PCB設計トレース幅がもたらす変化

PCB経路指定時に、トレースがエリアを通過する際に、その領域内の配線スペースが限られているため、より細い線を使用する必要が生じることがしばしばあります。この領域を通過すると、線は元の幅に戻ります。トレース幅を変更するとインピーダンスが変化するため、反射が発生し、信号に影響します。では、どのような状況下でこの影響を無視することができ、どのような状況下でその影響を考慮する必要があるのでしょうか。

この効果に関連する要因は、インピーダンス変化の大きさ、信号の立ち上がり時間、狭い線上の信号の遅延の3つの要因です。

まず、インピーダンスの変化の大きさについて話し合います。多くの回路の設計では、反射ノイズが電圧振幅の5%未満である必要があります(これは信号のノイズ予算に関連しています)。反射係数式に従って、インピーダンスの近似変化率は、以下のように計算することができます: △Z/Z1≤10%。これは、回路基板の抵抗の典型的なインデックスが+/- 10%である基本的な理由です

インピーダンスの変化が一度だけ起こる場合、例えば、ライン幅が8milから6milに変更された後、6mil幅は維持される。急激な変化時の信号反射ノイズが電圧振動の5%を超えないというノイズバジェットの要件を満たすには、インピーダンスの変化が10%未満でなければなりません。時にはそれは難しいです。FR4シート上のマイクロストリップラインの場合を例に取ってみましょう。ライン幅が 8 mil 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 46.5Ω です。ライン幅が6milに変わると、特性インピーダンスは54.2Ωとなり、インピーダンス変化率は20%に達します。反射信号の振幅は標準を超える必要があります。信号にどの程度影響を与えるかについては、信号の立ち上がり時間と駆動端から反射点までの信号の遅延にも関係しています。しかし、少なくともこれは潜在的な問題です。幸いにも、インピーダンスマッチング終了で問題を解決できます。

インピーダンスの変化が2回発生した場合、例えば、ライン幅が8milから6milに変更された後、2cm引き出された後に8milに戻ります。次に、長さ2cmと6mil幅の両端で反射が起こり、一方がインピーダンスが大きくなり、反射が正になり、もう一方がインピーダンスが小さくなり、負の反射が生じる。2 つの反射の間隔が短い場合、2 つの反射が互いにキャンセルされ、影響が小さくなるため、その影響が小さまります。送信された信号が 1V で、最初の通常の反射が 0.2V、1.2V が転送を継続し、2 番目の反射が -0.2 * 1.2 = 0.24v 反射しているとします。6milラインの長さが非常に短く、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、ノイズバジェット要件の5%未満です。したがって、この反射が信号に影響を与えるかどうか、そしてそれがどの程度影響を与えるかは、インピーダンス変化時の遅延と信号の立ち上がり時間に関連しています。インピーダンス変化時の遅延が信号立ち上がり時間の20%未満であれば、反射信号は問題を起こさないことが研究と実験で示されています。

信号の立ち上げ時間が 1ns の場合、インピーダンスの変化時の遅延は 1.2 インチに対応する 0.2ns 未満であり、反射は問題を引き起こしません。つまり、この例の場合、6mil幅のトレースの長さが3cm未満であれば、問題は生じないだろう。

PCB設計のトレース線幅が変化する場合、実際の状況に応じて影響を及ぼすかどうかを慎重に分析する必要があります。インピーダンスの変化の大きさ、信号の立ち上げ時間、線幅のネック形状の部分の長さの 3 つのパラメーターを確認する必要があります。上記の方法に従って概算し、適宜一定の余裕を残す。可能であれば、首の部分の長さを最小限に抑えます。

実際のPCB処理では、パラメータは理論ほど正確であってはならないということを指摘すべきである。理論は私たちのデザインのためのガイダンスを提供することができますが、それはコピーしたり、独断的にすることはできません。結局のところ、これは実用的な科学です。実際の状況に応じて適切に値を修正し、設計に適用する必要があります。経験が浅いと感じた場合は、保守を行い、製造コストに応じて適切に調整してください。