高さの変化/または誘電率.