高速＆低エラー！差動線路によるGbps伝送プリント基板設計
反射特性$S_{21}$と特性インピーダンス$Z_0$で波形品質とEMCをコントロール
- 著者・講師：池田 浩昭
- 主催：株式会社ピーバンドットコム
- 企画・編集：ZEPエンジニアリング株式会社
10Gbp時代は差動線路で乗り切る
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| 図1 差動線路は$S$パラメータの測定が課題の1つ．詳細はエレクトロニクスの確かな情報便（ピーバンドットコム）を参照 |
USB4 ver2やPCI-E×press Gen6などの高速インターフェースが普及し，データ通信速度は40Gbpsや64Gbpsと飛躍的に向上しています．
このような超高速通信を実現するためには，ディジタル回路の設計において，従来とは異なる新たな課題に直面します．その1つが，信号伝送におけるノイズの問題です．特にプリント基板設計においては，ノイズの影響を最小限に抑えながら，高速で安定した通信を確保するための工夫が求められます．
またデータ通信速度が高速になるほど，信号のHレベルとLレベルの時間が短縮されます．
例えば，USB4 ver2では約39ps，PCI-E×press Gen6では約31psという非常に短い時間で信号の切り替えが行われます．これは，光が真空中でわずか10mm進む間に相当する時間であり，この短時間で正確な信号の伝送を行うことは非常に困難です．このため，信号の振幅電圧を低く抑える必要があり，結果として外来ノイズの影響を受けやすくなります．
差動線路によるノイズ対策
この問題を解決するために，差動線路が広く採用されています．
差動線路は，1つの信号を正相と逆相の2つの信号に分け，それぞれを異なる伝送路で伝送する方法です．これにより，ノイズの影響を受けにくくし，信号の品質を保ちながら高速伝送を実現できます．
具体的には，2本の通信線を撚り合わせることで，外来ノイズが2本の通信線に同じ位相で重畳し，受信端でキャンセルされるしくみです．これにより，ノイズの影響を最小限に抑え，信号の安定性を確保します．
特性インピーダンスと$S$パラメータの理解が不可欠
差動線路の設計において，特性インピーダンスと$S$パラメータの理解が欠かせません．
特性インピーダンスは，信号の伝送路におけるインピーダンスを意味し，これが適切に設計されていないと，反射が発生し，信号の伝送効率が低下します．一方，$S$パラメータは，回路や伝送路の反射や透過特性を示すものであり，設計の際に重要な指標になります．
これらを正確に計測し，適切な値に調整することで，安定したGbps級の高速通信を実現するプリント基板設計が可能になります．
$S$パラメータによる差動線路の評価
高速通信において，差動線路の設計は極めて重要な要素です．しかし，差動線路の性能を正確に評価するためには，$S$パラメータの理解が不可欠です．ここでは，$S$パラメータとは何か，その基本概念と計測方法について詳しく解説します．
$S$パラメータの基本概念
$S$パラメータ（Scattering Parameters）は，回路網に交流電力を入力したときの，反射電力や透過電力の比率を周波数軸に沿って表したものです．
$S_{11}$，$S_{21}$，$S_{12}$，$S_{22}$という4つのパラメータで表され，それぞれの値が回路の反射特性と透過特性を示します．例えば，$S_{11}$は入力ポートに戻る反射電力と入力電力の比を示し，$S_{21}$は入力ポートから出力ポートに伝わる透過電力の比を示します．
$S$パラメータの測定
差動線路の$S$パラメータを測定するためには，ベクトル・ネットワーク・アナライザ（VNA）やタイムドメイン・リフレクトメトリ（TDR）といった高精度な測定機器が必要です．これらの測定機器を使用することで，差動線路の反射特性や透過特性を正確に測定し，信号伝送の安定性を確認できます．〈ZEPマガジン〉
著者紹介
- 1994年 東京農工大電気電子工学科卒
- 1994年 日本航空電子工業株式会社入社．プリント基板設計，シグナル・インティグリティのシミュレーション業務に従事後，USB-IF，PCI-SIG，VESAなどでコネクタの高速伝送規格化活動に携わりながら，ノイズ対策業務を行っている．iNARTE認定EMCエンジニア，EMCマスタ・デザイン・エンジニア
著書
- ［Book/pdf］デシベルから始めるプリント基板EMC 即答200，ZEPエンジニアリング株式会社．
- ［pdf］デシベルから始めるプリント基板EMC 即答200，ZEPエンジニアリング株式会社．
- USB3.2のすべて，CQ出版社．
参考文献
- ［VOD/KIT］ ポケット・スペアナで手軽に！基板と回路のEMCノイズ対策 10の定石，ZEPエンジニアリング株式会社．
- ［VOD/KIT］ 3GHzネットアナ付き！RF回路シミュレーション＆設計・測定入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
- ［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．
- ［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】，ZEPエンジニアリング株式会社．
- ［VOD］Pythonで学ぶ マクスウェル方程式 【電場編】＋【磁場編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
- ［YouTube］高校数学からはじめる「ベクトル解析」，ZEPエンジニアリング株式会社．