なぜ50、90、100オームがPCBインピーダンスを支配するのか：制御インピーダンスの背後にある科学と規格

プリント基板（PCB）の世界では、50、90、100オームのインピーダンス値が一般的です。これらの数字は恣意的なものではなく、数十年にわたる工学研究、業界の協力、そして実世界の性能テストの結果です。高速デジタルおよびRF設計では、適切なインピーダンスを選択することが重要です。信号の反射を防ぎ、損失を最小限に抑え、コネクタ、ケーブル、および外部デバイスとの互換性を確保します。

このガイドでは、なぜ50、90、100オームがPCBインピーダンスのゴールドスタンダードになったのかを説明します。各値の背後にある技術的原理、その実用的なアプリケーション（RFトランシーバーからUSBポートまで）、およびこれらの規格を無視した場合の結果について掘り下げていきます。5Gアンテナを設計する場合でも、USB-Cインターフェースを設計する場合でも、これらのインピーダンス値を理解することで、信号の完全性を最適化し、EMIを削減し、PCBが他のコンポーネントとシームレスに連携するようにすることができます。

主なポイント
 1.50オーム：シングルエンドRFおよび高速デジタルトレースの普遍的な標準であり、電力処理、信号損失、および電圧許容度をバランスよく調整します。5G、Wi-Fi、および航空宇宙システムに不可欠です。
 2.90オーム：USB差動ペア（2.0/3.x）の定番であり、民生用電子機器におけるクロストークを最小限に抑え、データレートを最大化するために選択されています。
 3.100オーム：イーサネット、HDMI、およびSATAインターフェースを支配し、長距離にわたる差動信号伝送におけるノイズ耐性を最適化しています。
 4.標準化の利点：これらの値を使用することで、ケーブル、コネクタ、および試験装置との互換性が確保され、設計の複雑さと製造コストが削減されます。
 5.インピーダンス制御：トレースの形状、基板材料、および層スタックアップは、インピーダンスに直接影響します。わずかな偏差でも、信号の反射やデータエラーが発生する可能性があります。

PCBインピーダンスの科学
インピーダンス（Z）は、交流（AC）に対する回路の抵抗を測定し、抵抗、容量、およびインダクタンスを組み合わせたものです。PCBでは、制御されたインピーダンスにより、特に高周波（>100MHz）で信号が歪みなく伝搬されます。インピーダンスがトレースに沿って一貫している場合、信号エネルギーはソースから負荷に効率的に転送されます。ミスマッチは反射を引き起こし、データが破損し、EMIが増加し、範囲が減少します。

PCBトレースのインピーダンスを決定するものは何ですか？
インピーダンスは5つの主要な要因に依存し、これらはすべて設計および製造中に厳密に制御する必要があります。

1.トレース幅：トレースが広いほどインピーダンスが低下し（容量が増加）、トレースが狭いほどインピーダンスが上昇します。
2.トレースの厚さ：厚い銅（例：2oz）は、薄い銅（0.5oz）と比較してインピーダンスを下げます。
3.誘電体厚さ：トレースと最も近いグランドプレーンとの距離。誘電体が厚いほどインピーダンスが上昇します。
4.誘電率（Dk）：FR-4（Dk = 4.0〜4.8）などの材料は信号伝搬を遅くします。Dkが低い材料（例：Rogers 4350、Dk = 3.48）はインピーダンスを増加させます。
5.トレース間隔：差動ペアの場合、間隔が狭いほど容量性結合が増加するため、インピーダンスが低下します。

エンジニアは、フィールドソルバーツール（例：Polar Si8000）を使用してこれらの変数を計算し、±10％の許容範囲で目標インピーダンスを達成します。これは、高速設計に不可欠です。

なぜ50オームがシングルエンドトレースの普遍的な標準なのか
50オームは、PCBで最も広く使用されているインピーダンスであり、特にシングルエンドRFおよび高速デジタル信号に使用されます。その優位性は、3つの重要な性能指標の完璧なバランスから生まれています。
1.電力、損失、および電圧のバランス
初期のRFエンジニアは、単一のインピーダンス値では3つの主要なパラメータすべてを最適化できないことを発見しました。

a.最小信号損失：〜77オーム（マイクロ波リンクなどの長距離通信に最適）。
b.最大電力処理：〜30オーム（高出力送信機で使用されますが、電圧破壊を起こしやすい）。
c.最大電圧許容度：〜60オーム（アーク放電に抵抗しますが、信号損失が大きくなります）。

