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伝送線路
(transmission line)

伝送線路とは電磁波をそれに沿って伝搬させるための機構であり、 その代表的なものとしては導波管や同軸線路がある。 この種のものは、主に無線の分野では長年用いられてきたが、 一般の電子技術者にはそれほど馴染みのあるものではないかも知れない。 だが、デジタル信号の高速化に伴い、 デジタル回路において配線を伝送線路として考える必要性も増加している。

高速デジタル信号は非常に高い周波数を含み、波形歪みを生じやすいが、 適切に構成され、 正しく終端された伝送線路を用いることで、 反射に伴う波形歪みの少ない、信号波形のより忠実な伝送が可能となるであろう。

主な伝送線路は、次のようなものである:

多層プリント板においては、 配線層に隣接する層にグランド・プレーンを設けることによって 容易にマイクロストリップ線路を構成できることから、 この構造の伝送線路が用いられることが多い。 必要な場合には、配線層の両側にグランド・プレーンを設けることによって ストリップ線路を構成することもできる。 平衡信号の伝送にはツイスト・ペア・ケーブル が用いられることが多いが、これは平行線路の一種である。

マイクロストリップ線路やストリップ線路を構成する場合、 そのグランド・プレーンには不連続な部分があってはならない。 グランド・プレーンの代わりに電源プレーンを用いて マイクロストリップ線路を構成する場合もあるだろうが、 そのような場合は特にそのプレーンの品質に注意すべきである。 実際のプリント板においては、 ビアによってグランド・プレーンに無数の穴があいているのが普通であり、 これがマイクロストリップ線路の特性を劣化させる原因となる可能性もある。

伝送線路の最も重要なパラメータは、 その特性インピーダンスであろう。 線路の特性インピーダンスは絶縁の誘電率や線路の物理的な寸法によって決定され、 例えばストリップ線路やマイクロストリップ線路の特性インピーダンスは 導体の幅を変えることによって調整できる。 デジタル信号のための伝送線路の特性インピーダンスとしては、 100Ω前後の値が用いられることが多いだろう。

線路を伝搬する信号が高速になればなるほど、線路の 特性インピーダンスを安定に保つことが重要となる。 マイクロストリップ線路の特性インピーダンスは、他のパターンとの距離、 グランド・プレーンの端からの距離、 パターンの幅の変動などの要因によって変動し得るし、 グランド・プレーンとの距離 (プリント板の基材の厚み) や パターン (銅箔) の厚さの変動や、 線路の近傍の他の物体 (プリント板に実装されている部品など) が 影響することさえあるかも知れない。 伝送線路が3箇所以上の回路ノードを接続することも珍しくはないが、 電気的に長いスタブ (分岐) は厳禁と考えるべきであるし、短いスタブや 途中に接続される回路そのものでさえも無視できない影響を持ち得る。

信号の伝搬にはその線路の長さと 伝搬速度によって決まる時間がかかるため、 プロセッサのバスのように高速のパラレル信号を伝送する場合には、 信号のタイミングのずれ (スキュー) による問題を避けるために、 関連する伝送線路の伝搬時間が同一となるような配慮も必要となる。 信号は、伝送線路上を電磁波として伝搬するが、 通常、その伝搬速度は光速よりも遅くなり、 それと同じ割合で波長も短くなる。

伝送線路の特性インピーダンスの計算(近似)


by Tom Sato, 2003-02-28