数学と科学は、精度と精度の単純なルールに従います。 主にイベント、アクション、アイテムを正確に測定します。 それは依然として人に考えさせます。 したがって、物理構造の設計、製造、分析時には重要な考慮事項が必要です。 ハイゼンベルクの不確定性原理は、ほとんどの数学、科学、工学プロジェクトに見られます。 ただし、この原理では、物の速度と位置を同時に測定することはできないと述べています。 したがって、科学者や技術者は依然としてそれらを完全に測定するソリューションを探しています。

インピーダンスの理想値を決定することは、PCB の設計、特に高速 PCB 設計において重要な役割を果たします。 これにより、トレースパラメータ制御の定義とボード材料の選択が決まります。 PCB のインピーダンスを独自に計算および分析すると、さまざまな課題が生じます。 ただし、ボードのインピーダンス制御は重要であるため、効率的な結果を得るには信頼性が高く耐久性のある方法を使用する必要があります。 そこで、利用可能なオプションをいくつか検討し、実用的で正確な結果が得られる、PCB のインピーダンス制御を計算するためのソリューションを見つけてみましょう。

PCB トレース インピーダンス計算の方法

PCB のレイアウトにおける信号の伝播は伝送ラインで発生します。 しかし、この作業はかなり困難なようです。 今日の回路は、コンパクト、多機能、複雑な設計で構成されています。 これは文字通り、PCB が DC、RF、デジタルなどのさまざまなタイプの信号、さまざまな向きやサイズを持つストリップラインやマイクロストリップなどの異なるトレース タイプに遭遇する必要があることを意味します。 ただし、クリアランスとクリープ、ボードのエッジ、フットプリント パッドの設計、トレースの間隔と幅など、考慮すべき事項がいくつかあります。 さらに、出力接続と入力接続のインピーダンスのマッチングや、インピーダンスに影響を与える可能性のある材料の種類など、さらに多くの懸念事項が増える可能性があります。

したがって、これらの考慮事項を管理すると、管理不能な状況に陥る可能性があります。 これらのパラメータに加えて、シグナル インテグリティの最大化、反射の除去、EMI またはノイズの低減といった目標も含まれる場合があります。 これらのパラメータの管理以外では、PCB のインピーダンス制御が依然として最優先であり、真剣な関心と断固としたアプローチが必要です。 計算を簡単にするために、事前仮説を差し引くことが重要です。 これは各設計の独自性に関連しており、基板のインピーダンス制御を測定するためのさまざまな可能性が与えられることを意味します。 最終的には、テクニックが異なるため、最終的に得られる結果は特定の面で異なる場合があります。 いずれにせよ、以下で説明する方法は十分に実用的で応用可能です。

計算方法

· スミスチャート

スミス チャートは最も古い手法の 1 つです。 PCB レイアウト ソフトウェアやコンピューターが開発されるずっと前に登場しました。 その主な目的は、負荷とソース インピーダンス間の反射係数の関係を決定することです。 次に、一連の数学的操作を使用して、トレースまたはラインのインピーダンスの値を取得します。

・コンピュータシミュレーション

PCBパッケージの高度な設計ソフトウェアには、インピーダンス制御計算の機能が含まれています。 これには、利用可能な設計パラメータにアクセスし、それを自動的に変更してさまざまなシミュレーションを実行できるという利点があります。 このようにして、PCB 製造に理想的な設計を選択できます。 ただし、このようなタイプのツールの唯一の欠点により、ソフトウェアがはるかに高価になります。

· オンライン計算機

オンライン計算機は、インピーダンス制御用の PCB 設計パッケージを備えたソフトウェアよりも理想的であることが証明されています。 オンライン計算機は、インピーダンス制御または目的のインピーダンスでのトレースのパラメーターを計算する機能を提供します。 シミュレーション ソフトウェアほど完全に機能するわけではありませんが、おおよその範囲内に収まる可能性があり、PCB の製造性を考慮してメーカーによるわずかではありますが必要な調整が必要です。 ほとんどのオンライン計算機は、高速 PCB の制御されたインピーダンスに関する標準 IPC-2141A の設計ガイドの原則に従っています。

PCB トレース インピーダンス計算ツールはどのように機能しますか?

