ストリップライン対マイクロストリップ トレース幅での所望のインピーダンス：それらは同じですか？

時々、ルーティング、レイアウト、信号整合性などに関する興味深い質問を受け取ります。私は忙しくないときにこれらに対応しようとしますが、時にはそのうちの一つが私の目を引き、より多くの設計者に答えを出す必要があると感じることがあります。これ以上の前置きはなしで、ここに私が受け取ったストリップラインとマイクロストリップの幅に関する制御インピーダンスについての質問があります。

マイクロストリップとストリップラインについての問い合わせがあります。伝送線のT、H、Wの値をマイクロストリップとストリップラインで同じに使用することは可能ですか？ストリップラインのインピーダンスを約32オームにしたいと考えています。

最初は少し曖昧な質問のように思えましたが、次のように読みました：マイクロストリップの最適な幅を決定した場合、同じ銅の重さと基準面までの距離を考慮して、その幅をストリップラインにも使用できますか？このタイプの質問は、ルーティングやトレース設計の重要でよく見落とされがちな側面に戻るため、私は好きです。PCB内の高速設計とインピーダンス制御という楽しい領域をいくつか取り上げるため、もう少し深く掘り下げてみましょう。

短い答え：フィールドラインを見てください！

いいえ、異なる伝送線路の幾何学に同じ幅を使用して、同じインピーダンスを期待することはできません。これは数学的にも概念的にも明らかです。概念的な観点から見ると、マイクロストリップ上のトレースは、その上のはんだマスクと空気に向けてその場を放出します。これらの領域の場の強度は誘電体内のそれとは異なるため、これらの場の線が参照平面において同じ輪郭パターンと変位電流を生じさせるとは合理的に期待できません。誘電体を直接通過して参照平面に向かう場の線と同じようにです。この誘電率値の変動は、トレースの周りでマイクロストリップ上の信号が、PCB基板の生のDk値ではなく、効果的な誘電率定数によって決定される速度を持つことを意味します。

ストリップラインでは、電場は誘電体を通過するだけで、空気はありません。言い換えれば、誘電率定数は単にDk値であり、マイクロストリップのような「効果的なDk」は存在しません。これは、ストリップラインから誘電体を通過する特定の場の線について、参照平面でより大きな変位電流を期待することを意味し、したがって、ストリップラインと参照平面の間で測定される特性インピーダンスが低くなると期待されます。

実際には、シミュレーションデータで思われるよりも、フィールドラインははるかに役立ちます。もっと深く見たい場合は、両方のタイプの伝送線の特性インピーダンスを記述する方程式を見ると役立ちます。

詳細な回答：ストリップラインとマイクロストリップの方程式を見る！

ストリップラインとマイクロストリップのインピーダンスが幅によってどのように変化するかを本当に理解するためには、これらの伝送線の特性インピーダンスから始める必要があります。これらの方程式を見つけるために、以下の記事をご覧ください：

• トレースインピーダンス計算機と公式の解明
• 対称ストリップラインインピーダンス計算機と公式

これらの伝送線のトレース幅を比較するためには、特性インピーダンスとトレース幅をプロットする必要があります。これは、幅（実際には、これらの方程式のW/Hの比率）を変化させながら、他のすべてのパラメーターを一定に保つことで、簡単に視覚化できます。

下の画像は、FR4（Dk = 4.4、損失角 = 0.02）上のマイクロストリップとストリップラインの特性インピーダンスの実部を計算したものを示しています。簡単のために、誘電体層間の等間隔で8層ボードを仮定し、銅の重さは0.5 oz/sq. ft.に設定されました。ストリップラインは参照平面に対しても対称です。ここでは、虚部が非常に小さいため、実インピーダンスに焦点を当てました。

明らかに、マイクロストリップとストリップラインで同じ幅を使用して、他の条件を一定に保った場合でも、同じ特性インピーダンスを期待することはできません。ここから、私が使用した誘電体定数と層のスタックによると、約16ミルのマイクロストリップは、約7ミルのストリップラインとほぼ同じインピーダンスを持つことがわかります。上記の曲線は、 入力インピーダンスと混同してはいけません。これは、線の長さと負荷での入力インピーダンスに依存し、それは終端方式によってさらに依存します。

もっと現実的な状況で何が起こるかを見たい場合、信号がドライバーから伝送線に注入される際に遭遇する入力インピーダンスを考慮する必要があります。下のグラフは、1 GHzの帯域幅（デジタル信号のための350 psの立ち上がり時間）で10 pFの負荷容量を持ち、50オームで並列（シャント）終端された1 m長のマイクロストリップとストリップラインの入力インピーダンスの大きさを示しています。

このグラフは、伝送線の終端の重要性を示すべきです。インピーダンスが目標値の上または下に位置する幅の範囲があります。再び、マイクロストリップのために決定された幅を単純に使用し、ストリップラインの同じ入力インピーダンスを期待することはできません、その逆もまた然りです。興味深いことに、この特定の配置では、ストリップラインは狭い幅の範囲で約50オームに達します。負荷の入力インピーダンスまたは終端インピーダンスが変わると、同じ条件を持つことはありません。

制御インピーダンス設計において適切なトレース幅を推測する代わりに、Altium Designer®はSimberianからの統合3Dフィールドソルバーへのアクセスを提供し、高速および高周波PCBのためのインピーダンスプロファイルを迅速に作成するのに役立ちます。ストリップラインとマイクロストリップの幅とインピーダンスの間のトレードオフを、ボードを作成する際に即座に確認できます。また、高速PCBの適切な終端方式を決定するために必要な機能も備えています。

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