FR4基板とストリップ線路の特性

計測のためのA-Dコンバータ実装術

ストリップ線路？//マイクロストリップ線路？

FR4はガラス・エポキシ系の基板材で，多くのA-Dコンバータ実装で用いられます． ストリップ線路構造は，多層基板の内層に信号線を配置し，外部プローブでは直接触れない配置です． この構造では，信号線長と伝送損失が重要な設計パラメータになります．

たとえば，ストリップ線路上で6インチ（約15cm）の伝送路を通した場合の損失を比較した測定では，周波数が上昇するとともに挿入損失が急激に増加する傾向が示されました． 特に10Gbps以上の高速信号では，$-5\,\mathrm{dB}$程度まで損失が増大するため，信号品質が規格を満たさない可能性があります．

伝送損失と設計限界

10Gbpsの信号はおおよそ$5\,\mathrm{GHz}$?$9\,\mathrm{GHz}$に相当します． この帯域では，FR4のストリップ線路でも損失が大きく，コネクタやビアなどの構造が追加されるとさらなる減衰が発生します． 信号線の曲がりや構造的不連続性も，反射や追加損失の原因になります．

以下は，伝送損失に影響を与える主な要因です．

1. 伝送路構造による差異（ストリップ線路/マイクロストリップ）
2. 基板材質ごとの誘電特性
3. 接続部やビアのインピーダンス変化

FR4を用いた場合，5Gbpsから10Gbpsの範囲でも信号品質に大きな制約が発生します． このままでは高周波設計に対応できないケースがあり，ストリップ線路の構造選定が重要になります．

ストリップ線路とマイクロストリップの選定

マイクロストリップ構造は基板の表面に信号線を配置し，片側にグラウンド層をもつ形式です． デバッグがしやすい一方で，外部との結合が発生しやすく，損失がストリップ線路よりも大きくなりがちです． 曲がりの角度や線幅の変化による反射も増加します．

高い周波数帯域まで損失を抑えたい場合は，ストリップ線路のほうが有利です． 材質がFR4など限られている場合には，構造の最適化によって損失を抑えることが検討されます． ただし，ストリップ線路は内部層にあるため，デバッグ作業では工夫が必要です．

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著者紹介

• 1979年　芝浦工業大学　通信工学科卒業
• 同年　Analog Devices of Japan Inc に入社（後にアナログ・デバイセズ株式会社）同社にてアナログ・モジュール開発，Mixedシグナル・テスタのテスト・モジュール開発、高速リニア・カスタム集積回路の開発サポート，汎用リニア製品マーケティング等を担当．

著書

1. OPアンプ増幅回路の2つのゲイン，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD］高速＆エラーレス！5G×EV時代のプリント基板＆回路設計 100の要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD］アナログ・デバイセズの電子回路教室【差動信号とその周辺回路設計技術】，ZEPエンジニアリング株式会社．
4. ［VOD］アナログ・デバイセズの電子回路教室【A-D/D-Aコンバータの使い方】，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．

参考文献

1. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD］高精度アナログ計測回路＆基板設計ノウハウ，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］事例に学ぶ放熱基板パターン設計 成功への要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. ［VOD/KIT］GPSクロック・ジッタ・クリーナ，ZEPエンジニアリング株式会社．
6. ［Book］電子回路とプリント基板のノイズ解決 即答200，ZEPエンジニアリング株式会社．