伝送ラインを考えるとき、最初に思い浮かぶのはケーブルです。 この記事ではこれに焦点を当てませんが、PCB 伝送ラインも同様に動作します。 通常のケーブルは 2 点間の電気の伝送に役立ちますが、PCB バリアントは送信機と受信機の間で信号を送信するのに役立ちます。

ただし、その仕組みに慣れていない場合、伝送ラインを PCB レイアウトに統合するのは困難なプロセスになる可能性があります。 ただし、高速設計に追加する前に、重要な情報をすべて提供します。 PCB伝送ラインの種類やその意義などについて解説します。

PCB 伝送ラインとは何を意味しますか?

PCB 伝送ラインは、基板との信号の送受信に役立つリンクで構成されています。

また、これらは 2 つの導体、信号トレース、およびリターン パスで構成されています。 PP、カバーレイ、グラスファイバーなどの誘電体材料が、これらの導体を分離するこの厚さを構成します。

さらに、PCB 伝送ラインはすべての I/O 信号を伝送します。 信号は、シングルエンド入出力接続内の基準面と信号トレースを使用して、ある場所から別の場所に転送されます。 ただし、差動 I/O では、リファレンス プレーンを使用して 2 つのトレースを結合し、伝送線路を作成します。

どれが伝送線でどれがそうでないか?

電線上の信号の周波数が、特定の時点での電線の電圧が電線全長にわたって一定であることを示すのに十分なほど低いままであれば、伝送線は必要ありません。

ただし、伝送信号の周波数が非常に高く、PCB トレースの長さが非常に長い場合は、通常の接続ではなく、この状況で伝送ラインを使用する必要があります。

相互接続が通過する信号の波長の長さの 25 パーセント以上であれば、それを伝送ラインと呼ぶことができます。

インピーダンス制御された伝送線路

伝送線路の交流は、波の伝播特性を示すのに十分な高い周波数を特徴としています。 電気信号が伝送線路をどのように伝わるかに影響を与える主な要因はインピーダンスです。インピーダンスは、線路が一定の形状を維持すると仮定すると、全長に沿って存在します。

このラインは、制御されたインピーダンスラインと呼ばれます。 インピーダンスが不均一であると、歪みや信号の反射が発生します。 高周波数での信号の動作を予測するには、伝送線路のインピーダンスが調整されている必要があります。

クロストーク、信号の反射、電磁ノイズなど、信号品質に悪影響を及ぼし、誤りを引き起こす可能性のあるその他の問題を防ぐためには、伝送ラインの影響を考慮することが非常に重要です。

信号に基準面がある必要はありませんが、プリント基板上の差動配線の実際の実装には基準面が必要です。 インピーダンスが調整および制御された伝送線路は、プリント基板システム内で優れた信号の完全性を維持するために不可欠です。 基準面、信号配線、およびこれらの配線の形状はすべてインピーダンスに影響します。

特定の積層構造内のガラスの有無により、インピーダンスの変動が生じる可能性があります。 ただし、高速接続以外では、これによって問題が発生することはほとんどありません。

伝送線路にはどのような種類があるのですか?

マイクロストリップとストリップラインは、プリント基板上で見られる 2 つの主要な信号伝送ラインです。 基板の最上層では、これらのマイクロストリップ伝送ラインは単一の均一な配線で構成されています。 また、トレースは通常、PCB のグランドプレーンと平行に走ります。

ほかに何か？ 走行信号にはリターン ルートがあり、グランド プレーンによって提供されます。 グランドとトレースプレーン間の接触を防ぐには、特定の高さの誘電体材料が役立ちます。

これとは対照的に、ストリップライン PCB 伝送ラインは、回路基板の内層内に単一の均一なトレースを備えています。 さらに、平行な誘電体層と導電面により、送信信号に 2 つの戻り経路が与えられます。 これにより、トレースが両側に分離されます。

通常のタイプとは別に、プリント基板上の 3 番目のカテゴリを利用できます。 ただし、それは非常に珍しいことです。 このリターン パスと信号トレースは、ボードの層に配置されます。

ただし、信号トレースは中心に留まり、2 つの隣接するグランド プレーンもこのトレースを囲んでいます。 さらに、伝送線路の構造中に誘電体が見つかる可能性があります。 コプレーナ構造もストリップラインとマイクロストリップのオプションです。

