差動ペアのインピーダンス：PCB設計のための演算器の使用

私は高校でさまざまなコンピューターの授業を受け、なぜイーサネットケーブルの導体が互いにねじれているのか常に疑問に思っていました。これが、信号が互いに干渉することなく目的地に到達することを保証する単純な設計方法であることを、私はほとんど知りませんでした。往々にして、複雑な問題に対する最善の解決策は、実のところ最も単純なものです。
導体の差動配線は、イーサネットケーブルに限らず、PCBにおける主要なトポロジーの1つです。回路基板の設計者は、多くの場合、差動トレースではなくシングルエンドトレースの観点から伝送線路のインピーダンスを論じます。

一部の設計者は、差動ペアの各配線を固有のシングルエンドトレースとして扱う傾向があります。これにより、各配線間に存在する自然な結合が無視され、差動ペアのインピーダンスとシングルエンドのインピーダンスは大きく異なることになります。

伝送線路は本当にあるのか?

トレースが伝送線路として動作するかどうかは、特定のトレースでの伝送遅延に依存します。デジタル信号の立ち上がり時間、つまりアナログ信号の発振周期の4分の1が、トレースに沿った往復の伝送遅延の2倍未満である場合は、トレースを伝送線路として扱う必要があります。

より保守的な業界標準のルールは、トレースの伝送遅延が、立ち上がり時間または発振周期によって定義される、臨界往復伝送遅延の10%を超える場合に、トレースを伝送線路として扱うというものです。疑わしい場合は、信号反射による問題を防ぐために、インピーダンスを一致させた方が安全です。

差動 vs シングルエンドインピーダンス

高速/高周波PCBでのインピーダンスの不整合は、信号を乱す可能性があります。信号の共振によるリンギングなどの問題は、シングルエンドの配線にインピーダンスの顕著な不整合がある場合に発生します。通常、低周波信号ではインピーダンス整合は不要です。ただし、トレースとその上流、および下流のコンポーネントの間の不整合が大きい場合は例外です。高速および高周波のPCBでは、インピーダンスは常に一致する必要があります。

シングルエンドトレースのインピーダンスは、通常、伝搬信号が含まれているかどうかにかかわらず、隣接するトレースを無視して計算されます。差動ペアでは、隣接するトレースが信号トレースとして逆方向にリターン電流を伝搬すると仮定すると、一方のラインの信号は誘導によって他方のラインに結合されます。またこれらのラインは、基板誘電体に起因する寄生容量をライン間に持ちます。

PCBの差動ペアの配線とビア

クロストークがコントロールされるほか、差動トレース間の結合によって、実際には各トレースのインピーダンスが低下します。設計者は、単純なシングルエンドトレースのインピーダンス演算器を使用して差動トレースのインピーダンスを計算すべきではないことに注意する必要があります。

デジタル信号の場合は、差動インピーダンスを計算する際に信号の周波数帯も考慮する必要があります。数学的に理解するため、デジタル信号の周波数内容は、アナログ周波数の合計として表すことができます。これは、デジタル信号を伝送する差動ペアでの結合は、デジタル信号の周波数帯全体に大きく依存することを意味します。

デジタル信号の強度の大部分は、折点周波数より低い周波数に集中しており、立ち上がり時間の逆数の約3分の1に等しくなります。動作周波数と折点周波数の間のすべての周波数が、インピーダンスの決定要因になります。

差動インピーダンス演算器

ストリップラインとマイクロストリップの差動ペアは、基層の存在によりインピーダンス値が異なります。対称、および非対称のストリップラインや、埋め込みマイクロストリップも、表面マイクロストリップとはインピーダンス値が異なります。基層の絶縁体および形状により、配線の有効比誘電率が変更され、配線が伝送線路として機能するかどうかを決定する臨界遅延時間も変更されます。

多くの差動インピーダンス演算器を使用する場合は、トレースの有効比誘電率を事前に知っておく必要があります。これには、特定のジオメトリに合わせて調整された別の計算機能が必要です。

木製テーブルの上の電卓

有効な比誘電率が決まり形状を選択すれば、計算を開始する準備は完了です。必要なインピーダンスレベルに達するまでジオメトリックパラメーターを使用することも、形状を制約し算出されたインピーダンス値をPCBのインピーダンス整合に使用することもできます。

ほとんどの演算器から返される差動インピーダンスの値は、各トレースからのインピーダンスの合計に等しい値です。この値を「2」で除算すると、各トレースの奇数モードのインピーダンス値が得られます。これは、インピーダンス整合の際に考慮する必要がある値です。極端な場合、トレース間の分離を非常に大きな値に設定すると、トレースのインピーダンスはシングルエンドのインピーダンス値に収束します。

多くのオンライン差動インピーダンス計算機能の欠点の1つは、インピーダンスを周波数の関数として計算できないことです。RF計算機能の中には、特定の周波数 (通常は2.4GHz) でのみ計算を行うものがあります。トレース内のSパラメーターは周波数に依存するため、差動ペア インピーダンス演算器は、これを考慮する必要があります。ほとんどの演算器では、差動インピーダンスがインピーダンスの平方根を静電容量で除算した近似値が使用されます。

周波数領域では、インピーダンススペクトルは、共振による中間周波数で最小値を有し、その後、低周波と高周波の両方で増加します。時間領域では、特定の振動周期/立ち上がり時間に最小値があり、信号周期/立ち上がり時間が往復遅延時間まで増加するにつれて単調なインピーダンスの上昇が続きます。ここでは、効果的な設計ソフトウェアと優れたシミュレーション ツールが重要になります。

高性能のPCBレイアウトソフトウェアであるAltium Designerを使用すれば、次回の高速/高周波設計で差動ペアを簡単にレイアウトできます。ActiveRouteツール、xSignalsツール、組み込みシミュレーションツールを使用すると、差動ペアを簡単に配線し、インピーダンスの不整合による信号の問題を回避することができます。

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