高速信号関係

インピーダンスマッチング | ノイズ対策.com

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インピーダンスマッチング


電気回路の配線線材やプリント基板パターンなどの信号伝送線路は
特性インピーダンスと言う特性数値を持ちます。

半導体デバイスの入力や出力にもインピーダンスの数値があり、
伝送経路や電気回路ブロック内で特性インピーダンスを
全て同じ値に合わせる事をインピーダンスマッチングすると言います。

インピーダンスマッチングのメリットは何かと言うと、
出力−伝送路−入力 と言う信号の伝達経路において
全てのエネルギーが無駄なく伝達するためにロスの無い信号伝送状態が
できあがります。

インピーダンスマッチングしていない場合は、
マッチングしていない端点でエネルギーの反射が起こるために
一部の信号が出口方向に戻り、伝送路で遅延したその信号が
伝送信号の元波形に混ざる事によって起こる信号波形の乱れや
信号伝達ロスの波形劣化が起きてしまいます。

高周波信号回路になればなるほど信号波形の乱れや
劣化の特性に対する影響が大きいために
インピーダンスマッチングする回路が増えてきます。

50Ωインピーダンスや 100Ω差動インピーダンスとかは、
インピーダンスマッチングする系の代表例です。


しかしながら、
100MHz以下のような通常のデジタル信号回路では
インピーダンスマッチングさせている回路はほとんどありません。

なぜかと言うと、
インピーダンスマッチングをするには
専用の特別なデバイスやプリント基板パターンの
インピーダンスコントロール指定などが必要になってくるからです。

通常のデジタルIC出力は 10〜数10Ω、
プリント基板パターンは 30〜80Ω程度、
デジタルIC入力は 数100k〜数MΩのインピーダンスになります。

低い周波数の信号では
インピーダンスマッチングしていなくても
動作に大きな影響が無い場合が多く問題が起きにくいのですが、
クロック信号や 100MHzに近い信号やそれ以上になってくると
誤動作を引き起こす問題が発生する場合が多くなります。

そういった状態を回避するために、
簡単に擬似的なインピーダンスマッチングをする事ができます。

その方法が、直列終端(ダンピング抵抗)や並列終端です。

直列終端はデバイス出力側に直列に抵抗を追加して
出力特性インピーダンスを大きく見せかける方法で、
並列終端はデバイス入力側の GND間に並列に抵抗を追加して
入力特性インピーダンスを並列抵抗で小さくするものです。


それぞれ、特徴やさまざまな方式があるため別コラムで解説します。



Sパラメータ | ノイズ対策.com

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Sパラメータ

高周波電子回路や部品の特性を表す回路網パラメータであり、
高精度の信号シミュレーション解析の回路特性モデルに用いられます。

散乱行列(S行列)とも呼ばれ、
マトリクス表現されていて回路網の通過・反射電力特性を表わしています。

2ポートネットワーク(入力2端子,出力2端子)のSパラメータ内には 
S11, S22, S21, S12 の4つの特性があり、S11は入力側の反射特性、
S22は出力側の反射特性、S21は入力側からの通過特性、S12は出力側からの
通過特性を表します。

低周波回路では集中定数の回路部品として、
抵抗=発熱、キャパシタンス=静電エネルギ、
インダクタンス=電磁エネルギ で表現できますが、 
高周波回路では電磁波の伝搬と反射を基本にした、反射係数、
透過係数・減衰定数、伝搬遅延時間 を持つ部品として考えるように
するためにSパラメータが使われています。


Sパラメータは Touchstone形式のテキストファイルで保存される事が多く、
メーカー品のコネクタなどの場合には、Sパラメータファイルをメーカーから
支給してもらって信号シミュレーション解析に使う事があります。

Sパラメータファイルが無い場合はネットワークアナライザを使って
部品を測定する事によってSパラメータを作り出す事ができます。

高精度の信号シミュレーションを行う時に、
コネクタや線材やプリント基板パターンなどを含む受動的な部品の特性を
表現する場合もSパラメータを用います。

幾つもの異なる特性が接続された経路をひとまとめにして特性表現する場合に
便利で、周波数特性グラフでゲインと位相を表示して回路網の特性評価を
する事もできます。


Sパラメータと同じように回路特性を表現するパラメータとしては、
Zパラメータ、Yパラメータ、 hパラメータなどがありますが、
高周波における回路特性のパラメータとしてはSパラメータを使うのが
普通です。




