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差動ペアインピーダンス計算ツール

USB、HDMI、イーサネット、および高速シリアルインターフェイスで使用されるエッジ結合マイクロストリップ差動ペアの差動インピーダンス (Zdiff) およびコモンモード (Zcom) インピーダンスを計算します。

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公式

Z_{diff} = 2Z_{odd} \approx 2Z_0(1-Qe),\ Z_{com} = \frac{Z_{even}}{2} \approx \frac{Z_0(1+Qe)}{2}

参考: IPC-2141A; Wadell Chapter 3.7

Z₀ — Single-ended microstrip impedance (Hammerstad-Jensen) (Ω)
Q — Normalized edge-to-edge gap: 2S/W
Qe — Empirical coupling coefficient: exp(−0.347Q)
Z_odd — Odd-mode impedance = Z₀(1 − Qe) (Ω)
Z_even — Even-mode impedance = Z₀(1 + Qe) (Ω)

仕組み

差動ペアインピーダンスは、高速PCB設計、特に差動信号のシグナルインテグリティにとって重要なパラメータです。エッジ結合マイクロストリップ構成では、特性インピーダンスは伝送線路の物理的形状、特にトレース間の間隔と基板の高さ (h) に依存します。奇数モードインピーダンス (Zodd) は反対極性の信号で励起されたときの個々のトレースのインピーダンスを表し、差動インピーダンス (Zdiff) は2つのトレース間に見られる合計インピーダンスを表します。IPC-2141A規格には、トレース間隔とインピーダンスの間の指数関数的な関係を考慮して、これらの値を計算する経験的方法が規定されています。このアプローチは、信号の反射を最小限に抑え、信号品質を維持し、電磁干渉を減らすためにインピーダンスの制御が不可欠な高速デジタルおよびアナログ回路設計において非常に重要です。

計算例

基板の高さが0.8mm、トレース間隔が0.2mmのPCB上のマイクロストリップディファレンシャルペアを考えてみましょう。標準式を使用して、まず奇数モードのインピーダンスを計算します。Zodd = 50 * (1-0.347 * e^ (-2.09 * 0.2/0.8)) ≈55.3 オームです。次に、差動インピーダンスを計算します。Zdiff = 2 * 55.3 = 110.6 オームです。この結果から、配線形状がインピーダンスに大きく影響する様子がわかります。間隔を狭くすると、リファレンスの 50 オームのシングルエンドインピーダンスと比較して実効インピーダンスが増加します。

実践的なヒント

  • ✓正確な計算には、正確な基板厚測定値を使用してください
  • ✓差動ペア設計を評価するときは信号周波数を考慮してください
  • ✓PCBレイアウト時に制御インピーダンス技術を実装

よくある間違い

  • ✗インピーダンスを計算する際に基板の誘電率を無視する
  • ✗トレース間隔とインピーダンスの間の線形関係を想定
  • ✗PCB製造における製造公差を考慮していない

よくある質問

差動ペアはノイズ耐性が高く、コモンモードノイズをキャンセルする相補信号を使用することにより、より高いデータ伝送速度が可能になります。
トレース間隔はインピーダンスと非線形の関係にあり、通常、トレース同士が近づくにつれてインピーダンスが増加します。
IPC-2141Aメソッドは、標準のFR4基板に最適です。特殊材料ではより複雑な計算が必要な場合があります。
基板の高さ、トレースの幅、トレース間の間隔、誘電特性はすべて差動ペアのインピーダンスに影響します。
高速デジタルインターフェースの場合、シグナルインテグリティを維持するために、一般に± 10% のインピーダンス許容誤差が推奨されます。

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