PCBインピーダンス計算機 - マイクロストリップとストリップライン
標準的なIPC式を使ってマイクロストリップとストリップラインのPCB配線インピーダンスを計算し、RFや高速PCBレイアウトで正確なインピーダンス整合を実現します。
配線の形状を選び、物理寸法と誘電特性を入力してから［計算］をクリックすると、特性インピーダンスをオームで取得できます。
PCBインピーダンス計算機 - マイクロストリップとストリップライン
標準的なIPC式を使ってマイクロストリップとストリップラインのPCB配線インピーダンスを計算し、RFや高速PCBレイアウトで正確なインピーダンス整合を実現します。
PCBインピーダンス計算機について
制御インピーダンスは、高速デジタル設計、RF回路、そして信号品質が重要なあらゆるPCBにおける基本要件です。伝送線路の特性インピーダンスがソースや負荷のインピーダンスと一致しないと、信号エネルギーの一部がソース側へ反射されます。こうした反射はリンギング、オーバーシュート、データエラー、そして電磁放射の増加を引き起こします。単端配線の標準目標は 50 Ω、高速デジタル規格の多くで差動は 100 Ω、映像やケーブルテレビ用途では 75 Ω も一般的です。
マイクロストリップは PCB 外層銅箔上の配線で、下に誘電体基板、上に空気があります。電界の一部は空気中（εr = 1）、一部は誘電体中（εr > 1）に広がるため、有効比誘電率はその中間になります。よく使われる閉形式近似は Z₀ = (87 / √(εr + 1.41)) × ln(5.98H / (0.8W + T)) です。ここで W は配線幅、T は配線厚さ、H は配線から最も近い基準平面までの誘電体高さです。すべての寸法は同一単位でそろえる必要があり、この計算機では北米PCB設計の標準である mils（1/1000インチ）を使います。
ストリップラインは PCB スタックアップ内部に埋め込まれた配線で、上下に基準平面があります。周囲の誘電体は均一なので空気の寄与はなく、有効比誘電率は材料の εr に等しくなります。インピーダンス式は Z₀ = (60 / √εr) × ln(4B / (0.67π(0.8W + T))) で、B は2つの基準平面間の総距離です。ストリップラインはEMIシールド性に優れますが、検査や修正はやや難しくなります。
代表的な誘電体材料とおおよその εr は、FR-4 標準が 4.2–4.8（業界では 4.5 を公称値とすることが多い）、Rogers RO4003C が 3.55、Rogers RO4350B が 3.66、Rogers RT/duroid 5880 が 2.20、ポリイミドが 3.5、PTFE が 2.1 です。εr が低いほど信号の伝搬速度は上がり、同じ幾何条件ならインピーダンスは高くなります。
配線厚さは銅箔重量と関係があります。1平方フィートあたり1オンス（1 oz）の銅厚は約 1.378 mils、2オンス銅は約 2.756 mils です。多くの信号配線は1 oz銅を使い、電源プレーンでは2 ozがよく使われます。PCBメーカーは製造時に配線幅を調整してインピーダンスを制御し、一般に制御インピーダンス層では ±10% の精度を保証します。
PCBインピーダンスの例
一般的なPCBスタックアップで 50 Ω を狙う標準構成です。
| 構成 | インピーダンス | 注記 |
|---|---|---|
| マイクロストリップ: W=5.7mil, T=1.378mil, H=4mil, εr=4.5 | ≈ 50 Ω | 標準 FR-4 と 4 mil 誘電体での典型的な単端 50 Ω マイクロストリップ。商用PCB設計で最も一般的な目標インピーダンスです。 |
| マイクロストリップ: W=5mil, T=1.378mil, H=3.3mil, εr=3.66 | ≈ 50 Ω | Rogers RO4350B 上の 50 Ω マイクロストリップです。εr が低いため、同じ誘電体高さで 50 Ω を保つにはより細い配線が必要です。 |
| ストリップライン: W=6.4mil, T=1.378mil, B=20mil, εr=4.5 | ≈ 50 Ω | FR-4 内の埋め込み 50 Ω ストリップラインです。平面間距離 B を指定する必要があり、B を小さくすると 50 Ω を維持するために W を広げる必要があります。 |