各トレースには、トレースに沿って広がる小さなほとんど目立たない一連のインダクタンスがあり、トレースの断面積と比例関係があります。 立ち上がり時間が長くなると、インピーダンスが顕著になります。 同様に、各トレースにもリターン信号パスとトレースに沿った静電容量があります。 これは、トレース幅と、トレースと信号のリターンパスの間の誘電体の材質の関数として機能します。 ここでも、立ち上がり時間が増加すると、電流がこの容量を通過するため、生成されるインピーダンスが大きくなります。

ドライバは、転送された LC 回路の形式でトレースを解釈し、この分散した LC 回路から生成されたトレースの AC インピーダンスを解釈します。 これは、制御されていないインピーダンスを指します。 ただし、メーカーは、まさにこのインピーダンスに合わせてトレースの環境を設計しようとはしません。 これにより、配線に応じて静電容量とインダクタンスが変化することが可能になります。このインピーダンスは通常動作に影響を与えないため、その管理方法の設計にお金や時間を費やす必要がありません。

· コントロールされたインピーダンス

ただし、インピーダンスが動作に影響を与えたらどうなるのかという疑問が生じます。 この状況では、トレースが伝送線路に似た回路を設計します。 これにより、インピーダンスのトレース機能を終了して反射をバイパスすることができます。

インピーダンスを制御するときは、標準的な制御されていないインピーダンスの場合と同様に、トレースの両端のインピーダンスが時々変化するのではなく、一定であることを確認してください。 インピーダンス制御には、制御する回路のジオメトリの 3 つの部分が必要です。 これには、トレース幅、トレース周囲の物質の誘電率、トレース信号とリターンパス信号間の間隔の値が含まれます。 たとえば、同軸ケーブルは、インピーダンス制御を備えた伝送線路として機能します。

必要に応じて他の側面を変更し続ける場合に限り、これらの幾何学的側面を変更してインピーダンスを制御することもできます。 そのため、これらの機能間の関係は変化せず、インピーダンスの値は一定に保たれます。

PCB トレース インピーダンス計算ツールを使用してトレース インピーダンスを制限するにはどうすればよいですか?

インピーダンスが制御された回路基板を製造するプロセスには、インピーダンスを計算する機能が必要です。 PCB のインピーダンス トレース計算ツールは、トレース インピーダンスの計算に役立ちます。 これらの計算ツールには、CAD ソフトウェアまたはオンラインでアクセスできます。 インピーダンスを計算する際には、さまざまな要素を考慮する必要があります。 これには、トレースの厚さ、トレースの幅、ラミネートの厚さ、銅の重量、および誘電体の厚さが含まれます。

すべてのパラメータの値を取得したら、それらを特定のレベルに調整してインピーダンスを計算します。 望ましいレベルのインピーダンスに達したら、テスト クーポンを使用してボードの有効性をテストします。 これらのクーポンは完全に同じ平面内に構築されます。 このようにして、実際のボードトレースにアクセスする際に問題に直面することなく、適切なインピーダンス値を取得できます。 テストクーポンの痕跡と基板の痕跡が類似している場合、正確な値が得られます。

一般に、製造者は製造パネルの端にテスト クーポンを作成します。これにより、回路に欠陥を与えることなく、これらのテスト クーポンを通じて本物のインピーダンス値を取得できます。

トレース インピーダンスは、ネットワーク アナライザ、TDR、または TDR 技術を使用してインピーダンスを制御するテスト システムを通じて計算することもできます。 専門的で熟練したエンジニアがインピーダンスのテストシステムを使用してインピーダンスを測定し、ハイエンドの結果を保証します。

デザインとレイアウトはトレースのインピーダンスにどのような影響を与えますか?

実際の PCB 設計では、信号インピーダンスが設計図の理想的な望ましい値とは大きく異なる場合があります。 これは、基板の存在と回路上の配線配置によって発生します。 これにより、クロストークなどの重大な影響が増加します。 これにより、インピーダンスの値が希望の値から変化します。 PCB が高周波数にシフトするときのリンギングなど、PCB では電力整合性の問題が発生する可能性があります。 電力が供給されるネット インピーダンスも、より高い周波数では PCB の望ましい静電容量の動作から変化します。 これは、電源の完全性と潜在的な信号の問題に関与します。

・伝送線路インピーダンス

伝送線路のインピーダンスは、インピーダンスの値によって分類されます。 特性インピーダンスは重要な役割を果たします。 これは単に、他の伝送線から完全に分離された PCB の伝送線インピーダンスを指します。 通常、この値は 50 オームに等しくなります。 ただし、デバイス内の信号の標準に基づいて、異なるタイプの値を受け取ります。 たとえば、LVDS の主な特徴は、個別の部品のインピーダンス差が 85 オームに等しくなければならないことです。

