PCB制御インピーダンス計算ツール
表面マイクロストリップ、埋め込みマイクロストリップ、およびストリップラインPCBトレースの特性インピーダンスを計算します。Z0、実効Er、およびターゲット・トレース幅を求めます。無料で即時に結果が得られます。
公式
参考: IPC-2141 Controlled Impedance Circuit Boards
仕組み
制御インピーダンスカリキュレータは、RFフロントエンド、高速デジタルインターフェース、およびシグナルインテグリティ検証に不可欠なターゲット特性インピーダンス（50/75/100オーム）のPCBトレース幅を計算します。ハードウェア・エンジニアやPCB設計者は、インピーダンスのミスマッチが 10% を超えると、アイ・ダイアグラムが15～ 40% 劣化するような信号反射を防止するために、これを利用しています。
IPC-2141Aとジョンソン/グラハムの「高速デジタル設計」によると、トレースのインピーダンスは形状 (幅W、基準面からの高さH) と誘電率 (Er) に依存します。ハンマースタッド・ジェンセンの方程式は、W/H 比が 0.1 ～ 10 の場合、3D EM シミュレーションと比較して 1 ～ 2% の精度を達成します。表面マイクロストリップの場合、標準FR4ではトレース幅を0.1mm縮小するごとにZ0は約6オーム増加します。
FR4 の Er は、1 MHz での 4.6 から 5 GHz での 4.2 (ジョルジェビッチ・サーカー分散モデル) までさまざまです。この 9% のシフトにより、計算されたインピーダンスが 4 ～ 5% 変化します。これが、2 GHz を超える設計にはロジャース RO4350B (Er = 3.48 +/-0.05、10 GHz まで安定) が好まれる理由です。標準ファブの許容誤差は +/ -10% ですが、高度な RF ファブでは +/ -5% です。
トレース長が lambda/10 を超える周波数では、インピーダンスの不整合により反射が発生します。75 オームの負荷を 50 オームのトレースで駆動すると、20% の反射係数が生成されます (VSWR 1. 5:1、リターンロス 14 dB)。ポザールの「マイクロ波エンジニアリング」によると、これにより電力伝達効率が 4% 低下し、定在波が発生して隣接するトレースのクロストークが3～6 dB増加します。
計算例
問題：JLC 4層FR4上の2.4 GHz WiFi PA用の50オームのマイクロストリップを設計します（合計1.6mm、L2グランドへのプリプレグは0.1mm、銅線は1オンス）。
IPC-2141A に準拠したソリューション: 1.パラメーター:H = 0.1mm (プリプレグ)、T = 35um (1オンス)、Er = 4.3 (2.4 GHz) 2.50 オームの場合の目標ワット時/時給比:FR4 では約 1.9 3.計算されたトレース幅:W = 0.19mm x H = 0.19mm (7.5 ミル) 4.実効Er: 3.4 (一部は微量以上の空気中に電界) 5.伝搬遅延:6.14 ピース/mm (ストリップラインの場合は 7.1 ピース/mm)
検証:JLC は +/ -10% の許容誤差を引用しています。+10% (55オーム) の場合、VSWR = 1. 10:1、リターンロス = 26 dB — ほとんどの RF アプリケーションでは許容範囲内です。ファブノート:「L1 マイクロストリップ幅 = 0.19mm、Z0=50 オーム IPC-2141A あたり +/ -10%。」
実践的なヒント
- ✓設計前にファブのスタックアップを確認してください。JLC、PCBway、OshParkは正確なErと層の厚さを公開しています。一般的な FR4 の仮定では、5 ～ 10% のインピーダンス誤差が発生します。
- ✓ガーバーパッケージにTDRインピーダンスクーポンを追加してください。これがないと、ファブはコンプライアンスを検証できず、IPC-TM-650 2.5.5.7に従って障害を追跡できなくなります。
- ✓IPC-2141Aセクション4.2.6に従ってクロストークを-40dB未満に維持するには、制御されたインピーダンストレース間に3Wルール（間隔=トレース幅の3倍）を使用します。
よくある間違い
- ✗GHz周波数で1MHzのEr値（4.6）を使用すると、8～ 12% のインピーダンス誤差が発生します。ジョルジェビッチ・サーカーモデルでは、必ず周波数補正された Er: 1 GHz では 4.4、5 GHz では 4.2 を使用してください。
- ✗銅の厚さの影響を無視すると、IPC-2141A表4-1に示すように、銅を0.5オンスから2オンスに移動すると、実効幅の増加によりインピーダンスが3〜5オームシフトします。
- ✗制御されたインピーダンストレースを分割されたグランドプレーンにルーティングすると、不連続性によってインピーダンスが15〜30％増加し、リターンロスが6〜10dB低下します（Johnson/Graham Ch. 8）。
よくある質問
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