PCB

ブロードサイド結合差動ペア計算ツール

ブロードサイド結合ペア（隣接する層に積み重ねられた2つのトレース）の差動インピーダンスとコモンモードインピーダンスをシールド付き（平面間）とシールドなしのジオメトリの両方で計算します。

Loading calculator...

公式

Z_{diff} = 2 Z_{odd},\qquad Z_{common} = \tfrac{1}{2} Z_{even}

参考: B. C. Wadell, "Transmission Line Design Handbook", Artech House 1991, §4.5 (broadside-coupled lines)

Z_diff— Differential impedance (Ω)

Z_odd— Odd-mode impedance of one trace (Ω)

W— Trace width (mm)

d— Vertical separation between traces (mm)

b— Plane-to-plane spacing (mm)

h— (b − d − 2t)/2, each trace to its nearer plane (mm)

仕組み

ブロードサイド結合ペアは、差動ペアの2つの半分を同じ層に並べるのではなく、隣接する層に、一方を他方の真上に積み重ねます。ペアの消費する配線幅が半分になるため、フレックス回路設計ではこの方式が優勢であり、最も高密度のリジッド基板に使用されています。

この分析は、対称性という1つのアイデアに基づいています。対称ペアを差動駆動させると、その2つのトレースのちょうど中間にある平面は、対称性だけでゼロボルトに保たれます。その仮想接地は電壁であり、これによって、4本の導体の難しい問題が、2つの独立した単線問題に変わります。

シールド — リファレンスプレーン間

上と下の平面では、奇数モードの各トレースはオフセットストリップラインです。片側が $d/2$ にある仮想地面、もう片側が $h = (b-d-2t) /2$ にある実際の平面です。その場合、差動インピーダンスは単純にその2倍になります。

Z_ {diff} = 2 Z_ {奇数}

偶数モードでは、電気壁が磁性壁と交換されます。磁場がミッドプレーンを横切ることはないため、各トレースはそれぞれ固有の平面、つまりインピーダンスがミラーリングされた対称線の2倍のハーフストリップラインのみを参照します。コモン・モード・インピーダンスはその半分です。

Z_ {共通} =\ tfrac {1} {2} Z_ {偶数}

シールドなし — 飛行機は一切なし

グラウンド・プレーンのない2層構造のフレックスでは、仮想グラウンドが構造内の唯一の基準となります。各トレースは、均質な誘電体のグランドプレーン上で高さ $d/2$ のストリップになります。ハマースタッドのマイクロストリップ形式は、平均化できる空気と基板の境界がないため、$\ varepsilon_ {r, eff} $の代わりに$ \ varepsilon_r$を直接使用します。

そのジオメトリのコモンモードにはリターンパスがまったくありません。そのインピーダンスはゼロではなく、未定義です。ペアが吸収する同相電流は、自由空間に流出する以外には行きません。そのため、シールドされていないブロードサイドペアは効率的なアンテナであり、両端に同相チョークが必要です。

実際の設計上のリスク

これはインピーダンスではなく、レジストレーションです。差動インピーダンスは、互いに真上に位置する2つのトレースに直接依存し、製造業者はエッチング幅よりも層間の位置合わせをはるかに緩く保ちます。横方向のずれは、解析全体が依存する対称性を崩し、対称性が崩れると、差動信号がコモン・モード（正確には放射モード）に変換されます。

計算例

問題：ポリイミドフレックスケーブル（er = 3.5）は、100オームの差動ペアをブロードサイドペアとして伝送し、リファレンスプレーンはありません。銅は 1 オンス、層間の誘電体は 0.2 mm です。トレースの幅を求めなさい。

ステップ 1-奇数モードのターゲット。差分 = 2*z_奇数、つまり Z_奇数 = 50 オームです。

ステップ 2-バーチャルグラウンドはトレースの中間 (d/2 = 0.1 mm) にあります。各トレースは、均質な er = 3.5 のグラウンド・プレーンから 0.1 mm 上にあるストリップです。

ステップ 3-銅線を考慮してください。d = 0.2 mmの場合、仮想地盤はトレースからわずか0.1 mm下にあるため、35 umの銅はその高さの3分の1であり、無視できません。ハマースタッドの補正によって帯幅が広がります。 dW = (t/pi) (1 + ln (2h/t)) = (0.035/pi) (1 + ln (0.2/0.035)) = 0.0306 mm

ステップ 4-W = 0.15 mm を試して、有効幅が 0.1806 mm、u = W_EFF/H = 1.806 になるようにします。幅の広いハマースタッド形式を使う: A = (376.73/sqrt (3.5))/(1.806 + 1.393 + 0.667*ln (1.806 + 1.444)) = 201.4/(1.806 + 1.393 + 0.786) = 201.4/3.985 = 50.5 オーム Zdiff = 101.1 オーム-基本的に目標通り。

ステップ 5-W = 0.15 mm を使用します。銅が何をしたかに注目してください。厚さを無視すると、この幅では 111 オームと予測され、不必要に幅広の 0.18 mm のトレースになってしまいます。

