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高速信号-裏面グラウンド間の電界に着目せよ


プリント基板EMC Q＆A

高速信号と基板内電界の基礎

図1　電界が強いほど基板内の寄生容量が増し，不要な結合やクロストークが生じる．高速信号を配線するときは，信号線の高さを無闇に下げすぎないようにする．画像クリックで動画を見る．または記事を読む．［著］櫻井秋久
詳細：［Book/pdf］デシベルから始めるプリント基板EMC即答200

プリント基板におけるEMC設計では，高速信号の配線と裏面グラウンドとの関係が重要です．信号線とグラウンド面の間には電界が形成され，この電界がどのように分布するかによって電磁放射やノイズの発生に大きく影響します．基板設計の初期段階から，この電界の性質を理解しておくことが不可欠です．

3.3Vのディジタル信号を例にすると，信号線とグラウンド面の間に生じる電界強度は，電位差を線路間の距離で割った値に等しいです．すなわち，電圧$V$を一定としたとき，信号線とグラウンド面の距離$D$が小さいほど，電界強度$E$は大きくなるという関係です．これは電磁気学の基本原理に基づくものであり，配線設計において必ず考慮すべき要素です．

電界強度に影響する要因

信号線とグラウンド面との間で形成される電界強度を左右する要因について，いくつかの選択肢が考えられます．以下は代表的な設問例です．

  1. 誘電体の誘電率が増加
  2. 信号の遷移時間が減少
  3. 信号線の幅が減少
  4. 信号線の高さが減少

正しい答えは「信号線の高さが減少」です．電界強度は電圧を一定にした場合，信号線とグラウンド面の距離が短いほど大きくなります．誘電率や遷移時間，線幅といった条件は信号品質や伝送特性に影響することはありますが，電界強度そのものを直接的に大きくする要因ではありません．

基板設計への実務的な示唆

電界強度が増すということは，基板の局所的な電磁結合が強まることを意味します．電界が強ければ強いほど，基板内の寄生容量が増加し，不要な結合やクロストークが発生しやすくなります．高速クロックやシリアルバスの配線においては，信号線の高さを無闇に下げすぎないよう配慮が必要です．

基板設計者は次のような点を意識することが推奨されます．

  1. 信号線とグラウンド面の距離を適切に管理する
  2. 広いグラウンド・プレーンを確保してリターン・パスを安定化する
  3. 高速信号の配線では層構成と誘電体厚さを考慮する
  4. 不要な容量結合を避けるために線幅や層間配置を調整する

動画を見る，または記事を読む

著者紹介

  • 櫻井 秋久
  • 1982年　九州大学大学院総合理工学研究科修了
  • 1982年　日本アイ・ビー・エム株式会社入社．通信端末の製品開発，数値シミュレーションを応用したEMC 製品設計技術の研究，開発に従事
  • 2005年　IBM ディスティングイッシュド・エンジニア，技術開発センター長
  • 2010年　数値気象予測などIBMの基礎研究成果を活用したソリューション開発に従事
  • 2020年　同社退社
  • 2021年　株式会社システムデザイン研究所・顧問，山形大学ナスカ研究所教授．iNARTE EMCマスタ・デザイン・エンジニア
  • クレムソン大学の電気・コンピュータ工学の名誉教授，LearnEMCの社長．MITでBSEE，パデュー大学でMSEE，ノースカロライナ州立大学でPh.D.を取得．IBMで7年間エンジニアを務め，ミズーリ大学ローラ校で17年間教員を務めた後，2006年にクレムソン大学に入社
  • クレムソン大学の車両エレクトロニクスのミシュラン教授として，クレムソン車両エレクトロニクス研究所を設立し，車両エレクトロニクス，電磁適合性，ディジタル・シグナルインテグリティの研究プロジェクトを監督し，授業を担当．
  • 同氏が運営するウェブサイト“LearnEMC”では，自動車，航空宇宙，民生用電子機器の各業界で働くエンジニアを対象に，EMCに関する指導，コンサルティング，設計支援を行っている．
  • 電気電子学会(IEEE)フェロー，Applied Computational Electromagnetics Societyフェロー，IEEE Electromagnetic Compatibility Society Past-President．

著書

  1. ［Book/PDF］デシベルから始めるプリント基板EMC 即答200，ZEPエンジニアリング．

参考文献

  1. ［PDF］デシベルから始めるプリント基板EMC 即答200，ZEPエンジニアリング株式会社．
  2. ［VOD/KIT］ポケット・スペアナで手軽に！基板と回路のEMCノイズ対策 10の定石，ZEPエンジニアリング株式会社．
  3. ［VOD］Gbps超 高速伝送基板の設計ノウハウ＆評価技術，ZEPエンジニアリング株式会社．
  4. ［VOD/KIT］3GHzネットアナ付き！RF回路シミュレーション＆設計・測定入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
  5. ［VOD/KIT］3GHzネットアナ付き！初めてのIoT向け基板アンテナ設計，ZEPエンジニアリング株式会社．
  6. ［VOD］Pythonで学ぶ マクスウェル方程式 【電場編】＋【磁場編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  7. ［VOD］Pythonで学ぶ やりなおし数学塾1【微分・積分】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  8. ［VOD］Pythonで学ぶ やりなおし数学塾2【フーリエ解析】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  9. Pythonではじめる 数値解析入門 [Vol.1 Pythonの開発環境をインストールする]，ZEPエンジニアリング株式会社．
  10. Pythonではじめる 数値解析入門[Vol.2 グラフ描画ライブラリ“Matplotlib”で2次元のグラフを描く]，ZEPエンジニアリング株式会社．
  11. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室，ZEPエンジニアリング株式会社．