伝送線路におけるインピーダンス整合の重要性

これらのトレースにおける伝送線の臨界長をご存知ですか？

デジタル信号であれアナログ信号であれ、ソース、伝送線、負荷間でインピーダンスを一致させる必要があるでしょう。伝送線においてインピーダンスマッチングが重要な理由は、線を下って送られる5Vの信号が受信側で5Vの信号として認識されるようにするためです。伝送線のマッチングが重要な理由を理解すれば、これをいつ、ドライバー側または受信側のどちらで行う必要があるかを理解し始めることができます。

インピーダンスマッチングについて話すとき、ドライバー、伝送線、受信機のインピーダンスを同じ値に設定することを指します。これは通常、単終端伝送線の場合は50オームですが、差動信号規格ではインピーダンスマッチングのために異なる値を指定する場合があります。ここでは、伝送線におけるインピーダンスマッチングがなぜ重要なのか、そしてPCB内接続で一貫したインピーダンスを実装する方法について説明します。

インターコネクトがインピーダンスマッチされる3つのケース

伝送線におけるインピーダンスマッチングの目的は、インターコネクト全体にわたって一貫したインピーダンスを設定することです。ドライバー、受信機、および伝送線のインピーダンスが一致している場合、いくつかの重要なことが起こりますが、これについては以下で説明します。伝送線においてインピーダンスマッチングが重要である理由を議論する際には、以下のケースを取り上げるべきです：

• ドライバー、線、および受信機が同じインピーダンスにマッチしている。これは完全なマッチングのケースと考えることができます。この場合、線の入力または出力で反射がなく、最大の電力が受信機に下流へと伝達されます。信号の電圧は、散乱損失、吸収、およびDCおよびスキン効果の損失のためにのみ減少します。

• ドライバーと受信機がマッチしているが、線がマッチしていない。この場合、信号が伝送線に導入されるとすぐにいくらかの反射が発生します。言い換えると、線がドライバーにマッチしていない場合、供給された信号の一部がドライバーに反射されます。これは、一部の電力が伝送線に伝達されるのを効果的に防ぎます。同様に、受信機の端で反射が発生し、信号がドライバーに戻ります。

入力インピーダンスは、ドライバーから受信機へ最大電力が伝達されるかどうかを決定します。短い伝送路の場合、伝送路のインピーダンスは、伝送路が非常に短いときに負荷のインピーダンスのように見えます。この重要な長さについては別の記事で取り上げられています。次の方程式を使用して、正確な入力インピーダンス（最初の信号反射後の伝送路のインピーダンスとして定義）を決定できます：

損失のあるおよびない伝送路の入力インピーダンス

• ドライバー、受信機、および線はすべて不一致です。この場合、伝送路の長さは関係ありません。信号が線を伝わるにつれて連続的な反射が発生し、受信機によって見られる電圧の望ましくない階段状の増加が生じます。ドライバーと受信機が不一致であるため、たとえ線が非常に短くても、ドライバーから受信機へ最大電力を伝達することはできません。

伝送路におけるインピーダンスマッチングの重要性：反射

ドライバーと伝送路がマッチしている場合、伝送路の入力での反射を抑制できます。しかし、この場合、ラインが受信機にマッチしていないと、受信機で反射が発生します。同様に、ラインがドライバーと受信機のどちらともマッチしていない場合、反射により一部の信号が実質的に失われます。ライン、ドライバー、受信機のインピーダンスを同じ値に設定することで、信号が受信機に伝達されることを保証します。

インターコネクトの二つの部分の間のインターフェースでのインピーダンスマッチングは、そのインターフェースでの反射を防ぎます。インピーダンスの不連続性（つまり、ドライバー-ラインインターフェース、またはドライバー-ソースインターフェース）で反射が発生すると、信号レベルに急激な変化が生じ、過渡応答がインターコネクトで生じます。結果として生じる反射は、望ましい信号レベルの上に重ねられたリンギング（つまり、オーバーシュート/アンダーシュート）として現れるほか、デジタル信号では階段応答も可能性があります。反射は、デジタル信号かアナログ信号かによって、別の問題を引き起こします。

デジタル信号での反射

不整合伝送線路での繰り返し反射は、受信機と送信源で見られる電圧に階段状の応答を生じさせることがあります。この階段状の応答は、信号レベルの徐々な増加（下記の例を参照）や、上下に階段状の応答として現れることがあり、どちらも後続の入力信号に干渉します。その結果、受信機で見られる電圧は時間と共に変動することがあります。下記の例で示されているように、各反射で生じる電圧変化の上に典型的な過渡応答は明確さのため省略されています。

不整合伝送線路上の高速デジタル信号における例示的な階段状応答

アナログ信号での反射

デジタル信号が受信機と線路が不一致の場合に伝送線上で繰り返し反射するように、アナログ信号にも同じことが当てはまります。特定の周波数では、アナログ信号で駆動されたときに線路上で定在波共振を形成します。これらの周波数は、最も低い基本周波数の何倍かになります。これにより、特定の周波数で伝送線から強い放射が発生します。非常に短い伝送線の場合でも、ドライバーと受信機が不一致の場合にはこの現象が発生しますが、伝送線上の短い波長に対応するために関連する周波数ははるかに大きくなります。

伝送線上の定在波は、トレースがこのようなアンテナのように振る舞うように見えることを意味します

要点

線が短くても、伝送線上での繰り返し反射とリンギングを防ぐためには、ドライバーと受信機のインピーダンスを一致させる必要があります。また、線が短いと定義される正確な長さは固定されていません。これは、相互接続に沿った許容されるインピーダンスの不一致に依存します。より多くのデバイスがより低いレベルとより速いエッジレートで動作するにつれて、許容される不一致はますます微細になっています。これは、設計段階でより正確なインピーダンス制御ルーティングを必要とします。

ここでは単端信号について暗黙的に説明しましたが、全く同じ議論が差動信号にも適用されます。用語「特性インピーダンス」を「差動インピーダンス」に置き換えるだけで、同じ概念が適用されます。これらの問題については、設計者がより高度な相互接続アーキテクチャ、信号規格、および変調方式を素早く正しく決定できるように、今後の記事で引き続き見ていきます。

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