差動ペアのインピーダンス
インピーダンスを制御した差動ペアを設計します。奇・偶モード、差動・コモンモードの各インピーダンス、結合形状、配線、非対称性、近端クロストークを扱います。
執筆・技術レビューElectroDesignForge Engineering Team
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差動ペアは、振幅が等しく極性が逆の信号を伝える二本の配線です。その特性は独立した二本のシングルエンド配線のインピーダンスだけでは決まりません。配線間の電磁結合によって奇モードと偶モードが生じます。そのため差動インピーダンス、コモンモードインピーダンス、積層構成、対称性、リターンパスを、一つの伝送線路の問題として扱う必要があります。
指定すべき内容
「100 Ωのペア」といった指定は、文脈がなければ不完全です。通常は二本の導体間で測る差動インピーダンスを意味しますが、値は配線形状とリターン面に依存します。製造用の指定には、対象層と積層構成を明記してください。
層：L3のストリップラインペア、基準面はL2とL4
目標インピーダンス：差動100 Ω
許容差：インターフェース規則と基板メーカーの製造能力に従う
形状：完成後の幅、エッジ間隔、銅箔を確認する
管理方法：インピーダンス測定用クーポン、補正幅、測定報告書
一般的な85 Ω、90 Ω、100 Ωの目標値は互換ではありません。インターフェース、受信器、終端、正確な品番の資料によって異なります。対象部品のメーカーまたは該当規格が示す目標値、許容差、スキュー上限、配線規則を必ず使ってください。
差動ペアとクロストークの計算ツールは六種類の結合配線形状を比較し、モード別インピーダンスを推定し、間隔が近端クロストークに及ぼす影響を調べます。これは配線設計前のツールであり、最終形状はPCBメーカーによる検証結果に従います。
区別すべき四つのインピーダンス
結合したペアは、二種類の基本的な励振で表せます：
| 量 | 両導体への励振 | 表す特性 |
|---|---|---|
奇モードZodd | 同じ振幅で逆極性 | 意図した差動動作 |
偶モードZeven | 同じ振幅で同極性 | コモンモードの挙動 |
差動Zdiff | PからNまでの電圧で測定 | インターフェースで通常指定される目標値 |
コモンモードZcm | 両線をまとめて基準面に対して励振 | 外乱、平衡性、共通のリターン経路 |
対称なペアについて、一般的なポートの定義では：
Zdiff = 2 × Zodd
Zcm = Zeven / 2
これらの式が示す重要な点は、100 Ω差動のペアが必ずしも50 Ωのシングルエンド配線二本ではないことです。理想的な対称条件では、一方を逆極性で駆動したときの各配線のインピーダンスがZodd = 50 Ωに相当します。配線間隔が狭まると結合が強くなり、Zoddが下がり、通常Zdiffも下がります。
幅、リターンパス、ビア、周辺の金属などが不揃いな非対称ペアでは、差動信号の一部がコモンモードに変換されます。平均Zdiffが許容範囲でも、放射、マージンの低下、適合試験での問題が生じ得ます。
意図した結合と不要なクロストーク
ペア内のPとNの結合は意図したもので、差動インピーダンスの形成と電界の集中に役立ちます。一方、アグレッサーと呼ぶ別の信号が近くのペアや配線（ビクティム）に干渉するとクロストークが問題になります。
二つの仕組みが同時に働きます：
- 容量性結合は、アグレッサーの電圧が急変したときに電流を注入します。
- 誘導性結合は、アグレッサーの電流と磁界に関係します。
両者が重なることで生じる影響の一つがNEXT（近端クロストーク）で、遷移を送り出した側の近くで観測されるパルスです。計算ツールは終端された条件でのNEXT推定値を示します。配線案の比較に使い、リンク全体の余裕を保証する値とはみなさないでください。FEXT、反射、ビア、コネクタ、損失、実際の終端には、より完全なシミュレーションまたは測定が必要です。
クロック周波数だけでなく、実際に並走する長さと立ち上がり時間を比較してください。長い並走区間を伝わる高速エッジは、エッジの遅い高データレート信号より大きな干渉を蓄積する場合があります。実務上は送信器の最短立ち上がり時間と、導体が実際に並走する長さを入力します。
ペアの配線形状：エッジ結合とブロードサイド結合
| 形状 | 構造 | 長所 | 注意点 |
|---|---|---|---|
| エッジ結合マイクロストリップ | 一つのプレーンの上に外層配線二本を並べる | 配線と検査が容易 | 電界の一部が空気とソルダーマスクを通り、放射と隣接配線の影響が大きい |
| エッジ結合の埋込マイクロストリップ | 誘電体層の下で一つのプレーンの近くに配線 | 表面へのアクセスと電界の閉じ込めの折衷 | 二方向の誘電体距離とソルダーマスクが結果に影響する |
| エッジ結合の対称ストリップライン | 等距離のプレーン間に内層配線 | 電界をよく閉じ込め、外乱に強い | 圧着後の厚さと完成時の銅箔厚が重要 |
| エッジ結合の非対称ストリップライン | 一方のプレーンに近い内層配線 | 実際の多くの積層構成に適合 | H1とH2を正しく定義しないと電界とリターンパスが不均衡になる |
| シールド付きブロードサイドペア | プレーン間にある隣接層で配線を上下に重ねる | 高密度配線で強く結合できる | 層間遷移と製造が難しい |
| シールドなしブロードサイドペア | 近くにプレーンがない上下重ねの配線 | 直接結合が非常に強い | コモンモードと周囲の筐体の影響が大きく、管理された条件でのみ使う |
