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PCB設計における伝送線路遅延計算器

伝送線路は、現代生活を可能にする、見かけによらず複雑なものの一つです。単なる金属ケーブルのように見えるものが、実際には精密に設計されたシステムです。PCB上のトレースも同様で、電子デバイスに電力を供給する血管のようなものです。

では、伝送線路とは何でしょうか？この用語は、PCB上のトレースと民間の電力線との類似を示すために最初に採用されました。しかし、「伝送線路」という言葉は、あまり文脈を伴わずに使われがちです。PCB上の全てのトレースが伝送線路というわけではなく、伝送線路の設計ルールは場合によって重要になります。

私のトレースは伝送線路ですか？

「伝送線路」という用語は、PCB上のトレースの構造ではなく、振る舞いに関するものです。特定の条件下ではトレースが伝送線路として振る舞い、他の条件では単なる導体として振る舞うことがあります。

トレースが伝送線路のように振る舞うかどうかは、信号がトレースを伝わるのにかかる時間によって決まります。この時間は、伝搬遅延、または伝送遅延と呼ばれ、これらの用語は互換性を持って使用されます。

トレース内の遅延が、トレース上を移動するデジタル信号の立ち上がり時間よりもはるかに長い場合、そのトレースは伝送線として機能します。アナログ信号の場合、立ち上がり時間は信号の振動周期の4分の1とされます。どちらの場合も、トレースと両端のコンポーネントは、さまざまな信号整合性の問題を防ぐためにインピーダンスが一致している必要があります。

電気伝送線

オンライン伝送線計算機

特定のインピーダンス値を持つようにトレースを設計する簡単で手っ取り早い方法が必要な場合、オンライン伝送線計算機を使用できます。このツールは、ユニット長さなど、マイクロストリップ、埋め込みマイクロストリップ、ストリップライントレースなど、異なる配置のトレースを説明するいくつかの重要なパラメータを計算できます。

気づくことの一つは、ほとんどのオンライン伝送線計算機が、伝送線インピーダンスの周波数依存性を完全に無視していることです。実際には、周波数による効果があり、その効果はシステム内の抵抗、容量、インダクタンス、導電性によってより顕著になります。

低周波数信号によって遭遇されるインピーダンスは、高周波数でのインピーダンスよりも周波数変化に対して敏感である傾向があります。オンラインの伝送線計算機は常に低周波数でのインピーダンスを探ることを許可しているわけではなく、一般的に高周波数で作業していると仮定します。

非常に高い周波数、RFアプリケーションで使用されるような周波数では、この周波数依存性は一定値に飽和します。そのため、ほとんどのオンライン計算機は、この依存性を無視できるほど十分に高い周波数で作業していると仮定します。

伝送線計算機からの重要な出力は、有効誘電率定数です。このパラメーターは、トレースの寸法と導体と基板の誘電率定数の対比に依存します。このパラメーターは、光ファイバー光学における有効屈折率と同じ役割を果たし、信号が伝送線をどれだけ速く伝播するかを決定します。

ここでオンライン伝送線計算機も役立ちます。有効誘電率定数を得たら、それを使用してトレースのライン遅延を計算できます。ライン遅延を計算し、それを信号の立ち上がり時間と比較した後、トレースが実際に伝送線として振る舞っているかどうかの答えが得られます。

計算機を使った電子設計

SPICEシミュレーションと伝送線

SPICEシミュレータは、特に高速、高周波、HDI、低電流アプリケーションにおいて、PCBの信号整合性の問題を調査するのに役立ちます。すべてのSPICEシミュレーションが直接に伝送線のインピーダンス値を返すわけではありませんが、トレースとコンポーネント間のインピーダンスの不一致から生じる信号整合性の問題を診断することを可能にします。オンラインおよびデスクトップの設計ソフトウェアパッケージは、SPICEシミュレーションへのアクセスを提供します。

すべてのPCBは、基板の誘電体によって金属要素が分離されるため、ある程度の寄生容量と寄生インダクタンスを持っています。SPICEシミュレーションを使用する際には、寄生インピーダンスの影響をモデル化するために、等価回路モデルに直列および並列の位置にキャパシタとインダクタを追加する必要があります。

典型的なSPICEシミュレーションではこれを直接含まず、寄生リアクタンスを考慮するために戦略的なポイントにインダクタとキャパシタを追加する必要があります。より高度なSPICEシミュレータは、これを直接考慮します。寄生容量とインダクタンスは、PCB基板の誘電率定数とボード上の導体の配置から直接計算することができます。

良いSPICEモデルからの出力は非常に重要です。なぜなら、リンギング、グラウンドバウンス、伝搬遅延による信号の不一致、さらにはノイズカップリングのような問題を視覚化できるからです。これらの信号問題を製造前に診断することで、不良のボードのバッチを注文することを避けることができます。

この出力は一般的に、電圧（または電流）対時間のグラフに表示されます。このタイプの出力により、入力と出力の信号強度、伝搬遅延、および信号の整合性を比較できます。周波数領域で作業する場合、入力信号と出力信号の関係を定義する伝達関数を確認できます。

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