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【実験Before After】プリント基板の見方・描き方・作り方


全経路のインピーダンスをもれなくコントロール

第2回　マイクロストリップ線路で反射をなくす

図1　立ち上がり時間や立ち下がり時間が短く，周期の短いディジタル信号は，伝送線路の途中のわずかな特性の変化点で波形が乱れる．その対策法を解説する．画像クリックで動画を見る．または記事を読む．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

マイクロストリップ線路における反射抑制技術

ディジタル信号の高速化と高周波化に伴い，プリント基板やケーブルを介して伝送されるデータ量が増大しています．

立ち上がり時間や立ち下がり時間が短く，周期が短いディジタル信号が増えることで，信号の反射が問題となり，波形が乱れる原因になります．このため，信号が正しく次の段階に伝わらなくなります．従来の対策として始端抵抗や終端抵抗を追加することが一般的でしたが，反射を十分に抑え込むためには，これらの対処療法だけでは不十分です．

インピーダンス制御の重要性

マイクロストリップ線路は，基板の裏面にグラウンドのベタ面を敷くことで，伝送路全体のインピーダンスを管理する方法の1つです．

設計時には，銅箔の幅や厚み，基材の誘電率を調整し，線路の特性（特性インピーダンス）が適切な値になるように計算することが求められます．特性インピーダンスを適切に管理することで，伝送信号の反射を抑え，データの整合性を維持できます．

TDR測定の利点

伝送路内の信号の反射を観察するための測定技術として，TDR（Time Domain Reflectometry）があります．これは，パルス発生器とオシロスコープを利用して，信号の反射波形を観測する方法です．

信号が進む速度と伝送路の誘電率がわかっていれば，反射波形からケーブルの長さを算出し，インピーダンスの不連続点や故障点を推定することも可能です．TDR測定は，高速立ち上がりのパルス信号源と汎用オシロスコープを組み合わせることで，正確な観測が可能になります．

USB2.0とマイクロストリップ線路

USBインターフェースは，差動信号を利用しており，特性インピーダンスが90$\Omega$のマイクロストリップ線路で構成されています．USB2.0のプリントパターンは，特性インピーダンスを維持するための設計が重要です．

特性インピーダンスを計算するためのツールは，インターネット上で入手可能ですが，多くの計算ツールは近似式を用いているため，結果に微妙な差異が生じることがあります．例えば，基板の比誘電率 $\varepsilon_r=4.3$，基板厚さ1mm，銅箔厚さ16μm（1/2oz），差動配線間の間隔が0.25mmの場合，特性インピーダンスを90$\Omega$にするためには，配線幅を約1mmに設定する必要があります．

インピーダンス制御によるシステムの信頼性向上

マイクロストリップ線路の設計とインピーダンス管理は，特に高周波信号の伝送において，非常に重要です．信号の反射を防ぐことで，データの整合性が向上し，システム全体の信頼性が増します．このため，設計段階での適切な対策と測定技術の活用が不可欠です．

マイクロストリップ線路

マイクロストリップ線路とは，プリント基板上に形成された特性インピーダンスをもつ伝送路です．これにより，高周波信号を効率的に伝送し，信号の反射を最小限に抑えることができます．

特性インピーダンス

特性インピーダンスは，伝送線路の特性を表す重要なパラメータで，通常は$\Omega$（オーム）で表されます．特性インピーダンスが信号源や負荷と一致している場合，信号の反射が最小化され，データ伝送がスムーズに行われます．

TDR（Time Domain Reflectometry）

TDRは，伝送路のインピーダンス変化を測定するための技術で，反射波形を解析することで，ケーブルや伝送路の長さ，故障点を特定できます．これにより，信号の品質を維持するための重要な情報を得ることが可能です．〈著：ZEPマガジン〉

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著者紹介

  • 2010年　沼津工業高等専門学校　専攻科　卒業
  • 2010年　FA機器/ハード・ディスク製造装置設計業務に従事．その後ベンチャーにて半導体検査/医科学用電子顕微鏡，半導体製造装置，理化学機器の研究開発設計に従事
  • 2020年　静岡県創業者育成施設審査通過し，個人事業として独立
  • 2022年　株式会社ディスクリテック設立，現在に至る

著書

  1. ［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．
  2. ［VOD］動画で一緒にプリント基板開発 KiCad超入門【KiCad 6対応 完全マニュアル】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  3. ［VOD］動画で一緒にプリント基板開発 KiCad超入門【KiCad 6対応 プロの仕上げ技101】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  4. ［VOD/KIT］すぐ動く！BM83 Bluetoothスタータキット，ZEPエンジニアリング株式会社．
  5. ［VOD/Pi KIT］MATLAB/Simulink×ラズパイで学ぶロボット制御入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
  6. ［VOD/KIT］MATLAB/Simulink×ラズパイで学ぶロボット制御入門
  7. 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
  8. 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．
  9. 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．
  10. 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．
  11. 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．
  12. はじめてみませんか？プリント基板ネット通販生活，トランジスタ技術2018年2月号，CQ出版社．
  13. 工作実験室で活躍中！高コスパ電子工作ツール一覧，トランジスタ技術2018年12月号，CQ出版社．
  14. 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．

参考文献

  1. ［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．
  2. ［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．
  3. ［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．
  4. ［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．
  5. ［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．