50オームは、3つのカテゴリすべてで許容できる性能を提供する実用的な妥協点として登場しました。5G基地局からWi-Fiルーターまで、ほとんどのアプリケーションで、このバランスにより、特殊なコンポーネントを使用せずに信頼性の高い動作が保証されます。

2.ケーブルとコネクタとの互換性
50オームは、RFシステムのバックボーンである同軸ケーブルがこのインピーダンスで最適に動作するため、標準化されました。初期の同軸設計（例：RG-58）は、損失を最小限に抑え、電力伝送を最大化するために50オームのインピーダンスを使用しました。PCBがこれらのケーブルと統合されるにつれて、コネクタでのインピーダンスミスマッチを回避するために、50オームがデフォルトになりました。

今日、ほぼすべてのRFコネクタ（SMA、N型、BNC）は50オーム定格であり、ワイヤレス設計でこの規格を避けることは不可能です。50オームのPCBトレースと50オームのコネクタおよびケーブルを組み合わせることで、<1％の信号反射が保証されます。これは、5Gおよびレーダーシステムで範囲を維持するために不可欠です。

3. FR-4を使用した実用的な製造
最も一般的なPCB基板であるFR-4は、50オームのトレースの実現を簡素化します。一般的な4層FR-4 PCB（厚さ1.6mm）に1ozの銅トレース（幅13mils）と50milの誘電体層を使用すると、自然に50オームになります。この互換性により、製造の複雑さとコストが削減され、製造業者は標準的なプロセスを使用して厳しいインピーダンス許容度を達成できます。

4. 50オームの実世界でのアプリケーション
50オームは、シングルエンドの高周波信号を使用するすべての設計に不可欠です。

a.5Gおよびセルラー：基地局、スモールセル、およびユーザー機器（UE）は、3GPP準拠の信号伝送に50オームのトレースを使用しています。
b.航空宇宙および防衛：レーダーシステム、衛星トランシーバー、および軍用無線は、信頼性の高い長距離通信に50オームを使用しています。
c.試験装置：オシロスコープ、信号発生器、およびスペクトルアナライザは50オーム用に校正されており、正確な測定が保証されます。
d.自動車用レーダー：77GHz ADASレーダーモジュールは、コンパクトな設計で損失を最小限に抑えるために50オームのトレースを使用しています。

なぜ90オームと100オームが差動ペアを支配するのか
差動信号伝送（2つの相補的なトレース（正と負）を使用）は、高速デジタルシステムにおけるノイズとクロストークを削減します。シングルエンド信号とは異なり、差動ペアは差動インピーダンス（2つのトレース間のインピーダンス）に依存し、90オームと100オームが特定のインターフェースの標準として登場しています。

1. 90オーム：USB規格
USB（Universal Serial Bus）は民生用電子機器に革命をもたらし、90オームの差動インピーダンスを採用したことは偶然ではありません。USB Implementers Forum（USB-IF）は、3つの主要なニーズのバランスを取るために90オームを選択しました。

a.データレート：USB 2.0（480Mbps）およびUSB 3.x（5〜20Gbps）は、クロストークが少ないことを必要とします。これは、90オームペアが狭いトレース間隔（通常は1oz銅で5〜8mils）で実現します。
b.ケーブル互換性：USBケーブルは90オームのインピーダンスを持つツイストペアを使用します。PCBトレースを一致させることで、コネクタでの反射を防ぎます。
c.製造可能性：90オームペアは、標準的なFR-4 PCBで簡単に製造できます。一般的なUSB 3.0トレース（幅8mils、間隔6mils、1oz銅）は、±10％の許容範囲で90オームになります。

2. 100オーム：イーサネット、HDMI、およびSATA
100オームは、ノイズ耐性が重要な長距離デジタルインターフェースの標準です。

a.イーサネット：IEEE 802.3規格（10BASE-Tから100GBASE-T）は、100オームの差動インピーダンスを義務付けています。この値は、Cat5e/Cat6ケーブルのクロストークを最小限に抑えます。これらのケーブルも100オームのツイストペアを使用しています。PCBトレース（幅10mils、間隔8mils）は、このインピーダンスに一致し、100m以上の距離での信頼性の高いデータ伝送を保証します。
b.HDMI：High-Definition Multimedia Interfaceは、最大48Gbps（HDMI 2.1）でビデオ/オーディオ信号を送信するために100オームペアを使用します。厳密なインピーダンス制御はEMIを削減し、ホームシアターシステムに不可欠です。
c.SATA：Serial ATAインターフェース（ハードドライブで使用）は、最小限のエラーで6Gbpsのデータレートを達成するために100オームペアに依存しています。

