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PCBトレース クロストーク (EMC)

EMCプレコンプライアンス解析のためのPCBトレースクロストーク（容量性・誘導性結合）を推定します。

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公式

V_cap = V_A × C_m × 2πf × Z, V_ind = L_m × 2πf × (V_A/Z)

仕組み

PCBトレースのクロストークは、容量性（電界）結合と誘導（磁場）結合の2つのメカニズムによって発生します。容量結合では、アグレッサー・トレースのdV/dtに比例した電流が流れます。つまり、V_cap = V_A × C_m × 2△f × Zです。ここで、C_mは1メートル当たりの相互キャパシタンス、Zは被害者終端インピーダンスです。誘導結合では、di/dt に比例した電圧が注入されます。V_ind = L_m × 2π f × (V_A/Z) です。ここで、L_m はメートル当たりの相互インダクタンスです。クロストークの合計はベクトルの和です。どちらのメカニズムも周波数とともに増加するため、高速デジタル・トレースにおけるEMCの主な懸念事項はクロストークです。近端クロストーク（NEXT）では両方の寄与分が合計され、遠端クロストーク（FEXT）では部分的に相殺されます。クロストークは、アグレッサー電圧を基準に dB 単位で測定されます。

計算例

問題：2つの50Ωマイクロストリップトレースが、20pF/mの相互容量と10nH/mの相互インダクタンスで並列に走っています。アグレッサーは 100 MHz で 3.3 V の電圧を流します。容量性クロストーク、誘導クロストーク、および総クロストークを計算します。
解決策:
1。静電容量式カップリング: V_Cap = 3.3 × 20×10² × 2π × 10× 50 = 3.3 × 20×10² × 3.14×10¹ ³ = 2.07 mV
2.誘導カップリング: V_ind = 10×10× 2π × 10× (3.3/50) = 10×10× 3.14×10× 0.066 = 0.207 mV
3.トータル・クロストーク: V_xT = √ (2.07² + 0.207²) = 2.08 mV
4.デシベル単位のクロストーク: XT = 20·log( 2.08/3300) = 20·log( 6.3×10) = −64 dB
結果: このジオメトリでは −64 dB のクロストークが一般的です。ほとんどのデジタル信号では、一般に −40 dB 未満でも問題ありません。

実践的なヒント

  • ✓トレース間隔を広げる — 遠方界カップリングの場合、クロストークは距離の二乗とほぼ等しくなります。間隔を2倍にすると、クロストークが12～18 dB減少することがよくあります。
  • ✓電界結合を遮断するには、敏感な被害者トレースとノイズの多いアグレッサー・トレースの間の複数のポイントでガードトレースを地面につないで下さい。
  • ✓パラレルランレングスの最小化 — クロストークはパラレル長に比例し、隣接するレイヤーの直交配線によりクロストークが大幅に減少します。

よくある間違い

  • ✗クロストークはシグナルインテグリティの問題にすぎないと仮定すると、放射源も生成されます。被害者のトレースノイズは、ケーブルやコネクタにルーティングされると再放射する可能性があります。
  • ✗間隔規則なしで高速信号ペアを長距離にわたって並列にルーティング — IPC-2141Aは、クロストークを-40dB未満に保つために3W規則（トレース間隔≥トレース幅）を推奨しています。
  • ✗同じ層に異なるインピーダンスラインを混在させると、不一致により反射が増加し、クロストークが増加する可能性があります。

よくある質問

電源インピーダンスと負荷インピーダンスに依存します。容量性クロストークは、対象トレースの負荷インピーダンスが高いほど悪化します。誘導クロストークは、被害者のインピーダンスが低いほど悪化します。50/100Ωシステムの差動ペアでは、どちらもほぼ同じです。IPC 2141 3Wの法則が両方の制御に役立ちます。
はい。被害トレースに注入されたノイズは I/O コネクタに伝わり、ケーブルから放射される可能性があります。これはEMCテストでよく見られる故障モードです。放射アンテナはアグレッサーソースそのものではなく、クロストークによって結合されたI/Oケーブルです。
リファレンスプレーンがしっかりしていると、各トレースのすぐ下に低インピーダンスのリターンパスが提供され、有効なループ面積と隣接するトレース間の結合係数が減少します。ストリップライントレース（2 つのリファレンスプレーンの間に埋もれている）間のクロストークは、同じトレース間隔のマイクロストリップよりも 6 ～ 20 dB 高くなります。

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