伝送線路インピーダンス：重要な6つの値

様々な伝送線路のインピーダンス値を見ていくと、特性インピーダンスと差動インピーダンスが重要な値として際立っています。これらは通常、信号規格で指定されているからです。しかし、PCB設計において重要な伝送線路のインピーダンス値は実際には6つあります。テキストブックや技術記事によっては7つある場合もあります。

特性インピーダンスの方程式は、多くの記事や教科書で簡単に見つけることができますが、他の一般的な伝送線路のインピーダンス値を計算するのはより困難です。この困難さは、複数の伝送線路の配置とそれらの間の結合の強さに依存しているためです。他の典型的なインピーダンス値は、線路の長さと任意のインピーダンスの不一致に依存する入力インピーダンスです。

伝送線路インピーダンス値

PCB設計およびルーティングの一環として理解する重要な伝送線路インピーダンス値をここに示します。

特性インピーダンス

「伝送線路インピーダンス」という用語をGoogleで検索すると、特性インピーダンスの定義が検索結果の最初のページで最も見られる結果となるでしょう。ほとんどの設計者は、集中回路モデル内で定義されている特性インピーダンスについてはおそらく馴染みがあるでしょう。このモデルは、特性インピーダンスに関して以下の人気のある式を返します：

十分に高い周波数または十分に低い損失の場合、特性インピーダンスは純粋に抵抗的になり、以下の値に収束します：

高周波限界における伝送線の特性インピーダンス。

ここでは、デジタル信号の帯域幅で約1GHzまで適用されるスキン効果は無視されています。伝搬遅延と特性インピーダンスからLとCの値を標準式を使用して導出できます。異なるトレース形状に対してです。その後、これらの回路値を使用してトレース幅とインダクタンスを最適化し、過渡的なリンギングを最小限に抑えることができます。

特性インピーダンスは時々「サージインピーダンス」と呼ばれ、用語「サージインピーダンスローディング」と関連しています。この用語は、伝送線を介して伝達され、負荷で見られる電力を定量化するために電力システムエンジニアによってよく使用されます。

偶モードと奇モードのインピーダンス

二つの伝送線が十分に近接している場合、容量性および誘導性の結合を経験します。この結合は通常、クロストークを決定するものですが、各線上の信号によって見られるインピーダンスも変更します。結合された線が共通モード（同じ大きさ、同じ極性）で駆動される場合、偶数モードインピーダンスは、ペアの一方の伝送線上で移動する信号によって見られるインピーダンスです。線が差動モード（同じ大きさ、同じ極性）で駆動される場合にも同様の定義が適用されます：

偶数および奇数モード伝送線インピーダンス値は、結合された伝送線のペアに対するZパラメーターの観点から定義されます：

Z行列（インピーダンスパラメーターとも呼ばれます）は、Sパラメーターに簡単に変換できます。共通モードまたは差動駆動を持つ複数の結合伝送線に一般化することもできます。このPDFをご覧ください、Zパラメーターや特性インピーダンス値をSパラメーターに変換するために必要な方程式について。

共通モードと差動インピーダンス

共通モードと差動モードのインピーダンス値は、偶数モードと奇数モードのインピーダンス値と関連しています。差動インピーダンス値は通常、奇数モードインピーダンスではなく、差動ペアのインピーダンスマッチングのために指定されます。差動ペアのインピーダンスは、特性インピーダンスと差動ペアの各端間の間隔に依存します。共通モードインピーダンスにも同じことが当てはまりますが、共通モードインピーダンスは共通モード駆動下で生じます。

物理的には、差動インピーダンスはペアが差動モードで駆動されたときに二つの結合された伝送線間で測定されるインピーダンスです。同様に、共通モードインピーダンスはペアが共通モードで駆動されたときに二つの結合された伝送線間で測定されるインピーダンスです。

入力インピーダンス

この伝送線インピーダンス値はインピーダンスマッチングにおいて重要であり、伝送線が臨界長を超えた場合に量定するために使用できます。その記事の全てを繰り返すことなく、入力インピーダンスは特性インピーダンス、伝搬定数、負荷インピーダンス、および伝送線の長さに依存します：

統合された伝送線インピーダンス計算機

ここに提示されているいくつかの方程式は、実際のPCBの複雑な形状を考慮していない理想的な状況を記述しています。しかし、これらは伝送線を設計する際の良い出発点となります。回路モデルは、相互容量とインダクタンスの観点から線間の結合を近似するために使用でき、これを使用して偶数/奇数および共通/差動インピーダンス値を決定することができます。

非常に正確な伝送線のインピーダンス計算が必要な場合、統合された電磁場ソルバーを備えたルートを使用する必要があります。これにより、実際のPCBで非常に正確なインピーダンス結果が得られるだけでなく、立ち上がりエッジと立ち下がりエッジでの信号動作もよく説明されます。これは、回路モデルに取り入れることができない複雑な寄生要素をうまく考慮し、設計者が結合された伝送線の長さに沿った長さ調整のジオメトリを考慮することを可能にします。

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