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基板と特性インピーダンス [その他]

扱う信号の速度が速くなるにつれ、基板上のパターン配線でも特性インピーダンスを合わせる必要が出てきます。

特性インピーダンス自体はいろんなサイトで紹介されていますが、自分の経験からちょっとだけ。

 

特性インピーダンスの紹介で一番目につくのは同軸ケーブルの計算方法です。同軸ケーブルは50Ω、75Ωの2種類が販売されていますが、計算方法としては、芯線の太さ、周囲の網線までの半径、途中に挟まれる絶縁体の誘電率でしょうか。

パターン配線の場合も似た形で計算を行いますが、信号線の周囲全てをGNDで囲んでいるわけではありませんので、その点で別の計算式が必要です。パターン配線での特性インピーダンスは一般的に別の層のGNDベタとの距離、信号線の幅により決定します。これを「マイクロストリップライン」と呼びます。

信号線とGNDの距離が特性インピーダンスにおいては重要ですので、信号線と同じ層のGNDでも可能ではありますが、あまり利用されていないようです。

こちらのサイトで特性インピーダンスの計算が出来ます。

 

I-Laboratory

http://www1.sphere.ne.jp/i-lab/ilab/tool/tool.htm

 

マイクロストリップラインの計算には絶縁体の誘電率も必要となりますが、これは使用する基材(ガラスエポキシ、紙エポキシ等)によって異なります。また他層との距離についても同様です。基板の製造工場によって、同じFR-4であっても層構成(絶縁体が何μm挟まるか)が違いますので、特性インピーダンスの設計は製造工場に確認を取りながら進める必要があります。試作と量産で製造工場が変わる場合には、特に注意が必要です。

次にあまり利用されていない信号線と同じ層のGND間で特性インピーダンスを取る方法についても、注意が必要という意味で意識したほうがいいでしょう。

同じ層のGND間での特性インピーダンスは「コプレーナ線路」で見てください。信号線左右のGNDラインを配置して、その距離と導電体の厚さで特性インピーダンスを設定します。導電体の厚さは層構成と同じく製造工場に確認することになりますが、気にして欲しいのは、GNDとの距離がどのくらい近いと影響を与えるのか、です。

マイクロストリップラインで設計した場合でも、同じ層のGNDに対してコプレーナとしての働きがあるため、信号線の周囲にGNDがある場合には、特性インピーダンスが低くなるということです。特に早い信号線だと周りにGNDガードを付けたくなりますからね。コプレーナにするつもりがなくても、どのくらいの距離まで近づけると影響があるのかは把握しておいたほうがいいかと思います。

 


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