高速デジタル PCB 設計におけるインピーダンス制御に関する 9 つのヒント

インピーダンス制御の基本要素を理解する

PCB 内のワイヤを接続すると、複数の機能が実行されます。電流が流れるだけでなく、信号伝送ラインにも一部含まれています。多機能性は、小さなサイズとデジタル化からの出力を最大化するのに役立ちます。

PCB での信号伝送の反射を防止することが重要です。インピーダンス制御、インピーダンスの調整、および整合により、回路の伝送損失を減らすことができます。インピーダンスは AC 回路の特徴です。これは、並列ループと電源プレーンが AC の流れに提供する抵抗です。

さまざまな理由が、PCB 設計の特性インピーダンスに影響を与える可能性があります。多くのエラーは、伝送ラインの障害から発生します。

特性インピーダンスは、他の原因によっても変化する場合があります。考えられる要因は次のとおりです:

1. 回路トレースの厚さ。

2. 回路トレース周辺のプリプレグ誘電率。

3. 絶縁体の厚さも影響します。

適切な誘電体の選択

誘電率特性インピーダンスに大きな影響を与える可能性があります。 PCB デザインの制御されたインピーダンスの量を計算する必要があります。特性インピーダンスは誘電体の幅に比例します。絶縁誘電体の幅が広いほど、インピーダンス値が高くなります。

メーカーは、絶縁の目的で PCB 回路に誘電体を使用しています。基板ボードの材料 - 多数の構成材料から選択できます。人気のあるものには、ガラス繊維とエポキシのラミネートであるFR-4が含まれます。難燃性もあり、PCB が過熱した場合に便利な特性です。デザインに基づいて、柔軟な FLEX 素材を選択することもできます。

誘電率は周波数によって変化します。広範囲の周波数にわたって一貫した一定の値を持つ材料を選択してください。 PCB ボードの高周波用途に適しています。

分割面をまたぐトレースの交差を防ぐ

専門家は、高速/周波数信号をグランド基準面にルーティングすることを提案しています。スプリットプレーンをまたがってトレース配線をルーティングすることは常に避けてください。唯一の例外は、制御されたインピーダンスを増やしたい場合です。

分割されたプレーンを横切るトレースには、いくつかのマイナス面があります。それらのいくつかは次のとおりです:

1. 直列インダクタンスによる信号伝送遅延。

2. 信号の中断と干渉。

3. シグナルインテグリティの低下。

クロストレースの代わりに、スプリットプレーン間でコンデンサをスティッチングする方法があります。それらは、電流の適切なリターンパスを提供します。これは、電流ループ領域の縮小につながります。このようにして、必要なインピーダンス制御を行うことができます.

常に基準平面を保つ

交流電流のリターンパスとしてグランドパスを参照する必要があります。回路トレースによって占有されていない領域のほとんどは、基準グランドプレーンを構成します。面積が広いため、大きな電圧降下なしで大電流を返すことができます。無線周波数レベルで動作する PCB の場合、グランドプレーンは信号障害を低減します。また、グランドループによる干渉も減少します。

接地面もインピーダンス制御に不可欠です。さらに、2 つの並列回路トレース間のクロストークを防ぎます。また、回路の状態変化中の大幅な電圧降下も防ぎます。高インピーダンスの電源またはグランドトレースは、グランドバウンスを引き起こす可能性があります。

他の回路コンポーネントの機能を妨害します。基準接地の広い領域は、インピーダンスが低くなります。その結果、電流パルスによる損傷が少なくなります。

プリプレグの制限について知る

プリプレグ (pre-impregnated の略) は、エッチングされたコアの融合に使用されます。その他の用途 - 銅線をベースに取り付ける。強化構成要素は、いくつかの構成材料を有することができる。一般に、それは通常、ガラス繊維とエポキシベースの樹脂材料で構成されています。 2 つの層を高温でプレスすることで、必要な厚さを作り出します。

専門家は、コアスタックアップ中に最大 3 種類のプリプレグを使用することを推奨しています。厚さのばらつきを避けるため、各層は 10 mm 未満にする必要があります。

樹脂含有量の少ないプリプレグは避けてください。それらは、ラミネーション時に樹脂不足につながる可能性があります。ボードは、設計上対称である必要があります。インピーダンス制御を強化するには、誘電率の均一性が必要です。一貫性が高いことも望ましい。

さらに、プリプレグ溶融材料の誘電率はさまざまです。それらは通常、元のコア材料とは異なります。銅の CTE (熱膨張係数) に匹敵するプリプレグ材料を選択してください。

インピーダンス制御トレースサイズ

トレースは、高速 PCB ボードの制御されたインピーダンスを決定するのに役立ちます。トレース寸法を使用してインピーダンス制御を計算します。この計算に必要な 4 つの測定値は次のとおりです。

● H:トレースの高さ。

● Er:誘電率。

● T:証拠の厚さ。

● W:証拠の幅。

Trace Impedance は、次の各単位の変化によって変化します。したがって、事前にこれらの寸法を決定することが不可欠です。トレース幅の大幅な違いは、接続不良につながる可能性があります。極端な場合、PCB を破壊する可能性があります。標準化されたトレース寸法は避けたほうがよいでしょう。 PCB 設計によっては、機能する場合と機能しない場合があります。

安全なインピーダンス計算機を使用する

インピーダンスのレベルを計算することは、いくつかの段階で重要です。これは、PCB 設計段階で特に必要です。 PCB デザインで制御されたインピーダンスの値を見つけます。その後、変更または許容レベルを決定できます。

主な問題は計算自体です。インピーダンス値の式には、一連の面倒な複雑な式が含まれます。寸法以外に、誘電率の値も必要になります。正確な対数値、関数の値などを知る必要があります。また、関数電卓を常に近くに置いておくこともできません。

現在、インピーダンスを計算するためのオンラインオプションを利用できます。いくつかのサイトが計算部分を行います。トレースの寸法と誘電率の値を提示します。すぐにインピーダンス値が得られます。

優れた PCB 設計ツールが不可欠

技術の進歩により、多くの支援オプションが利用できるようになりました。 PCB 設計用のツールとソフトウェアは、数十年前にはありませんでした。材料費の見積もり用のコンポーネントが統合されているものもあります。利用可能ないくつかのオプションの中から試してみて、お気に入りを選んでください。

PCB 設計者は、Altium Designer、PowerPCB、ORCAD、Autodesk Eagle の中から好きなものを試します。その他のオプションには、KiCAD EDA、Solidworks PCB などがあります。それぞれにいくつかの長所と短所があります。購入する前に、現在のシステムとの互換性を考慮してください。