信号伝播について最近の考察
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以前自分のＨＰに電磁波伝播というタイトルを載せましたが
最近もいろんな本を読んでいて 益々 そうじゃないかなと
思うようになりました
話は前後するかもしれないけれど
クロストークについて書かれた本を読んでいました
その中で同じ方向に伝播する信号間と
逆方向に伝播する信号間でインピーダンスが異なるとの事
詳しい数式は各自で専門書を読んでもらうとして
なぜ異なるのか？
また 基板の外層や内層のパターンで伝播速度がなぜ遅くなるのか？
まあ 解かりきっている人には馬鹿みたいな問題ですね
でも自分は解からなかった 今でも正確にわかってはいないと思います
なにせ数式は苦手ですから 本当は技術者の端くれとして数学くらい
使いこなせなければいけないのでしょうが ．．．
信号が銅箔の中だけで伝播すると考えると この答えは出てきません
信号は 電界＞磁界＞電界＞磁界の繰り返しでパターン上をなぞって
伝播していくのだ！と考えた時 ああ そうなのか！と納得出来ます
平行パターンで同じ方向に伝播する時 相対する面では
磁界どうしの衝突が起きます その分がブレーキになって
磁界の発生、電界の誘導が遅れます
この現象がコモンモードインピーダンスの上昇となって現れると考えます
平行パターンで逆方向に伝播する時 相対する面では
磁界の方向が同じになるので 加速され
磁界の発生、電界の誘導が速くなります
これがデファレンシャルモードインピーダンスの低下で現れると考えます
念の為申し上げますが これはあくまで自分の考察でして
その真贋のほどは解かりませんよ
信号は 電界＞磁界＞電界＞磁界の繰り返しでパターン上をなぞって
伝播していくのだ！とすると 基板上のパターンなんて意味がないだろうと
思われるでしょう
半分正解半分はずれかな
あくまでインピーダンスの低いほうへ伝播するので
結局はじぶんのパターン上に伝播していきます
でも隣のパターンへまったく伝播しない訳ではないのです
中にはひねくれものも居ますので
ただ同じ方向への伝播はインピーダンスが上がるので
少なく 帰路として（ＧＮＤ）伝播するときは クロストークとして
影響は出るでしょう
品質の良い基板をめざすのは どこの基板設計屋さんも変わらないでしょう
回路図面どうりの結線は当たり前です
部品実装の間違いも無いのが当たり前（これがなかなか苦しいのだが）
ＩＣとＩＣ間を繋いだとき伝送線路として機能するのも
当たり前で 回路設計者との打ち合わせであえて話題にする事もないでしょう
今でも自分の仕事を人に説明する時は 部品を並べ線を繋ぐだけ！ と言います
半分正解半分嘘ですよね でもこれを商売としている人でも
全部正解として仕事している人もいるようです
自分は大きな声で言いたい
プリント基板だって立派な電子部品だーーーー と
目に見えないＣ，Ｒ，Ｌをコントロールして 正しく伝送しなければいけないのだ
そんな訳で とりあえずインピーダンスの波形観測でもと思い
精密工業試験場へ出掛けていきました
インピーダンスの制御が出来ればかなりノイズ対策になるだろうと
思っていたのですが どうもさにあらず 近いうちに又話を聞きにいくことに
なりました
試験場の過去の試験レポートを読ませてもらったなかで
個々のパターンよりも電源，ＧＮＤからのノイズ輻射が大きいとの
結果を目にしました
目が点
実のところ現実逃避かもしれないけど ＧＮＤは安定している
全ての基準電位との仮定の基 いろいろ考えてきました
パスコンの位置、パターン引き回し あれこれ
実際には基板が地球に括り付けられて使われるなんて
まず有り得ない事で ９９．９９％は地球からはふらふら浮いている訳です
この事実は承知はしていました
プラスチックの筐体に入るのでＧＮＤはアースにつながっていない
繋がってもほんのわずかな線だけ
でもＧＮＤは基準なのだと信じ それいじょうは考えて来ませんでした
でも実際のところ基板のＧＮＤはふらふらしているんです
それじゃ どうしましょ ．．．．．．？？？？？
そこで考えたのが 差動回路という事です
差動回路はＳＣＳＩのＬＶＤ回路あたりから意識しはじめた言葉です
２本のパターンの電位差から信号を読み取るものですが
