マイクロストリップインピーダンス設計ガイド:理論からPCBレイアウトまで
PCB上の制御インピーダンスのマイクロストリップトレースを設計するための実践ガイド。ハマースタッド・ジェンセンの方程式、材料の選択、製造公差、および設計の検証方法について説明しています。
50Ωが重要な理由
50Ωのインピーダンス規格は、電力処理 (低インピーダンスを優先) と挿入損失 (77Ω前後で高いインピーダンスを優先) の間の妥協点から生まれました。RFの仕事では、50Ωがほぼ一般的な規格です。ビデオの場合、75Ω です。一部のロジック信号では、100Ωの差動信号が一般的です。
トレースのインピーダンスがソースまたは負荷と一致しない場合、反射が発生します。DC および低周波数では、信号は十分にゆっくりと伝わるため、過渡信号は損傷を引き起こす前に消滅します。しかし、大まかに言うと、
「MATHBLOCK_0」
*v*が伝搬速度 (FR4で約0.6c)、*l* がトレース長のとき、インピーダンス制御が重要になります。FR4 の 10 cm のトレースの場合、これは約 900 MHz になります。
ハマースタッド・ジェンセンの方程式
ほとんどのオンライン計算機は、約 ± 5% の精度を持つ簡略化された IPC-2141 方程式を使用しています。製造には、± 1% の精度を実現するワデル補正を加えたハマースタッド・ジェンセン (1980) を使用してください。
狭いトレース (W/H < 1) の場合:
「マスブロック_1」
幅の広いトレース (W/H ≥ 1) の場合:
「マスブロック_2」
ここで、*W*は有効幅 (銅の厚さを考慮に入れる) で、*δ*eff は実効誘電率です。
材質の選択
| 素材 | δ | tanδ | ユースケース |
|---|---|---|---|
| FR4 スタンダード | 4.2—4.5 | 0.020 | ジェネラル・デジタル、<1 GHz RF |
| FR4 高周波 | 3.9—4.1 | 0.015 | DC—3 GHz |
| ロジャース 4003C | 3.38 ±0.05 | 0.0021 | RF、10 GHz までのマイクロ波 |
| ロジャース 4350B | 3.48 ±0.05 | 0.0037 | RF、10 GHz までのマイクロ波 |
| PTFE (テフロン/ガラス) | 2.10—2.55 | 0.0009 | 電子レンジ、ミリ波 |
| アルミナ 96% | 9.6 | 0.0001 | ハイパワーRF、ハイブリッド |
製造公差値
一般的な PCB メーカーは以下の許容誤差を満たしています。
-トレース幅: 標準の場合は±0.05mm (2ミル)、制御されたインピーダンスの場合は±0.025mm (1ミル) -誘電体の厚さ: ± 10% 標準、インピーダンス制御スタックアップの場合は± 5% -銅の厚さ: ± 10%
これらを合わせると、標準次数で約± 10%、インピーダンス制御次数で± 5% のインピーダンス変動が生じます。± 5% を超える値が必要な場合は、それを明示的に指定する必要があり、コストが高くなることが予想されます。
実用的な設計ルール
RFの場合は50Ω、高速デジタルでは100Ωの差動を目標とします。 1オンスの銅線を使用した標準の1.6mm FR4ボードの場合: -50Ω シングルエンド、約 2.8 mm トレース幅 -1.8ミリメートルのトレース間の100Ωのディファレンシャル（約0.12ミリの間隔） リファレンス・プレーンはしっかりした状態に保ってください。 インピーダンスを制御したトレースの下のボイド、スロット、またはスプリットは、局所的なインピーダンスを予期せず変化させます。RF トレースは、基準面の近くで切断されている可能性がある基板の端やコネクタから離して配線してください。 RF トレースの周囲にビアをステッチします。 マイクロストリップの場合は、パラレルプレートの共振を抑えるため、トレースの両側に λ/20 ごとにグランドビアを追加してください。 不連続性を一致させる コネクタの起動、ビア、パッドはすべてインピーダンスの不連続を生じさせます。パッドサイズを小さくする (アンチパッド) ことで補正するか、ビア遷移でリファレンスプレーンをわずかに無効にしてください。検証
当社の [マイクロストリップインピーダンス計算ツール] (/calculators/rf/microstrip-impdance) を使用してトレースの寸法を計算し、ボードハウスのスタックアップインピーダンス計算機で確認してください。製造時には、テストクーポンをリクエストしてください。同じ形状の別のトレースをTDR (時間領域反射率計) で測定し、組み立て前に実際のインピーダンスを検証できます。