PCB クロストーク計算ツール
シグナルインテグリティ解析のためのPCBトレースのクロストークNEXT、FEXT、およびカップリング係数を計算します。臨界長とガードトレースの間隔を決定します。無料で即時に結果が得られます。
公式
仕組み
PCBクロストークカリキュレータは、隣接するトレース間の容量結合と誘導結合を計算します。これは、高速デジタル、DDRメモリ、およびマルチギガビットインタフェースにおけるシグナルインテグリティの検証に不可欠です。シグナルインテグリティのエンジニアはこれを利用して、クロストークがUSB 3.0で必要な -40 dB（1% カップリング）未満に、PCIe Gen4/5では-50 dB未満に抑えられるようにします。
Johnson/Grahamの「高速デジタル設計」によると、クロストークは容量性結合 (電界、dV/dt依存) と誘導結合 (磁場、dI/dt依存) の2つのメカニズムによって発生します。近端クロストーク (NEXT) は両方のメカニズムを合計したもので、遠端クロストーク (FEXT) は部分的に相殺されます。その次を合計すると、おおよそ (C_m x Z0 + L_m/Z0) x 長さ x f になります。ここで、 C_m と L_m は、単位長あたりの相互容量とインダクタンスです。
IPC-2141Aの「3Wルール」では、3x トレース幅に等しいトレース間隔は、エッジ・ツー・エッジ・ルーティング（0W間隔）と比較して約 70% のクロストーク削減を達成するとされています。「3H ルール」(間隔 = 地面から 3 倍の高さ) では、ほとんどのデジタル信号で十分な -40 dB のアイソレーションが得られます。重要な信号 (クロック、リファレンス) には 5H の間隔を使用して -50 dB のアイソレーションにします。
クロストークは周波数とパラレルラン長に比例して増加します。1 GHz では、FR4 を 0.5 mm の間隔で 100 mm パラレルに実行すると、約 -35 dB のクロストークが生成されます。5 GHz では -25 dB のクロストークが発生します。この周波数依存性により、5 Gbps を超えるインターフェイスでは、クロストークがシグナルインテグリティに関する主な懸念事項となり、ビアやコネクタの不連続性を超えることがよくあります。
計算例
問題：FR4上の2つの50オーム・マイクロストリップ・トレース間のクロストークを1 GHzで計算します（接地までの高さ=0.2mm、W=0.3mm、S=0.5mm間隔、50mmの平行長さ）。
ジョンソン/グラハム氏による解法:
- 相互キャパシタンスの推定: C_m S/H=2.5 ジオメトリの場合は約 0.1-0.2 pF/cm = 0.15 pF/cm = 15 fF/mm
- 相互インダクタンス推定値: L_m 約 0.5-1.0 nH/cm = 0.08 nH/mm
- NEXT 係数: K_b = (C_m x Z0 + L_m/Z0) / 4 = (15e-15 x 50 + 0.08e-9/50)/4 = (7.5e-13 + 1.6e-12)/4 = 5.8e-13
- 次の電圧比:おおよそ (K_b x 2 x pi x f x 2 x 長さ) = 5.8e-13 x 6.28e9 x 0.1 = 3.6e-4
- 次の単位はデシベル:20 x log10 (3.6e-4) = -69 dB
代替クイック見積もり:S=3H (良好なアイソレーション) では、NEXTはパラレル走行で1インチあたり約-45dBです。50mm = 2インチなので、NEXTは約-45+6 = -39dBです。ほとんどのデジタル信号で許容範囲です (しきい値は -30 dB 未満)。
実践的なヒント
- ✓デジタル信号には最小3Wルールを適用してください。トレース間隔 = トレース幅の3倍の場合、アイソレーションは-40dBになります。DDR アドレス/コマンドには 2W を、クロックペアの場合は JEDEC ガイドラインに従い 5W を使用してください。
- ✓隣接する層を直交配する — 垂直配線の相互インダクタンスはほぼゼロであるため、IPC-2141Aセクション4.2.7によると、層間のクロストークは無視できるレベルまで低減されます。
- ✓敏感な信号にはストリップライン（埋め込み層）を使用してください。2番目のグランドプレーンは、フィールドが制限されているため、ジョンソン/グラハムによると、マイクロストリップよりも6〜10dB優れたアイソレーションが得られます。
よくある間違い
- ✗クロストークが周波数に比例することを無視すると、1 GHz で通過する設計は 5 GHz で 14 dB だけ失敗します。ジョンソン/グラハムでは、常に信号高調波 (クロック周波数の3～5次高調波) で解析してください。
- ✗敏感な信号をノイズの多いアグレッサーに平行に配線 — クロストークは平行距離に比例し、パラレルランを100mmから10mmに減らすと、アイソレーションが20dB向上します。直交配線によりカップリングがなくなります。
- ✗ガードトレースが常に役立つと仮定すると、終端処理されていないガードトレースは、特定の周波数で共振してクロストークを増加させる可能性があります。IPC-2141Aによると、グラウンドガードは10mmごとにグランドプレーン経由でトレースします。
よくある質問
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