ビアスタブ | ノイズ対策.com

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ビアスタブ

プリント基板パターンが途中で途切れて開放端になっているものを
「スタブ」と呼びます。

開放端部分は長さが 1/4波長になる周波数で共振を起こして、
その周波数の信号レベルが 0 になるという周波数特性を持ちます。

特に高周波信号を扱うプリント基板では周波数特性を悪化させる事になるため、
安全のためにも小さなスタブさえ作らないようにする必要があります。

RF回路設計などでは、
プリント基板パターンの線路上にスタブパターンを作って
周波数フィルタ(BEF)を形成させて特定の周波数信号を
取り除いたりする事もあります。


プリント基板のビアによって出来るスタブをビアスタブと言います。

見落としがちですが、表層から内層パターンにつながる貫通ビアでは、
その内層から反対側の表層までの残りのビア部分が信号経路から
飛び出した形でスタブ形状になってしまいます。

貫通ビアで内層に配線をつなぐ場合は必ずビアスタブが出来ていますので、
数100MHzからGHzレベルの高速信号でビアを通らなければならない場合は
表層から表層への配線にするべきです。

可能であればビアを通らないようにした方が良いでしょう。


高速配線ばかりを扱う用途のバックプレーン基板などでは、
どうしてもビアスタブになる配線が多く出来てしまうために
バックドリル手法を使う場合があります。

バックドリルとは、
スタブ部分のビア内壁銅めっきをビア穴径よりも径の大きいドリルで
削り取る追加工をする事によってビアスタブが削れて特性改善する方法ですが、
かなり高い加工精度が必要なため簡単ではありません。

ビアごとに表層面から何umの深さまでドリルで削るかをグループ分けして
示した穴図を作って追加工してもらいます。

ドリルでミクロンレベル精度の寸止め加工をするわけです。


次回は、Sパラメータについて



表皮効果 | ノイズ対策.com

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表皮効果

プリント基板パターンが高周波信号波形をなまらせてしまう理由の
2つ目になる表皮効果について説明します。

高周波電流が導体を流れる際に、相互インダクタンスによる影響で
導体表面に近い所に多く流れて導体の中心付近にはあまり流れない現象を
表皮効果と言います。

導体の中心付近では相互インダクタンスによって発生する逆起電力により
電流が流れにくくなるわけです。


電流が流れる配線を細い配線の束だとイメージして下さい。

その中の1つの細い配線を見た場合に右ネジの法則で配線の周囲に
右回りの磁界が発生しますが、周囲の細い配線の同様の右回りの磁界が
反対方向に作用するため磁界を妨げる方向に働きます。

この磁界を妨げる作用が電流の流れを妨げる作用になってしまうため
電流を流れにくくしてしまうのです。

配線導体全体の外周近くは導体の外側が外気や絶縁体なので、
周囲の細い配線が少なくなって電流を妨げる量が減るために導体表面に
近い所に電流が流れやすくなるのです。

断面が四角の配線導体の場合は、四角のカドがいちばん影響を
受けにくいためにカドの付近に電流が集中します。


信号の高周波成分ほどこの表皮効果が顕著になるため、
高周波成分に対しては配線導体の断面積が小さいのと等しく、
高周波信号に対する導体抵抗値の大きい配線になるため信号波形を
なまらせてしまいます。

その抵抗値は周波数の 1/2乗に比例して増加します。


通常は周波数が高い信号で問題になる表皮効果ですが、
周波数が 50/60Hz と低い商用電源でも伝送距離が非常に長く
電流が大きいために大きな問題になるようです。

電源伝送ケーブルを被覆の付いた細いケーブルの束にする事によって
表皮効果の影響を減らしているそうです。


プリント基板パターンの誘電体との接合面は基板製造時に
誘電体であるプリプレグとの密着接合が良くなるように黒化処理を
施してザラザラにしてあります。

高周波電流が流れる時に表皮効果でザラザラな表面を流れるために
特性が悪化してしまいます。

このため、
黒化処理をしないなどの製造方法で高周波対応基板を
作ったりもするそうです。



次回は、ビアスタブについて



誘電損失 | ノイズ対策.com

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誘電損失

高周波信号をプリント基板パターンに通すと
多少なりとも波形がなまってしまいます。

その現象を起こす理由の主なものとして、
誘電損失と表皮効果があります。


今回は、
誘電損失について説明していきます。


プリント基板の絶縁体に使われるコア材やプリプレグ材は、
紙やガラスを原料としてエポキシなどで固めたもので、
構造や材質によって CEM-3, FR-1, FR-4 などと呼ばれます。