どの形状でも、幅W、エッジ間隔S、銅箔厚T、プレーンまでの距離、設計用Dkが重要です。妥当性を確かめる大まかな傾向として、二本の配線を近づけると結合が強まり、多くの場合Zdiffが下がります。基準プレーンを遠ざけるとインピーダンスが上がり、電界を閉じ込めにくくなります。ただし、これらの傾向は適切な形状モデルの代わりにはなりません。
幅と間隔を決める前に積層構成を確認する
「FR-4、1.6 mm、1 oz」だけでは不十分です。インピーダンス制御のため、PCBメーカーに次を確認します：
- 信号層と、その両側にある連続した基準プレーン。
- ラミネート前の公称プリプレグ厚だけではなく、プレス後の銅箔からプレーンまでの距離。
- 外層のめっきを含めた完成後の銅箔厚。
- 対象周波数または指定された測定方法における設計用Dkと、その許容差。
- 外層のソルダーマスクの有無、厚さ、Dk。
- エッチングの制約：完成後の幅、最小間隔、提案される補正。
積層構成が確定してから幅と間隔を固定します。メーカーが目標インピーダンスに合わせて補正幅を提案した場合、製造データに反映し、ペアを再評価せずに独自に変更しないでください。
寸法を決める手順
- インターフェースの目標値、許容差、最短立ち上がり時間、長さの制限、配線上の制約を入手します。
- 連続した基準プレーンがあり、積層構成に適合する形状を使える層を選びます。
- 実際の
W、S、T、Dk、プレーンまでの距離を計算ツールに入力します。 - 製造規則に違反せず、配線が脆弱にならない範囲で、幅と間隔を調整して
Zdiffの目標値に近づけます。 ZoddとZevenの差、結合係数、実際の隣接配線と並走長に対する推定NEXTを確認します。- 積層構成と寸法補正についてメーカーの確認を得て、重要なリンクではクーポンと測定報告書も求めます。
「配線幅の三倍」「誘電体厚の三倍」といった決まり文句だけで間隔を選ばないでください。このような比率では、Dk、プレーン、幅、銅箔、周辺配線、インターフェース要件を同時に反映できません。初期配置の目安にはなっても、インピーダンスやクロストークの証明にはなりません。
配線では電気的対称性を保つ
重要なのは単なる形状の一致ではなく、電気的な一致です。同じ長さの二本でも周囲の環境が変われば伝搬特性が異なります。可能な限り両配線を同じ層にまとめ、間隔を一定に保ってください。
- PとNを同じ幅・間隔・周辺銅箔条件で並走させます。
- 一方の配線だけにプレーンの銅箔、基板端、密集したグランドビア、別の配線が近づく配置を避けます。
- 連続したリターンプレーンを保ちます。リターンパスを確保せずにスリット、配線禁止領域、基準面の切り替わりを横切らないでください。
- 層を変えるときはPとNに同じビア構造を使い、基準プレーンも変わる場合は遷移部の近くにリターンビアを設けます。
- ビアスタブを最小限にします。信号品質の要件に応じてバックドリルや適切なビア構造を選びます。
- 鋭い角、急な幅変更、非対称なパッドを避けます。曲線や45°の配線でも、不連続の解析に代わるものではありません。
長さ調整用の蛇行配線には特に注意が必要です。配線が自分自身や対となる配線に近づき、局所的な容量と結合、場合によってはコモンモードが増えます。十分に間隔を空けた区間で必要最小限の長さだけを追加し、プロトコルが許すスキューを確認してから長さ合わせを行ってください。
コネクタ、部品、パッケージからの引き出し
配線区間は接続全体の一部にすぎません。コネクタの立ち上がり部、BGAパッド、ケーブルやフレックスのペア、ESD保護素子、コモンモードチョーク、ビアは、適切な寸法の配線数ミリメートルより大きな不連続を生む場合があります。部品メーカーの推奨レイアウトで、アンチパッド、パッド形状、グランドビア配置、ビア数、バックドリル、層順序、必要な終端を確認してください。
コモンモードチョークを無条件に透明な素子とみなしてはいけません。余裕が小さい場合は、差動・コモンモード特性、不平衡、使用帯域、Sパラメータモデルから選びます。配置と配線も対称にしてください。
簡易計算の限界
差動ペアとクロストークの計算ツールは準静的モデルを使用します。形状の影響を調べ、間隔を見積もり、リスクを比較するのに役立ちますが、2D/3D電磁界ソルバーや量産検証の代わりにはなりません。
余裕が小さい、エッジが非常に速い、データレートが高い、または次の影響が重要な場合は、より完全な解析を行います：銅箔粗さ、台形のエッチング断面、ガラスクロス、分散、損失、ソルダーマスク、ビア、アンチパッド、コネクタ、遷移、隣接ペア、FEXT、反射、非理想終端。いずれの場合も、一般的な計算結果よりインターフェースの要件とメーカーの製造規則を優先します。
製造前のチェックリスト
- 目標値が差動インピーダンスであること、許容差とインターフェース規則を確認したか。
- メーカーの積層構成にプレス後の厚さ、完成後の銅箔厚、Dkが定義されているか。
- ビアやパッドも含めてPとNの形状と周辺条件が対称か。
- 全配線経路と層間遷移を通してリターンプレーンが連続しているか。
- 隣接配線、並走長、立ち上がり時間についてクロストークを評価したか。
- コネクタの立ち上がり部、スタブ、アンチパッド、保護素子、直列部品を確認したか。
- 製造指示書に必要な寸法補正、クーポン、測定報告書を求めているか。
参考文献
- IPC-2141A — 高速インピーダンス制御基板の設計ガイド。
- IPC-2221 — プリント基板設計の一般規格。
- H. A. Wheeler — 結合伝送線路とモード別インピーダンスに関する基礎研究。
- 対象の部品・コネクタメーカーが提供するインターフェース資料とレイアウトガイド。