PCBビア・スタブ共振計算ツール
高速PCB設計におけるスタブ共振周波数、信号ノッチ深度、およびバックドリルの利点を介して計算します。スタブの長さを最適化します。無料で即時に結果が得られます。
公式
参考: Eric Bogatin, "Signal and Power Integrity Simplified" 3rd ed.
仕組み
ビア・スタブ共振カリキュレータは、ビア・スタブの4分の1波共振周波数を計算します。これは、高速デジタル（5Gbps以上）およびRF/マイクロ波PCB設計に不可欠です。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、PCIe Gen4/5、USB4、100Gイーサネットのチャネルコンプライアンスに問題がある、共振時に10〜20dBの挿入損失を引き起こす周波数ノッチを特定します。
ジョンソン/グラハムの「高速デジタル設計」によると、スルーホールビアは信号層の出口点の下にスタブを形成します。このスタブは f_res = c/(4 x L_stub x sqrt (Er)) で1/4波共振器の役割を果たします。ここで、L_stubは未使用のビアバレルの長さです。レイヤ 2 (上から 0.2 mm) に信号がある 1.6 mm のボードでは、スタブの長さは 1.4 mm で、FR4 では 5.3 GHz で共振します (Er=4.3)。
IEEE 802.3 100GBASE-CR4 の仕様によると、12.5 GHz での最大挿入損失は 1 ビアあたり 1.5 dB です。12 GHz でビア・スタブが共振すると 15 dB 以上のノッチが発生し、シグナル・インテグリティーにとって致命的な打撃となります。これが、25Gbps以上のチャネルではバックドリル（IPC-6012Eによる深度制御ドリル）が必須で、スタブを信号層から0.1～0.2mm以内に取り除く必要がある理由です。
スタブ共振のQファクターは、ビアバレルの抵抗と誘電損失に依存します。FR4 (tan_delta = 0.02) ではQが約10-15で自然な減衰が得られます。ロジャース (tan_delta = 0.004) のような低損失材料はQ = 50+なので、よりシャープなノッチが得られます。直感に反して、損失の多い基板は、共振減衰により特定の周波数でより優れた性能を発揮する可能性があります。
計算例
問題：層3（上から0.4mm）で信号が遷移し、FR4 Er=4.3の6層2.4mm基板上のスルーホールビアのスタブ共振を計算します。
解決策: 1。ボードの厚さ:2.4 ミリメートル 2.信号層の深さ：上面から0.4mm 3.スタブの長さ:L_スタブ = 2.4-0.4 = 2.0mm 4.有効速度:v = c/sqrt (Er) = 3e8/sqrt (4.3) = 1.45e8 m/s 5.共振周波数:f_res = v/ (4 x L_stub) = 1.45e8/ (4 x 0.002) = 18.1 GHz 6.25 Gbps 信号（12.5 GHz では基本信号）の場合：18 GHz での共振が 3 次高調波に影響します。 7.バックドリル要件:レゾナンスを25 GHz以上にプッシュするには、L_stub < 1.4 mmが必要です。つまり、バックドリルは最低でも0.6mmです。
結果:スタブは18.1 GHzで共振します。25 Gbps の NRZ 周波数帯では、12.5 GHz（安全性）が主な懸念事項です。56 Gbps PAM4 (28 GHz ナイキスト) では、18 GHz のノッチを取り除くためにバックドリルが必須です。
実践的なヒント
- ✓10 Gbpsを超える信号にはHDIマイクロビアを使用してください。L1からL2までのブラインドビアは設計上スタブがないため、IPC-2226あたり最大50GHzを超える共振の問題がなくなります。
- ✓バックドリルの深さを信号層に対して+0.1/-0.0mmの公差で指定してください。IPC-6012Eに準拠しているため、信号面へのドリルを最小限に抑えながら、スタブを最小限に抑えることができます。
- ✓25Gbps以上の場合：信号ビアを外面に最も近い層に配置して、バックドリルを行わなくてもスタブの長さを最小限に抑えます。これにより、プロトタイプボードのコストを節約できます。
よくある間違い
- ✗スタブ計算における層の位置は無視します。同じ基板上の層2の信号と層4の信号は、スタブの長さと共振周波数が大きく異なります。ボードの厚さだけでなく、常に信号層を追跡してください。
- ✗バックドリルがすべての問題を解決すると仮定すると、バックドリルの許容誤差はIPC-6012Eあたり+/-0.1mmですが、0.2mmの残留スタブは37 GHzでも共振し、112 GbpsのPAM4信号に影響します。
- ✗スタブの共振は双方向であることを忘れてしまいましょう。S21（挿入損失）とS11（リターンロス）の両方にノッチが現れ、信号の劣化と反射の両方を引き起こします。
よくある質問
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