10Gbps時代の基板設計 7つの伝送エラー要因

損失，共振，反射，skew，ノイズ…

1Gbpsのデータ伝送に必要な帯域は1GHzじゃない

高速信号伝送における課題

10Gbpsの高速ディジタル信号が普及する中，基板設計では複数の伝送エラー要因に対処することが不可欠です．この速度域では，信号の波長が短縮されるため，従来の設計方法では対応しきれない新たな課題が発生します．主なエラー要因として，信号線路の損失，反射，共振，skew（信号のタイミングずれ），およびノイズの影響が挙げられます．

1Gbpsのデータ伝送に必要な帯域は10GHz以上にも達します．この帯域を確保し，正確な信号伝送を実現するには，基板設計において伝送路の特性インピーダンス制御や反射防止対策が必要です．

エラー要因と対策

1. 信号線路の損失
   高速信号は伝送路の材質や形状によって損失が生じます．特に，基板パターンやケーブルの抵抗成分と誘電損失が影響を与えます．この問題を軽減するために，低損失基板材（例：Rogers系材料）や適切な信号幅・間隔を設計に組み込むことが求められます
2. 信号反射
   インピーダンスの不連続が生じると信号反射が発生し，波形がひずむ原因になります．これを防ぐため，基板設計では特性インピーダンスの整合性を維持し，スルーホールやコネクタ部分での不連続性を最小限に抑える必要があります
3. 共振
   基板上のベタ層や配線が共振すると，意図しない高周波電流や電圧が発生します．これを防ぐには，レイヤ構成を見直し，適切なデカップリング・キャパシタ配置やエッジ・カット構造を採用することが重要です
4. タイミングずれ（skew）
   信号の到達時間が異なることで生じるタイミングずれは，高速信号伝送において特に深刻な問題です．これを防ぐには，信号長を等長にする工夫や，信号間のクロストークを低減する設計が必要です

設計で考慮すべきポイント

1. 立ち上がり時間
   ディジタル信号の立ち上がり時間が短いほど，基板パターンは伝送線路として扱う必要があります．基板設計ではこの点を考慮し，適切な波長分割比での設計が求められます
2. 外来ノイズ
   電磁的両立性（EMI）や外来ノイズの影響を受けやすいため，信号パターン間のシールドやフィルタ回路の導入が効果的です

特性インピーダンスの重要性と設計方法

特性インピーダンスとは

特性インピーダンス（$Z_0$）は，高速伝送線路において電圧と電流の比を決定する重要なパラメータです．この値が伝送路全体で一定でない場合，信号反射が生じ，データ伝送の品質が低下します．

設計要点

1. 材料の選択
   $Z_0$は伝送線路の物理的寸法や材料特性（誘電率$\varepsilon$_r$）に依存します．低誘電率の材料を選択することで，信号損失を低減できます
2. 線路幅と間隔
   マイクロストリップ線路やストリップ線路では，線路幅や隣接層との距離が$Z_0$に影響します．適切な計算ツールを使用して設計することが必要です
3. 整合性の維持
   コネクタやビアの配置によるインピーダンスの変化を最小化するため，ビアを貫通せず，できる限り短く設計することが推奨されます

高速伝送での応用

10Gbps信号を設計する際には，伝送線路の$Z_0$を約50$\Omega$に設定することが一般的です．この値を基準として設計を進めることで，反射を抑制し，信号品質を向上させることが可能です．〈著：ZEPマガジン〉

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著者紹介

• メーカで高速ディジタル回路と高周波回路の開発設計に30年以上従事．高速回路設計，EMC対策回路設計のコンサルタント

著書

1. ［VOD/KIT］Tinyスペアナ×Tinyネットアナで作る6GHz My実験ベンチ，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［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．
3. ［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．
4. ［VOD］小型＆高出力！高効率電源設計のためのSiC/GaNトランジスタ活用 100の要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. ［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．

参考文献

1. ［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．
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. ［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．
4. ［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．
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．
6. ［KIT］ミリ波5G対応アップ・ダウン・コンバータ，ZEPエンジニアリング株式会社．
7. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室 [Vol.8 初めての28GHzミリ波伝搬実験]，ZEPエンジニアリング株式会社．