| マイクロストリップ: W=14mil, T=1.378mil, H=4mil, εr=4.5 | ≈ 23 Ω | 配線を太くするとインピーダンスは大きく下がります。配線幅を約 5.7 mil から 14 mil に倍増すると、インピーダンスは 50 Ω から約 23 Ω に下がります。低インピーダンス電源配線の設計目安として有用です。 |
PCBインピーダンス計算機の使い方
- 配線形状を選択します。外層配線で上側が空気ならマイクロストリップ、上下に基準平面がある埋め込み配線ならストリップラインです。
- 配線幅 (W) と配線厚さ (T) を mils で入力します。銅厚は銅箔重量に依存し、1 oz ≈ 1.378 mils、2 oz ≈ 2.756 mils です。
- マイクロストリップでは誘電体高さ (H) —— 配線の下側から基準平面までの距離 —— を入力し、ストリップラインでは平面間距離 (B) を入力します。
- PCB材料の比誘電率 (εr) を入力します。標準 FR-4 は約 4.5、Rogers RO4350B は約 3.66、Rogers RT/duroid 5880 は約 2.2 です。
- ［計算］をクリックします。計算機が目標インピーダンスを返すまで配線幅を調整し、その幅を制御インピーダンス仕様としてPCBメーカーに渡します。
PCBインピーダンス計算機 FAQ
なぜ 50 Ω が多くの PCB 配線で標準インピーダンスなのですか？
50 Ω は、最小減衰（空気充填同軸で約 77 Ω）と最大電力処理能力（約 30 Ω）の間にある歴史的な折衷値です。20世紀中頃に軍事およびRF業界で標準化され、その後 USB、PCIe、HDMI、Ethernet を含むほぼすべての RF および高速デジタル規格に広まりました。75 Ω は、ケーブルテレビや放送映像のように減衰の低さがより重要な用途で使われます。
閉形式のインピーダンス式はどのくらい正確ですか？
この計算機で使う Wadell 系の式は、一般的なPCB寸法では約 2–3% の精度です。PCBメーカーは2次元電磁界ソルバー（Polar Si9000 や Saturn PCB Design Toolkit など）を使い、実際の形状に対するマクスウェル方程式を数値的に解いて 1% 未満の精度を実現します。素早い設計見積もりなら解析式で十分ですが、±5% のインピーダンス保証が必要な量産基板ではメーカーのフィールドソルバーを使うべきです。
FR-4 の比誘電率はどのくらいですか？
FR-4 はガラス繊維強化エポキシ積層板です。比誘電率は周波数と吸湿量によって変化し、通常 1 MHz では 4.2〜4.8 の範囲にあります。業界で一般的な公称値は低周波で 4.5 です。10 GHz では Dk はおよそ 4.0〜4.2 に下がります。数 GHz を超える設計では、Rogers RO4350B（Dk 3.66）や RT/duroid 5880（Dk 2.20）のような低 Dk・低損失材料を検討してください。
銅重量は配線インピーダンスにどう影響しますか？
銅が厚いほど（T が大きいほど）配線周囲のフリンジ電界が有効幅を増やすため、インピーダンスはわずかに下がります。同じ誘電体上で 1 oz（1.378 mil）と 2 oz（2.756 mil）の配線を比べると、同じ目標インピーダンスを保つには配線幅をおよそ 1〜2 mil 狭める必要があります。計算機はこの効果を考慮するために T を入力項目に含めています。
マイクロストリップの有効比誘電率とは何ですか？
マイクロストリップでは、電界線の一部が基板を通り、残りが配線上方の空気を通ります。有効比誘電率 εeff はこの2つの媒体の加重平均で、常に 1 と εr の間にあります。これは配線上の信号伝搬速度を決めます: v = c / √εeff。ストリップラインは完全に誘電体内部に埋め込まれるため、εeff = εr です。
制御インピーダンスPCB製造では、どの公差を指定すべきですか？
多くの商用PCBメーカーは、制御インピーダンス層で ±10% のインピーダンス公差を追加費用ほぼなしで保証します。上位のベンダーは、より厳しい工程管理で ±5% や ±7% を実現できます。より厳しい公差には、より頻繁なクーポン試験と高いコストが必要です。ほとんどのデジタル設計では ±10% で十分ですが、数GHzを超えるRF設計では ±5% が必要になることがあります。