基板配線幅変更による反射

PCB をルーティングする場合、ある領域を介してルーティングする場合、その領域の配線スペースが限られているため、より細い線を使用しなければならないことがよくあります。 領域を通過すると、線は元の幅に戻ります。 配線幅が変わるとインピーダンスが変化するため、反射が発生して信号に影響を与えます。 どのような状況でこの影響を無視することができ、どのような状況でその影響を考慮しなければならないのでしょうか? この影響に関連する要因は 3 つあります。インピーダンス変化の大きさ、信号の立ち上がり時間、および狭いラインでの信号の時間遅延です。

最初に、インピーダンス変化の大きさについて説明します。 多くの PCB 回路の設計では、反射ノイズが電圧スイングの 5% 未満である必要があります (これは、信号のノイズ バジェットに関連しています)。 反射係数の公式によると：

ρ= （Z2-Z1）/（Z2+Z1） =△Z /（△Z+2Z1）≤5%

インピーダンスのおおよその変化率は次のように計算できます。 △ Z/Z1 ≤ 10%

ご存知かもしれませんが、PCB のインピーダンスの一般的な指標は +/- 10% であり、これが根本原因です。

ライン幅が 8mil から 6mil に変化し、ライン幅が 6mil のままである場合など、インピーダンスが 1 回だけ変化する場合、信号が急激な変化でノイズを反射するというノイズ バジェット要件を満たすために、インピーダンス変化は 10% 未満でなければなりません。 電圧スイングの 5% を超えない これを行うのが難しい場合があります。 FR4基板のマイクロストリップラインを例に計算してみましょう。 ライン幅が 8mil の場合、ラインと基準面の間の厚さは 4mil で、特性インピーダンスは 46.5 オームです。 線幅が 6 mil に変化すると、特性インピーダンスは 54.2 オームになり、インピーダンス変化率は 20% に達します。反射信号の振幅は基準を超えている必要があります。 信号への影響に関しては、信号の立ち上がり時間と、駆動端から反射点までの信号遅延にも関連しています。 しかし、少なくともこれは潜在的な問題です。 幸いなことに、この問題はインピーダンス整合終端によって解決できます。

インピーダンスが 2 回変化する場合、たとえば、線幅が 8mil から 6mil に変化し、2cm 引き出した後に 8mil に戻る場合、長さ 2cm の 6mil 幅の線の両端で反射が発生します。 まず、インピーダンスが大きくなり、正反射が発生します。 すると、インピーダンスが小さくなり、負反射が発生します。 2 回の反射の間隔が十分に短い場合、2 回の反射は互いに打ち消し合い、影響が軽減されます。 送信信号が 1V であると仮定すると、0.2V は最初の正の反射で反射され、1.2V は引き続き前方に送信され、-0.2 * 1.2=0.24V が 2 回目の反射で反射されます。 6mil ラインが非常に短く、2 つの反射がほぼ同時に発生すると仮定すると、総反射電圧はわずか 0.04V であり、ノイズ バジェット要件の 5% よりも小さくなります。 したがって、この反射が信号に影響を与えるかどうか、および影響の程度は、インピーダンス変化の時間遅延と信号の立ち上がり時間に依存します。 研究と実験によると、インピーダンス変化の時間遅延が信号の立ち上がり時間の 20% 未満である限り、反射信号は問題を引き起こさないことが示されています。 信号の立ち上がり時間が 1ns の場合、インピーダンス変化時の時間遅延は 1.2in に相当する 0.2ns 未満であり、反射は問題になりません。 つまり、この場合、6mil 幅のケーブルの長さが 3cm 以内であれば問題ありません。

PCB 配線幅が変更された場合、実際の状況に応じて慎重な分析を行い、影響があるかどうかを確認する必要があります。 考慮すべきパラメータは、インピーダンスの変化の大きさ、信号の立ち上がり時間の長さ、および線幅変化のネック部分の長さの 3 つです。 上記の方法で概算し、ある程度のマージンを適切に残してください。 可能であれば、首の長さを短くしてみてください。

実際の PCB 処理では、パラメータは理論ほど正確ではないことに注意してください。 この理論は PCB 設計の指針となりますが、コピーしたり独断的になったりすることはできません。 結局のところ、これは実践的な科学です。 見積値は実情に応じて適宜修正し、設計に反映する。