10Gbps時代の基板設計 USB TypeCコネクタの配線

良い例 vs 悪い例 差動信号の引き出し方

USB Type-Cと差動信号配線の重要性

10Gbps時代の基板設計では，高速信号の正確な伝送が求められます．その中心は「差動信号の配線技術」です．

差動信号とは，正相（$pL$）と逆相（$nL$）の2つの信号が互いに打ち消し合う形で伝送されるため，外部ノイズに強く，高い信号品質を確保できます．USB Type-Cコネクタは，これを最大限活用するために設計されており，高速伝送の要件に応じた配線設計が求められます．

USB Type-Cコネクタ設計の注意点

USB Type-Cコネクタは，SMD実装（面実装）が基本であり，スルーホールの使用は避けるのが定石です．スルーホールは高周波信号の伝送に適しておらず，信号損失や反射を引き起こす可能性があります．差動信号の近傍にノイジ・パターンを配置しないことも大切です．これにより，ノイズの影響を最小限に抑え，高品質な信号伝送を実現できます．

高速伝送パターン設計の基本

高速信号配線では，急角度の曲げやビアの使用を最小限に抑えることが基本です．急角度の曲げは信号の反射を引き起こし，波形のひずみを招きます．そのため，配線の曲げ角度は$\alpha \geq 135^\circ$が推奨されます．

ビアを通過する信号についても慎重に設計する必要があります．ビアの配置が適切でない場合，特性インピーダンスが変化し，信号品質が低下します．差動信号用のビアは，ペア間の対称性を維持するよう配置し，ビアのスタブ共振を防ぐ工夫が求められます．

差動信号のしくみと特性

差動信号は，正相信号（$pL$）と逆相信号（$nL$）の差分を利用して情報を伝達する方式です．この構造により，外部ノイズが同じ方向に影響を与えた場合でも信号の差分に影響を及ぼさないため，高い信号対ノイズ比（$SNR$）を実現できます．また，差動信号では信号の偶モード（$Z_{0odd}$）と奇モード（$Z_{0even}$）のインピーダンスが重要で，これらを適切に終端することで信号反射を防ぎます．

差動信号の設計要点

1. 特性インピーダンスの管理 差動インピーダンス（$Z_{diff}$）は，通常90$\Omega$（$\pm10\%$）が目標です．これを達成するためには，線幅（$w$），線間距離（$s$），および基板の誘電率（$\varepsilon_r$）を慎重に設定します．また，途中のインピーダンス不連続を最小限に抑えることが重要です．差動信号線がベタ層のスリットを跨がないようにして，特性インピーダンスの変動や信号反射を防ぐことも重要です．
2. 長さの一致
   差動ペア線の長さを揃えることで，信号のタイミングずれ（スキュー）を防ぎます．スキューが発生すると，ノイズ耐性が低下し，伝送エラーの原因になります．蛇行パターンで調整する際には，送信側（TX）で行うことが推奨されます
3. 配線の配置
   差動信号線の近傍にはノイズ源を配置せず，グラウンド（グラウンド）層を適切に設けます．また，ベタ層を跨ぐことを避けることで，特性インピーダンスの変動を防ぎます

〈著：ZEPマガジン〉

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著者紹介

• メーカで高速ディジタル回路と高周波回路の開発設計に30年以上従事．高速回路設計，EMC対策回路設計のコンサルタント

著書

1. ［VOD/KIT］Tinyスペアナ×Tinyネットアナで作る6GHz My実験ベンチ，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］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．
4. ［VOD］小型＆高出力！高効率電源設計のためのSiC/GaNトランジスタ活用 100の要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. ［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．

参考文献

1. ［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．
2. ［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．
3. ［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．
4. ［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．
5. ［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．
6. ［KIT］ミリ波5G対応アップ・ダウン・コンバータ，ZEPエンジニアリング株式会社．
7. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室 [Vol.8 初めての28GHzミリ波伝搬実験]，ZEPエンジニアリング株式会社．