【実験Before After】プリント基板の見方・描き方・作り方
［第1回］インピーダンス整合で反射をなくす
～HDMIやUSBの高速信号をスムーズに伝えるために～
- 著者・講師：善養寺 薫/Kaoru Zenyouji 株式会社ディスクリテック
- 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
プリント・パターンを移動する電気信号を観る
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| 図1 動画で学ぶ！【実験Before After】プリント基板の見方・描き方・作り方［第1回］インピーダンス整合で反射をなくす．ピーバンドットコム社ウェブサイトにて会員登録後，視聴可能 |
映像や通信のデータ量が爆発的に増大しています．これにともなって，HDMIやUSB，イーサネットなど，パソコン周辺のインターフェースが数年前の何倍も高速化していることにお気づきでしょうか？
これらのインターフェースは，パソコン内部のCPUなどのディジタル・デバイスとケーブルやプリント・パターンでつながっていて，その中を高周波数，かつ高速に電圧が変化するディジタル信号が往来しています．
留意しなければならないのは，高速化しているのは0Vから3.3Vなどへの電圧の変化速度とその時間当たりの頻度であり，伝わるスピードは光の速度であり今も昔も変わらない点です．
壁に取り付けた紐の一方の端を鞭を打つように速く上下動させて波を起こすと，その波は壁に当たって戻ってきます，ディジタル信号が移動するプリント・パターンにもこれと同じ現象が起こります．波が手元に戻ってくる前に上下動を加えると，縄はより複雑に波打ちます，縄跳びをケーブルやプリント・パターンが長いと，この現象はさらに発生しやすくなります．
長い配線のなかを高速かつ高周波数で電位が変化する信号が確実に伝わるプリント基板を設計する1つの重要な解決策は，終端抵抗や始端抵抗の追加です．
実験では，適切な値の終端抵抗や始端抵抗のある配線とない配線を伝わる電気信号の波形を確認します．
プリント・パターンを電気が進む速度を計算してみよう
動画では，50cm（0.5m）のケーブル端で反射が発生し，パルス信号を入力してから5.3ns後に反射信号が観測されました．この現象から，電気信号が50$\Omega$の同軸ケーブルを伝わる速度を計算することができます．
信号は0.5mのケーブルを往復するので，1mを伝わるのに5.3ns要しました．したがって，電気信号が進む速度は「距離÷時間」から 1m÷5.3×10$^{-9}$s≒189×10$^6$m/sです．
7.5mのケーブルを使った実験では，77.4ns遅れて反射信号が観測されました．往復距離は15mなので，15m÷77.4×10$^{-9}$s≒194×10$^6$m/sと求まります．これは50cm（0.5m）のケーブルの場合とほぼ一致しています．
電気信号が伝わる速さは，基板の材料（誘電体）の誘電率で決まります．今回使用した同軸ケーブルの材料「ポリエチレン」の比誘電率（$\varepsilon$）は約2.3です．だいたい光速（300×10$^{6}$m/s）の60%程度の速度です．
チャプタ・リスト
- 00:00 第1回オープニング
- 00:11 講師紹介
- 00:17 今回学ぶこと1～5
- 00:41 インピーダンス整合で反射をなくす実験の構成
- 01:00 実験1 高速パルス信号をオシロスコープで見る
- 02:02 高速パルス信号に50cmの同軸ケーブルを追加する実験
- 02:34 信号がケーブルを伝わるようすと反射のメカニズム
- 03:53 入射信号と反射信号の間隔
- 04:35 高速パルス信号に7.5mの同軸ケーブルを追加する実験
- 05:26 実験1のまとめ
- 05:58 実験2 反射が消えるディジタル信号伝送の基本「インピーダンス・マッチング」
- 06:27 終端抵抗（ターミネータ）の役割
- 06:47 反射を消すメカニズム
- 07:40 実験2のまとめ
- 07:46 身の回りの高速パルス信号（HDMI/USB3.0/そのほか）
- 08:35 高速パルス信号を扱うプリント基板を作る際に注意すること
- 09:55 今回のまとめ1～4
- 10:18 次回予告
善養寺 薫（Kaoru Zenyouji）
FA機器/ハード・ディスク製造装置設計業務に従事後，ベンチャー企業にて半導体検査/医科学用電子顕微鏡，半導体製造装置，理化学機器を開発．2020年 静岡県創業者育成施設審査を通過し，個人事業として独立．ZEPエンジニアリングのキット付きセミナや月刊 トランジスタ技術などで活躍中
著書
- ［VOD/KIT/data］実験キットで学ぶ 電源・アナログ回路入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
- 逆引き101！KiCad＆プリント基板設計テクニック集，ZEPエンジニアリング株式会社．
- 最新KiCad 6で一緒に始めよう！プリント基板開発 超入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
- 「MATLAB/Simulink×ラズパイで学ぶロボット制御入門」講義ビデオ付きパーツセット，ZEPエンジニアリング株式会社．
- 一人で始めるプリント基板作り，トランジスタ技術Special No.127，CQ出版社．
- 商用利用OK！噂の完全フリー基板作成ツール KiCad，トランジスタ技術2015年3月号，CQ出版社．
- 1枚100円も！世界のプリント基板ネット通販メーカ，トランジスタ技術2016年7月号，CQ出版社．
- 部品の足にジャストフィット!フットプリント作成，トランジスタ技術2017年5月号，CQ出版社．
- コネクタなどの特殊部品のフットプリントを高速自作!CQ FootprintTracer，トランジスタ技術2017年10月号，CQ出版社．
- 成功間違いなし！BGA配線 10の基本ルール，トランジスタ技術2020年5月号，CQ出版社．