Gbps伝送には低tanδ材

計測のためのA-Dコンバータ実装術

高速信号伝送に求められる基板特性

Gbpsクラスの高速信号を安定して伝送するには，通過する信号の速度を高く保つ必要があります．信号の伝搬速度が遅くなるとスキューが増加し，タイミング合わせに苦労する場面が増えます．こうした問題の回避には，基板の比誘電率$\varepsilon_r$と誘電正接tanδの特性が深く関係します．

比誘電率$\varepsilon_r$が低いほど信号の伝搬速度は速くなり，伝送遅延を抑えることができます．誘電正接tanδが小さいほど高周波信号の減衰が少なくなり，信号波形の維持にも有利です．高速伝送ではこの2つの要素を両立させた基板材が求められます．

使用される基板材と特性の整理

以下に，一般的に使用される基板材とその特性を整理します．

1. FR4：安価で加工性がよい，GHz帯域での使用も可能
2. PPE（ポリフェニレン・エーテル）：低$\varepsilon_r$，低tanδ，耐熱性が高く加工性も良好
3. セラミック：低$\varepsilon_r$，低tanδ，高絶縁，加工は難しい
4. セラミック・フィラー樹脂（ロジャース基板）：高周波特性が良く，絶縁性に優れる
5. PTFE（テフロン）：高周波特性が非常に良く，高絶縁性と耐熱性をもつが高価

FR4の$\varepsilon_r$は4以上であり，PTFE系は2?4未満です．信号の速度を上げるには，$\varepsilon_r$の小さい材質が有利です．

A-Dコンバータ実装時の基板設計

14bit 1GSPSのAD9680のような高速A-Dコンバータを使う場合，基板の配線設計が重要です．等長配線，クロック変換トランス，ローカル電源配置といった要素は信号整合の精度を大きく左右します．JESD204Bのような高速シリアル規格では，伝送路の物理特性がそのまま性能に反映されるため，材料選定と配線設計の精密さが要求されます．

誘電正接tanδの意味と設計への影響

誘電正接tanδは，高周波信号が誘電体内を伝わる際にどれだけエネルギを損失するかを表す指標です．tanδが小さいほど，信号の減衰は少なくなり，長距離伝送や高速動作において有利です．Gbps級の信号ではこの損失が無視できないため，設計者はtanδの小さい基板材を選ぶことが重要です．

高tanδ材では，信号の振幅が徐々に低下し，波形の劣化が進行します．これによりアイパターンの開口が狭くなり，ビット誤り率が上昇するおそれがあります．伝送信号の立ち上がりも鈍化し，システム全体の性能が制限されます．

低tanδ材に求められる特性

1. 高周波信号に対する損失が少ない
2. 波形の変形が抑えられ，正確なタイミング制御が可能
3. 高速ADCやシリアル・インターフェースの性能を引き出せる

tanδの代表値を見ると，FR4はおよそ0.02程度であり，ロジャースなどの高周波向け基板では0.003以下のものが存在します．この差が高速伝送の安定性に大きく影響します．

設計における注意点

低tanδ材を使えばすべて解決するというわけではありません．材質ごとに加工の難易度や温度特性が異なり，製造ばらつきにも配慮が必要です．また，目標周波数帯によっては最適な材質も変わるため，評価ボードなどによる事前検証が重要です．

〈著：ZEPマガジン〉

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著者紹介

• 1979年　芝浦工業大学　通信工学科卒業
• 同年　Analog Devices of Japan Inc に入社（後にアナログ・デバイセズ株式会社）同社にてアナログ・モジュール開発，Mixedシグナル・テスタのテスト・モジュール開発、高速リニア・カスタム集積回路の開発サポート，汎用リニア製品マーケティング等を担当．

著書

1. OPアンプ増幅回路の2つのゲイン，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD］高速＆エラーレス！5G×EV時代のプリント基板＆回路設計 100の要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD］アナログ・デバイセズの電子回路教室【差動信号とその周辺回路設計技術】，ZEPエンジニアリング株式会社．
4. ［VOD］アナログ・デバイセズの電子回路教室【A-D/D-Aコンバータの使い方】，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．

参考文献

1. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD］高精度アナログ計測回路＆基板設計ノウハウ，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD］Gbps超 高速伝送基板の設計ノウハウ＆評価技術，ZEPエンジニアリング株式会社．
4. ［VOD］事例に学ぶ放熱基板パターン設計 成功への要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. ［VOD/KIT］GPSクロック・ジッタ・クリーナ，ZEPエンジニアリング株式会社．
6. ［Book］電子回路とプリント基板のノイズ解決 即答200，ZEPエンジニアリング株式会社．