PCBルーティング中の制御インピーダンスに関するPCB設計ガイド

1831年6月、サー・ジェームズ・クラーク・ロスはカナダ北部のブーシア半島で北磁極を発見しました。しかし、「発見」という言葉が示すように、北磁極が静止しているかのように思われがちですが、実際には北磁極と南磁極は絶えず移動しています。地球の磁場は時間とともに変化し、その変化が起こると、極の位置も移動します。年間55kmの移動速度を考えると、「極急行」という新たな意味が出てくるかもしれません。

しかし、PCB内での信号の伝達を考える際には、一方の極から他方の極への移動にかかる時間、費用、エネルギーを心配する余裕はないかもしれません。トレースのルーティングやトレース幅は重要ですが、回路基板のグラウンドプレーン上のトレースは、差動インピーダンスの追跡を難しくすることがあります。トレースや制御インピーダンスのルーティングにおいて、PCB設計ソフトウェアを最大限に活用する方法を学ぶことが役立ちます。

複雑なインピーダンスの探求

インピーダンスに関して、「極性」という概念は異なるタイプの探求を意味します。複素インピーダンスは、多成分AC回路を扱う上で重要なツールです。これらの回路における電圧や電流を正弦と余弦で表す代わりに、インピーダンスを複素指数またはとして表現できます。インピーダンスは、特定の周波数での単一の複素指数に対する電圧/電流比として機能します。

そこから、個々の回路要素のインピーダンスを純粋または実数の虚数として表現できます。これにより、理想的なインダクタの純粋に虚数のリアクティブインピーダンスは次のようになります：

一方、理想的なキャパシタの純粋に虚数のリアクティブインピーダンスは次のように現れます：

純粋または虚数への移行には、実軸に沿った抵抗を持つ複素平面の使用が必要です。ここで、キャパシタとインダクタのリアクタンス値は虚数となります。虚数のインピーダンスはインピーダンスのリアクティブ成分を提供し、リアクタンスによって発生する位相の変化を評価することを可能にします。

RLおよびRC成分の直列組み合わせでは、ベクトルの成分として成分値を加算できます。複素数として、これらの値は抵抗と同じ単位を持ちます。

複素インピーダンスの極形式

RL回路とRC回路の複素表現の極形式は、電圧と電流の振幅と位相の関係を示す二次元座標系として現れます。平面上の各点は、基準点からの特定の距離と基準方向からの特定の角度にあります。基準点は極として機能し、基準方向における極からの光線は極軸を指します。極からの距離は半径または極座標であり、角度は極角を表します。

極形式では、複素インピーダンスの大きさは電圧振幅と電流振幅の比と等しくなります。複素インピーダンスの位相は、電圧よりも電流の位相シフトと等しくなります。方程式の形では、インピーダンスは次のように現れます：

大きさは電圧差振幅と電流振幅の比を表し、引数Ɵは電圧と電流の位相差を与えます。一方、は虚数単位を表します。複素インピーダンスの極形式を使用すると、インピーダンス量の乗除が簡単になります。

制御インピーダンスPCBルーティングのためのトレースを計画できることが必要です

PCBインピーダンスコントロール

複素インピーダンスとその極形式に関する非常に簡潔な議論は、インピーダンスの計算に伴う数学的な複雑さと、PCB設計におけるインピーダンス制御に遭遇する困難な問題の両方を強調しています。多層の高周波回路は、伝送線として機能する多数のビアと分岐を含んでおり、ソースと負荷の間でエネルギーの反射が発生する可能性があるため、問題はさらに困難になります。回路のタイプや複雑さに関わらず、信号経路に沿った全てのインピーダンスが一致する場合にのみ、最大の信号伝送が発生します。

回路基板の設計に最良の実践を用いることで、トレースが適切に配線され、インピーダンスが適切に一致するようにすることができます。ソースの出力インピーダンス、トレースのインピーダンス、および負荷の入力インピーダンスを一致させるには：

• コンポーネントのインピーダンスを一致させる
• トレースの特性（長さ、幅、厚さなど）を測定する
• 所望のインピーダンスを達成するためにマイクロストリップを使用する

制御インピーダンスルーティングとAltium Designer^®

Altium Designerでは、回路図キャプチャ段階でPCB設計の信号整合性を分析することができます。また、供給ネットを定義し、ツールメニューを使用して平均トラックインピーダンスとルート長を提供することもできます。Altium Designerは、設計内のコンポーネントのインピーダンスマッチングに対して直接的な解決策を提供します。選択したネット上の反射を分析し、異なるターミネータ値で実験することもできます。

ルーティングインピーダンスを決定するには、Altium Designerに見つかる2つの式のいずれかを使用できます。最初の式では、マイクロストリップの特性インピーダンスを決定でき、2番目の式では、ストリップラインの特性インピーダンス式を提供します。両方の方程式は、誘電体の厚さ、ルーティング幅、および誘電体材料の誘電率を示しています。

PCB設計ソフトウェアを信頼して、トレースを効率的かつ効果的にマッピングしてください

Altium Designerは、特性インピーダンス幅オプションをさらに簡素化します。このオプションを使用すると、PCBルールおよび制約エディタ内でルーティング幅設計ルールを確立し、必要なインピーダンスを入力できます。特性インピーダンス幅オプションは、必要なインピーダンスを各信号層の幅に自動的に変換します。インタラクティブに制御されるAltium Designerのインピーダンスルーティング機能は、必要なインピーダンスに対してトラック幅を自動的に調整します。

高速PCB設計における制御インピーダンスルーティングとコンポーネントインピーダンスマッチングについて詳しく知りたい場合は、Altium Designerの専門家に相談してください。