Zachariah Peterson
これらのトレースの伝送線路の限界長をご存知ですか？
デジタル信号またはアナログ信号のいずれを扱う場合でも、ソース、伝送線、負荷間のインピーダンス一致が必要になることがほとんどでしょう。 伝送路のインピーダンス整合が重要なのは、伝送路に送られた5Vの信号が、受信機で5Vの信号として見えるようにするためである。 伝送線路の整合がなぜ重要かを理解すれば、線路のドライバ側またはレシーバ側のどちらでこれを行う必要があるか、理解できるようになる。
インピーダンス整合について話すとき、ドライバ、伝送線路、レシーバのインピーダンスを同じ値に設定することを指している。 これは通常、シングルエンドの伝送路では50オームであるが、差動信号の規格ではインピーダンスマッチングに異なる値を指定する場合がある。 ここでは、伝送路のインピーダンスマッチングが重要である理由と、PCBインターコネクトで一貫したインピーダンスを実現する方法について説明します。 3つのケース
伝送路におけるインピーダンスマッチングの目的は、インターコネクト全体で一貫したインピーダンスを設定することである。 ドライバ、レシーバ、および伝送路のインピーダンスがマッチングされると、いくつかの重要なことが起こるが、それについては後述する。 伝送路においてなぜインピーダンス整合が重要なのかを議論する際には、以下のケースを取り上げる必要がある:
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ドライバ、ライン、およびレシーバが同じインピーダンスに整合されている。 これは完全なマッチングがとれている場合と考えることができる。 この場合、ラインに沿った反射はなく（ラインへの入力でも出力でも）、最大のパワーが下流のレシーバに伝達されます。 信号の電圧は散乱損失、吸収、DCおよび表皮効果の損失により減少するだけです。
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ドライバーとレシーバーはマッチングされていますが、ラインはミスマッチです。 この場合、信号が伝送線路に立ち上げられると同時に、何らかの反射が発生します。 言い換えれば、線路とドライバがマッチングしていない場合、ソースされた信号の一部がドライバに反射して戻ってくるのです。 これにより、伝送線路への電力の一部が効果的に伝達されなくなります。 同様に、レシーバー側でも反射があり、信号はドライバーに戻ります。
入力インピーダンスによって、最大のパワーがドライバーからレシーバーに伝達されるかどうかが決まります。 伝送路が非常に短い場合、伝送路インピーダンスは負荷のインピーダンスのように見えるだろう。 この臨界長の問題については、別の記事で取り上げる。 正確な入力インピーダンス（最初の信号反射後の伝送線路のインピーダンスと定義）は、次の式で求めることができる：
Input impedance for lossy and lossless transmission lines
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The driver, receiver, and line are all mismatched…ドライバ、受信機、および線路がすべて不一致である。 この場合、伝送路の長さは関係なく、信号が伝送路を伝わる際に連続的な反射が起こり、受信機で見る電圧に望ましくない階段状の増加が生じます。
Why Impedance Matching is Important in a Transmission Line.これは伝送路が非常に短くても、ドライバーとレシーバーが不整合なため、最大電力をドライバーからレシーバーに伝達することはできません。 反射
ドライバと伝送線路がマッチングしていると、伝送線路の入力での反射を抑えることができます。 しかし、この場合、線路と受信機のマッチングが取れていないと、受信機での反射が残ります。 同様に、線路がドライバとレシーバからミスマッチしている場合、事実上、反射により何らかの信号が失われます。 ライン、ドライバ、レシーバのインピーダンスを同じパワーに設定することで、レシーバに最大のパワーを伝達することができます。 一部の信号規格では、最大電力転送に依存せず、代わりに、入力で信号を感知するために高い入力インピーダンスに依存していることに注意してください（例：LVDS）。
インターコネクトの 2 つの部分間のインタフェースでのインピーダンス整合は、そのインタフェースで反射を防止します。 インピーダンス不連続部 (ドライバー ライン インターフェイス、ドライバー ソース インターフェイスなど) で反射が発生すると、信号レベルに急激な変化が生じ、インターコネクトに過渡応答が発生します。 その結果、反射はリンギング（オーバーシュート/アンダーシュート）として現れ、目的の信号レベルの上に重なり、また階段状の応答（デジタル信号の場合）が発生する可能性があります。
デジタル信号の反射
不整合の伝送線路で往復反射を繰り返すと、受信側と送信側で見られる電圧に階段状の応答が発生することがあります。 この階段状の応答は、信号レベルの漸増（例として以下を参照）または上下する階段状の応答として現れることがあり、いずれも後続の受信信号に干渉します。 その結果、下の例のように、受信機で見られる電圧は時間とともに変化することがあります。 なお、反射のたびに生じる電圧変化の上にある典型的な過渡応答は、わかりやすくするために省略されています。
Mismatched transmission line における高速デジタル信号の階段状応答例
アナログ信号による反射
受信機が伝送線とミスマッチしたときにデジタル信号も伝送線で繰り返し反射できるように、アナログ信号にも同じことが当てはまります。 アナログ信号で駆動すると、線路上に定在波共振を形成する周波数が存在します。 これらの周波数は、ある最低基本周波数の整数倍となる。 このため、特定の周波数で伝送線路から強い放射が発生する。 なお、伝送路が非常に短い場合、ドライバーとレシーバーが不一致でもこの現象は起こりますが、伝送路の波長が短いため、関連する周波数が非常に大きくなるだけです。
伝送線路上の定在波は、トレースがこれらのアンテナのように動作するように見えることを意味します
The Takeaway
伝送線が短くても、反射を繰り返して伝送線路を鳴らないように、ドライバーと受信機のインピーダンス マッチングが必要です。 また、ラインが短いときを定義する正確な長さは決まっておらず、インターコネクトに沿った許容インピーダンス不整合に依存します。 デバイスの低レベル化とエッジレートの高速化に伴い、許容されるミスマッチはますます小さくなってきています。
ここでは、暗黙のうちにシングルエンド信号について説明しましたが、差動信号にもまったく同じ議論が適用できます。 Altium Designer® の強力なスタックアップ設計および配線ツールは、正確なフィールドソルバーと統合されており、基板を構築する際にトレースのインピーダンスを迅速に決定します。 これは、PCB全体を通してインターコネクトを配線する際に、超精密なインピーダンスマッチングを維持することを確実にするのに役立ちます。 これらのツールは、多くのシミュレーション・ツールと連携する統一されたルール・ドリブンのデザイン・エンジンの上に構築されています。
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