それら絶縁体の電気的特性には、
比誘電率と誘電正接というものがあります。

誘電率は分極の強弱を示す値で、
言い換えればコンデンサ成分になる特性の大きさを表しています。

比誘電率は、
真空の誘電率との比率を表し、
数値が大きい方がコンデンサ成分が大きくなります。

絶縁体を通して信号配線とGNDの間にこのコンデンサ成分が
入る関係になるので、比誘電率が大きいと配線に高周波信号が
通りにくくなって信号がなまってしまいます。

誘電正接とは、
誘電体に交流電場が加わった時に誘電体の中で電気エネルギーの
一部が熱になって損失する程度を表します。

交流電場の周波数が高いほど影響を大きく受けるので、
これも配線に高周波信号が通りにくくなって信号がなまってしまいます。

こちらの誘電正接による損失の方を一般的には誘電損失と言います。


比誘電率は通常基板で 4.3程度で、
小さいほど高周波特性が良い絶縁体です。

誘電正接は通常基板で 0.018程度で、
小さいほど高周波特性が良く
 tanδ(タンジェント・デルタ)と呼ぶ事があります。

GHzレベルの高周波信号をプリント基板パターンに通す場合は、
以前に説明したインピーダンスコントロールで
インピーダンスマッチングをして反射信号を抑制する事は
もちろんですが、基板の絶縁体材料による信号劣化を抑えるために
低誘電率で低誘電正接の基板材料を選択する場合もあります。


次回は、表皮効果について



等長配線 | ノイズ対策.com

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等長配線

クロック信号に対する信号タイミングのばらつきを防ぐために複数の
信号配線を等長配線する事があります。

等長配線は、
名前のとおりプリント基板内の複数パターンの長さを
等しくなるように配線する事で、プリント基板パターンで生じる遅延を
等しくしようと言う事です。

ただし、
遅延量を等しくするためには、同一の層か同等特性の層の配線でなくては
なりません。

違う層の配線だと長さあたりの遅延量が異なる事があるために意味が
薄れます。

違う層を通る場合で遅延量を合わせるには、
等長配線にするのではなく等遅延配線を実施する必要があります。


ところで、
どのような場合に等長配線処理が必要でしょうか。

高周波信号で必要なのでしょうか。

プリント基板パターンの遅延量は 1mmあたり約6〜7ps程度です。

1cm違っても100ps以下の違いでしかありません。

クロックに対するデータ信号のセットアップタイムやホールドタイムに
 100ps程度のばらつきが加わると問題になりそうであれば等長配線が
必要な回路かも知れません。

つまり、
周波数が低い信号線だとしても、クロックエッジとデータ信号の
切り替わりタイミングが近くなっている設計の場合は等長配線が
必要になって来る場合があります。

クロックと信号が90度位相のタイミングにしてあるDDRメモリーなどでは、
400MHz(800Mbps)程度より上のクロック周波数だと等長配線が
必須になって来るのだと思います。


等長配線はやらないで良いならば避けるべきです。

等長配線を行う場合は、
いちばん長くなってしまう配線に合わせるように他の配線の長さを
伸ばして行きます。

配線を長くする時にミアンダ配線にしますが、
広くスペースを使うためにいちばん長い配線がさらに長くなって
全体の配線長が長くなって行きます。

つまり、
等長配線を行う事はプリント基板での配線を長くしてしまい、
信号品質を劣化させる事につながります。

さらに、基板設計工数も増大します。

例えば、64bitの最短配線が5分で出来ても等長配線をするには
数時間かかる場合もあります。


信号品質を取るか、
信号タイミングを重視する必要があるか、
という事です。

等長配線が必要にならない配線に等長配線を行う事は、
基板設計工数を増大させた上に信号波形品質を悪くしているだけ
という事になります。



次回は、誘電損失について



終端抵抗 | ノイズ対策.com

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終端抵抗

終端は別名:ターミネーターとも言いますが、
ケーブルやプリント基板パターンの末端における信号の不要反射を
防ぐために抵抗器などによって高周波信号のエネルギーを
消費させるものです。

信号の反射とは、
ケーブルの接続点やプリント基板パターンの接合点などの何らかの
変化点において特性インピーダンスの不連続点が出来てしまうために、
エネルギーを100%伝送できずに何%かのエネルギーが信号源側に
戻って行く現象です。

戻るだけなら問題無いのですが、
戻りの信号が遅延した波形なのでそれが元の信号に加算されて
信号波形が崩れる現象が起こります。

インピーダンスマッチングの実施で信号反射を無くす事が
できますが、そうするためにはデバイスの入力と出力と
プリント基板パターンの特性インピーダンスを正しく合わせる必要が
あります。