伝送線路のインピーダンスを定義する他の指標は、主に 2 つの異なる伝送線路の配置に依存します。 これは、回路基板の材料と 2 つの近接した伝送線間の共有インダクタンスによって生じる寄生容量によるものです。 伝送線路は、インピーダンスの奇数値と偶数値でも分類されます。 差動インピーダンスと共通インピーダンスは他の値とリンクされており、伝送ラインを定義するインピーダンスの完全な値は最大 5 になります。

· 電力供給ネットワークのインピーダンス

電力供給のネットワークは、非常に低い周波数で容量性インピーダンスを示す場合があり、これにより、直列のグランドおよび負荷コンポーネントのリターンパスとともに直列の電力バス抵抗が減少します。 このインピーダンスは、回路内のトレース、内部プレーン、電源プレーン間の物理的間隔によって決まります。 ただし、駆動周波数が増加すると、回路内の相互インダクタンスによって電力供給システムのインピーダンスが増加します。 最終的に、電力供給のネット インピーダンスは、高周波数でさまざまなピークを示す可能性があります。

理想的には、電力供給のネット インピーダンスは、使用する帯域内で平坦である必要があります。 帯域幅は、デジタルのニー周波数とクロック レートの間のすべての周波数を表します。 さらに、デジタル信号を含む高調波が同様の周波数を読み取る場合、グランド層での戻り信号の伝達関数は平坦でなければなりません。 したがって、グランドプレーンと基板全体を伝わるアナログ信号にも同じアプローチが適用されます。

一方、電力供給の最小インピーダンスを有する帯域幅を決定するには、インピーダンスのスペクトルが不可欠になります。 グランドプレーンの空間インピーダンス分布は、特に信号が混合されたデバイスでは、より重要な役割を果たします。 信号は、グランドプレーンを通過するときに、リターングランド上のリアクタンスが最も少ないパスを通過します。 さらに、マルチポイント トポロジ、ポイントツーポイント、スター型の最小リアクタンス パスは、回路の導体の下に存在する必要があります。 これにより、回路のループのインダクタンスが最小限に抑えられ、EMI の影響が少なくなることが保証されます。

· PCB 基板材料の選択

寄生干渉があるため、PCB 基板の材料を慎重に選択し、スタックアップを設計する必要があります。 基板材料には誘電率があり、特定のインピーダンスに沿った伝送線路を作成するための設計形状に影響を与えます。 これは、正味の電力供給インピーダンスに直接影響します。 プレーン内の導体は、PCB 内のループのインピーダンスも定義し、回路の EMI 感受性に直接影響します。

· インピーダンスマッチングネットワーク

PCB スタックアップは、設計回路のさまざまな機能に影響を与えます。 これには、配線戦略と熱抵抗が含まれます。 適切な基板材料を使用した PCB 設計は、回路全体の一定のインピーダンスを管理しながら、信号損失のリスクを軽減するのに役立ちます。 配線プロセス中に PCB インピーダンスを特定の値に維持することが不可欠です。 これにより、ネット全体のインピーダンスのマッチングが保証されます。 信号が伝送ラインモードに移行したら、信号の反射を避けるために、ドライブ、レシーバー、およびトランジションラインのインピーダンスが一定である必要があることを確認してください。

結論

インピーダンス制御とは、PCB 配線のインピーダンスを計算することによって配線強度を調整する方法を指します。 ハイテクデバイスやアプリケーションの周波数は頻繁に変更されるため、インピーダンスの制御は PCB の標準的な手法となっています。

インピーダンス制御は、PCB 製造後にテストクーポンを利用して測定できます。 テストクーポンは、PCB の製造プロセスの効率を測定する PCB として機能します。 ただし、テスト クーポンも PCB と同じライン上、通常はエッジ上に作成されます。 製造プロセスの後、テスト クーポンは、層の位置合わせ、内部構造、電気的接続をチェックする評価プロセスを経ます。 サプライヤーのコレクションからクーポンを選択するか、PCB 用に特別に作成されたクーポンを選択できます。 PCB メーカーは、テスト クーポンを設計したり、機能パネルにテスト クーポンを配置したりすることもできます。