考えてみれば電源回路だって基本は差動な訳です
これを読んで 当たり前だと言わんでください 小生やっとたどり着いた
結論ですから
で、差動回路として 具体的にどう対処するのか？
ここでクロストークインピーダンスが出てきます
電源、ＧＮＤパターンを隣り合うように引き回せば
このパターンのインピーダンスは低くなります
電源の低インピーダンス化はノイズ対策には必要なことなので
必ずそのように引き回しをします
そして電源とＧＮＤの面積をなるべく同じにします
今まで電源は必要なだけ確保して 残りはＧＮＤべたにする傾向が
あったけど これを止めて電源パターンを確保できるところは
広くとるようにしました
今まで ＳＯＰの裏面を電源、ＧＮＤを取る場合Ａ／Ｗのし易さを
考えＰＡＤの直下に電源、ＧＮＤパターンを引きました
そうすると電源、ＧＮＤ間のインピーダンスはとても高くなります
でもつまるところパターンが引けなければ仕方ないので
そうならない箇所も出てきます
でもまあ 意識してＡ／Ｗする場合としない場合ではおのずと
結果は違ってくるので 良しとしましょう
差動パターンの線路間インピーダンスは大体１１０Ω指定が多いのですが
これによると基板だけのインピーダンス測定では意味がない？のかな
ＨＰ上で紹介されているコプレーナーインピーダンス測定では
そのような計算がされているのだろうか？
あくまで差動回路としてのインピーダンス計算だから それなりの答えが
求まるのかなと考えたりします
えーと インピーダンスの変化について
いろんな書籍や試験場で聞いた話では４５度でのパターンに於ける
インピーダンスの変化はほとんど無いとのこと
現在お客の協力で試作基板の隅に測定パターンを作り
基板が手元にくるのを楽しみにしています
それは現実的な要素を加味したもので
４パターン作りました
１：３０ｍｍの直線後０．７φランド０．４φスルーホールで
裏面にもぐり３０ｍｍの直線
２：上でＶＩＡの代わりに０．６Ｘ２．０角ＰＡＤを置き
同じ層のみのパターン
３：ＰＡＤ形状を１．４φ０．８φスルーホールにしたもの
４：ＰＡＤ形状は同じでＰＡＤ前後２０ｍｍは故意にインピーダンスを
２倍にしたもの
です
１について同じ幅の直線や４５度屈折パターンではインピーダンスは変化しないので
実際に使うＶＩＡでどのように変化するのか？
２は実際に使うＳＯＰ ＰＡＤでの変化
３は実際に使うスルーホールぱＤでの変化
４はスルーホールＰＡＤでのインピーダンス低下を見越しその前後で
わざとパターンインピーダンスを上げてＰＡＤ付近のインピーダンス変化を見る
をテーマにしています
ＶＩＡも実際に信号が流れるとＬ成分、信号が流れなければＣ成分が効いてくると
思われます
今期待している事はＳＯＰＰＡＤのＣ成分によるインピーダンス低下を
電流の流れるＶＩＡでインピーダンスを平坦化出来るのではないかという事
予想される応用例として
ＶＩＡがインピーダンスの急激な変化をもたらすため
ＶＩＡをパターンの中間付近にいれるようなＡ／Ｗ
又 極力ＶＩＡを使わないＡ／Ｗへの技術的なバックボーン
を考えています
なぜ中谷はこのような事をＨＰで公表するのか
黙っていれば自分一人の技術になるのに！ と思う人は多いでしょう
はっきり言って それほど重要な技術とは思っていないため
及び 耳学問ではその人の肉や血にはならないから
こうやって書く事で自分自身の勉強になり自分自身のために
なるからです
これ見て解かる人は見なくても解かるし
解からん人は 見ても解からないし
こうゆう事を考えている人間が居るという事を知ってもらえれば良いかと
考えています
ついでに仕事がくればいう事無しですね
先に電源、ＧＮＤの低インピーダンス化を図る記述をしましたが
電源、ＧＮＤパターンは信号線と違いパターン太さは変化します
供給点から最大消費点に回路が構成された場合
その間の経路幅はとても変化するので
インピーダンスは変化し反射もすざましいでしょう
反射の絶対幅を抑えるためにも 極力インピーダンスを下げなければいけないと
考えています
しかしこれだけで基板のノイズが下がる訳ではないところが
つらいですね
今日は終わり
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