通常の回路でインピーダンスマッチングを行う事は稀なので、
主に抵抗を使った終端を行う事により簡易的にインピーダンス整合に
近づけて対応します。


終端の方式には、並列終端と直列終端があります。

並列終端は、
負荷デバイスの高インピーダンス入力に並列に抵抗を入れて
インピーダンス整合に近づけるもので、受け側のデバイスの近くに
信号線と電源間および信号線とGND間に抵抗が入っているものです。

テブナン終端などが代表です。

ただし、並列終端は低い抵抗値で電源やGNDとつなぐために
電力消費が大きくなってしまいます。


直列終端は、
信号源デバイスの低インピーダンス出力に直列に抵抗を入れて
インピーダンス整合に近づけるもので、デバイス出力のすぐ後に
抵抗が直列に入ります。

ダンピング抵抗の事です。

最近は、直列終端が手軽なために多く使われるようになっています。

ただし、並列終端の方が比較的性能が良いため、
特性を気にする重要な部分には並列終端が用いられる事が
多いようです。



次回は、等長配線について


パターンのインピーダンスコントロール | ノイズ対策.com

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パターンのインピーダンスコントロール

前回、特性インピーダンスの話をしました。

プリント基板のパターンにも特性インピーダンス値があり、
回路内の部分でインピーダンス整合が必要な場合に、
必要な部分のパターン特性インピーダンスを一定の値に
作り込む事を基板製造で行ないます。

プリント基板パターンの特性インピーダンスは、
配線の幅、銅はくの厚み、基準層となるGND層との距離、
その間にある絶縁体の比誘電率 が関わる計算式で求められます。

配線銅はくの幅を広くする、もしくは厚みを厚くする、
つまり、パターン断面積を大きくすると特性インピーダンスは下がります。

パターンとGND層との距離を近く(その間の絶縁体の厚みを薄く)しても
特性インピーダンスが下がります。

通常の基板構成とパターン幅では、
シングルのインピーダンス値は 30〜80Ω程度になります。

基板が完成した時のパターン幅や各厚みを考慮して
目的のインピーダンスになるように基板製造時の工程調整が
行なわれます。

通常は、
基板の不要部分にインピーダンスコントロールのパターンと
同一配線層で同一配線幅のテストクーポンというものが作られます。

これは、
基板製造が完了した時に TDR測定機という特性インピーダンス値を
測定する機械にかけて、正しくインピーダンスがコントロールされて
作られているかを確かめるものです。

パターンのインピーダンスコントロール精度は±10%程度ですが、
多数の層でのインピーダンスコントロールや、同一層での異なる値の
(シングルと差動など)インピーダンスがあると、
かなり基板製造難易度が上がってしまい、歩留まりが悪くなるなどして
基板の価格が上がってしまうため注意が必要です。

同じインピーダンスコントロール値は同じ層に、
違う値の場合は別の層配線にまとめる事が出来ると作りやすいようです。



次回は、終端抵抗について


特性インピーダンス | ノイズ対策.com

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特性インピーダンス

分布定数回路上を伝わっているエネルギーの
電圧の波と電流の波の比の事を特性インピーダンスと言います。

R,L,G,C等価回路のインピーダンス計算式において
RとGは非常に小さいため、伝送線路を無損失に近似できたとして
 R=0, G=0 にすると、
Zo = √L/C になり、信号の周波数や伝送路の長さに依存しない
一定の値になります。

これが特性インピーダンスです。

ずっと同じ材質で同じ断面形状の伝送路であれば、
長さに関係なく一定の値の特性インピーダンスであるため、
○○オームの伝送路、○○オームのケーブルと言う表現がされます。

単位がオームであるため抵抗値と勘違いしやすいですが、
伝送路やケーブルの抵抗値自体はかなり小さいです。

負荷のインピーダンスと線路の特性インピーダンスが同じでないと
反射波が生じて伝送に無駄が生じ、
反射波によって波形が乱れるなどの弊害が起こるため、
高速信号伝送ではデバイス入出力や信号パターンの
特性インピーダンスを合わせる事で反射波が生じないようにします。

つまり、
インピーダンス整合を取る回路構成によって特性の改善を図ります。

シングル伝送では同軸ケーブルで多く用いられている 50Ωが一般的な
特性インピーダンスの値になります。

差動伝送では 90〜110Ωが用いられており、
伝送フォーマットによって値が決められている場合があります。


次回は、パターンのインピーダンスコントロールについて



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