マイクロストリップ

これは 1 つの均一なトレース (信号用に設計された) で構成されます。 また、PCB の最上層の導電性グランドプレーンと平行しており、信号のリターンパスとして機能します。 PCB 誘電体の特定の高さにより、トレースがグランド プレーンから分離されます。

ストリップライン

PCB の最内層には、信号を運ぶストリップラインとして知られる一貫した配線があります。 平行な回路基板の誘電体層と導電面は、各側面のトレースを分割するために使用されます。 結果として、2 つの基準面が 2 つの戻りルートまたは経路になります。

同一平面上

コプレーナ導波路の設定では、リターンパス用のこの導体は、プリント回路基板内の信号トレースと同様の層上にあります。 3 つの平面はすべて 1 つの平面上にあり、中央に信号トレースがあり、それを囲む 2 つの隣接する外部グランド プレーンがあるため、「共面」と呼ばれます。 その下にはプリント基板の誘電体が配置されています。 コプレーナ構造は、ストリップラインとマイクロストリップの両方で可能です。

伝送線路設計の考慮事項

プリント基板設計上でトレースを結合する際には、考慮しなければならない点がいくつかあります。 以下に、これを支援するためのヒントをいくつか示します。

伝送線は、電力の受信端と生成端として機能する少なくとも 2 つのポートのグループで構成されます。 このため、ほとんどの伝送線路には導体が必要です。 線路が三相の場合は、3 本の導体が必要です。 同軸ケーブルや一般的な PCB トレースも伝送用のラインとして使用できます。

回路規模が小さく、波長が短い場合、伝送路の動作は異なります。 さらに、導体の長さ全体にわたるループインダクタンスと両方の導体間の静電容量も、導体がどのように機能するかに影響します。

伝送ケーブルはさまざまな場所に信号を伝達すると考えられますが、考慮すべき要素は他にもあります。 それが主な目的ですが、伝送線路の設計を慎重に計画することをお勧めします。 そうしないと、伝送ラインやトレース設計の欠陥によって PCB の機能が妨げられます。

PCB における伝送ラインの重要性

PCB 内の伝送ラインは、シリアル リンクの損失やその他の関連経費を削減する上で重要な役割を果たします。 これはすべての高周波回路に当てはまります。なぜなら、高周波回路では誘電損失や信号の中断が発生する可能性が高いからです。 したがって、設計のプロセスでは、伝送線路のモデリングと形式を十分に検討し、最終的に決定することが重要です。

ありがたいことに、製造技術、集積回路のモデリング、動作周波数の向上により、デジタル回路設計がマイクロ波や無線周波数の接続に使用できるようになりました。 回路基板上のトレースを適切に接続するには、伝送ラインに関連するいくつかの要因を考慮することが重要です。 この状況で役立つガイドラインをいくつか示します。

PCB における伝送線効果は、発電側と受信側の両方を特徴とする少なくとも 2 つのポートのネットワークで構成されます。 三相線路には 3 本の導体を使用する必要があります。 伝送ラインは、通常の PCB トレースまたは同軸ケーブルで構成される場合があります。 高品質の導体材料またはこれらの導体内のかなりの表面積は抵抗を下げるため、PCB およびアプリケーション内で必要な抵抗を考慮する必要があります。 これら 2 つの変数と抵抗の間に反比例の関係があるのはこのためです。 これは、長い回線ルートや広い波長にも当てはまります。

幸いなことに、伝送線路は低周波だけでなく抵抗以外の用途も考慮されているため、より良いソリューションが利用可能になりつつあります。

波長が短く、回路サイズが小さいと、伝送路の動作が大きく異なります。 伝送線路の全長にわたるループインダクタンスと、特定の長さにおける両方の導体間の静電容量の両方が役割を果たします。

結論

PCB伝送ラインが何であるかを理解していただければ幸いです。 インピーダンスは、PCB 伝送ラインの構築中に考慮する必要がある非常に重要な側面です。 そうしないと、このインピーダンスが回線の長さと一致しない場合、信号の反射によってプロセス全体が停止してしまいます。 したがって、PCB 設計の物理的特性を推定してトレース ラインのインピーダンスを管理することをお勧めします。 これにより、システムは一定の値を維持できるようになります。

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