ステップ 6-登録予算。0.15 mm のトレースで 25 ミクロンの横方向のシフトがあると、17% のオーバーラップ誤差になります。コミットする前に、フレックスベンダーにレイヤーごとの位置合わせ仕様を問い合わせてください。トレース幅の約 10% よりも悪い場合は、トレースの幅を広げて設計の感度を低下させます。

ステップ 7-コモンモード。基準面がないため、同相インピーダンスは未定義であり、不均衡があれば放射されます。ケーブルの両端にコモンモードチョークを取り付けます。

実践的なヒント

✓トレースの幅を選択する前に、製造者にレイヤー間の位置合わせの仕様を問い合わせて、最悪の場合のシフトが幅のごく一部になるようにトレースのサイズを設定します。
✓曲げ半径と幅の両方が重要で、2つの導体が一緒に曲がるフレックスでは、ブロードサイドペアが自然な選択です。
✓シールドなしフレックスでは、両端にコモンモードチョークを取り付けます。この形状にはコモンモードリターンがなく、アンバランスを受けた場合は放射されます。
✓強い結合が必要な場合は、トレースの間隔を基準面までの距離よりも小さくしてください。これにより、ペアは外部ノイズの影響を受けなくなります。
✓モデルを確認してください。差動インピーダンスは奇数モードのインピーダンスのちょうど2倍でなければならず、奇数モードのインピーダンスは非結合の単線値より低くなければなりません。
✓ビア遷移によってスタッキングが崩れる場合は、2つのビアをできるだけ近づけて対称にしてください。非対称遷移はモードコンバータです。

よくある間違い

✗レイヤー間のレジストレーション許容値を無視します。これはブロードサイドペアの主な誤差源であり、通常はエッチング許容値よりもはるかに緩いです。ペアがずれていると、差動信号が放射コモンモードに変換されてしまいます。
✗シールドされていないペアに同相インピーダンスが存在すると仮定します。リファレンス・プレーンがないと、コモン・モード・リターン・パスは全くありません。その量は未定義で、少なくはありません。
✗スタックペアにエッジ結合式を使用する。結合の仕組みは全く異なり、数字を転用することはできません。
✗デュアルストリップラインの2つのレイヤーにブロードサイドペアを配置しても、そこに他にどのようなルートがあるか確認する必要はありません。ペアの上または下を走るものはすべてコモン・モードになります。
✗両方の銅の厚さが平面の間隔を食い尽くすことを忘れています。薄くシールドされたスタックアップでは、35 ミクロンの銅を 2 層重ねても、使用可能な高さのかなりの部分を占めます。

よくある質問

エッジカップリングペアの代わりにブロードサイドペアを使用する必要があるのはどのような場合ですか？

配線幅が拘束条件となる場合 — 高密度リジッド基板とほとんどすべてのフレックス回路。ブロードサイドペアは、同じカップリングのエッジ結合ペアの約半分の幅を占め、フレックスでは、片方が曲がった部分の周りを長い経路をたどるのではなく、両方の導体が一緒に曲がります。

ブロードサイドペアの最大のリスクは何ですか？

レイヤー間のレジストレーションです。解析では、2 つのトレースが互いに真上に位置していると仮定します。横方向のずれがあると、その対称性が崩れ、差動信号がコモン・モードに変換されます。レジストレーション許容誤差は通常、エッチ公差よりもずっと小さいため、誤差バジェットの大部分を占めます。

リファレンスプレーンがないとコモンモードインピーダンスが定義されないのはなぜですか?

コモン・モードでは両方の導体が一緒にスイングするので、システム内の別の場所にリターン・パスを設ける必要があります。プレーンがないとそのような経路は存在しないので、インピーダンスはゼロというよりはむしろ未定義です。コモン・モード電流はすべて近くにあるものに結合して放射します。

ブロードサイドペアから100オームの差動を得るにはどうすればいいですか？

差動インピーダンスは奇数モード値のちょうど2倍なので、50Ωの奇数モードインピーダンスを目標とします。次に、使用可能な誘電体によって設定された垂直方向の間隔を維持しながら、トレース幅を調整します。トレースの幅が広いほど、インピーダンスは低くなります。

USB、イーサネット、または PCIe にブロードサイドペアを使用できますか？

はい。フレックスアセンブリでは、まさにそのインターフェイスが一般的です。要件は通常のものです。目標とする差動インピーダンスを達成すること、2つのトレースを正確に積層すること、ビア遷移を両端で対称的に管理することです。

高度なシミュレーションツール

S-Parameter Analysis Pipeline

Upload up to 4 Touchstone files and get insertion loss, return loss, group delay, TDR impedance profile, and passband ripple — all in one automated report.

PRO

Eye Diagram from S-Parameters

Upload a Touchstone (.s2p) file and generate a PRBS-15 eye diagram. Extracts insertion loss, group delay, and impedance profile, then renders the eye with jitter and ISI.

PRO

Shop Components

As an Amazon Associate we earn from qualifying purchases.

PCB Manufacturing (JLCPCB)

Affordable PCB fabrication with controlled impedance options

JLCPCB →

FR4 Copper Clad Laminate

FR4 laminate sheets for custom PCB prototyping

Amazon →

Thermal Paste

Thermal interface material for component heat management