3.なぜ差動インピーダンスがシングルエンドと異なるのか
差動インピーダンスは、単にシングルエンド値の2倍ではありません。たとえば、100オームの差動ペアは、2つの50オームのシングルエンドトレースで構成されていません。代わりに、2つのトレース間の結合に依存します。

a.容量性結合：トレースが近いほど容量が増加し、差動インピーダンスが低下します。
b.誘導性結合：間隔が狭いほどループインダクタンスが減少し、インピーダンスも低下します。

この結合が、90〜100オームが差動ペアに最適な理由です。実質的に小さいトレース間隔を必要とせずに、結合とノイズ耐性のバランスを取っています。

標準インピーダンス値を無視した場合の結果
非標準インピーダンス（例：RFの場合は60オーム、USBの場合は80オーム）を使用することは、小さな設計上の選択肢のように思えるかもしれませんが、測定可能な性能問題につながります。
1.信号反射とデータエラー
インピーダンスのミスマッチは、不連続性（例：75オームのコネクタに接続された50オームのトレース）から信号を反射させます。これらの反射は元の信号と混ざり合い、以下を引き起こします。

a.リンギング：デジタルデータを破損させる振動（例：1が0になる）。
b.オーバーシュート/アンダーシュート：敏感なコンポーネント（例：FPGA）を損傷する電圧スパイク。
c.タイミングジッタ：データレートを低下させる信号タイミングの変動。

10Gbpsでは、10％のインピーダンスミスマッチ（50オーム対55オーム）でさえ、ビットエラー率（BER）を10倍に増加させる可能性があります。これは、高速リンクを使用できなくなるほどです。

2. EMIの増加と規制違反
インピーダンスのミスマッチは電磁放射を生成し、反射信号は小さなアンテナのように機能します。このEMIは、以下を引き起こす可能性があります。

a.近くの回路に干渉する（例：5GモジュールがGPS受信機を妨害する）。
b. FCC/CEエミッションテストに失敗し、製品の発売を遅らせる。
c.自動車規格（例：CISPR 25）に違反し、ADASシステムに不可欠。

3.ケーブルと試験装置との非互換性
ほとんどの既製コンポーネント（ケーブル、コネクタ、プローブ）は、50、90、または100オーム用に設計されています。非標準値を使用すると、カスタムコンポーネントが必要になり、以下が発生します。

a.コストが20〜50％増加する（例：カスタム60オーム同軸ケーブル）。
b.リードタイムが長くなる（特殊なコネクタには12週間以上のリードタイムが必要になる場合があります）。
c.テストオプションが制限される（ほとんどのオシロスコープと信号発生器には50オーム入力があります）。

4.ケーススタディ：10オームのミスマッチのコスト
産業用イーサネットスイッチのメーカーが、誤って100オームではなく90オームの差動トレースを設計しました。その結果、

a.信号反射により、1Gbpsで10％のパケット損失が発生しました。
b.再テストと再設計により、プロジェクトのタイムラインに8週間が追加されました。
c.カスタム90オームケーブルにより、BOMコストがユニットあたり15ドル増加しました。
d.製品はIEEE 802.3に準拠せず、リコールが必要になりました。

PCB設計で制御されたインピーダンスを達成する方法
50、90、または100オームの設計には、形状、材料、および製造プロセスへの注意深い注意が必要です。精度を確保するには、次の手順に従ってください。
1.適切な基板材料を選択する
PCB材料の誘電率（Dk）は、インピーダンスに直接影響します。50オームRFトレースの場合：

a.FR-4：低コスト設計に適しています（Dk = 4.0〜4.8）が、Dkは周波数と湿度によって異なります。
b.Rogers 4350B：高周波（>10GHz）設計に最適です（Dk = 3.48±0.05）。温度全体で安定したインピーダンスを提供します。
c.PTFEベースの材料：航空宇宙で使用されます（Dk = 2.2）が、高価で製造が困難です。

差動ペア（90/100オーム）の場合、FR-4はほとんどの民生用電子機器で十分ですが、Rogers材料は10Gbps以上の設計に予約されています。

2.トレース形状を最適化する
フィールドソルバーツールを使用して、トレース幅、間隔、および誘電体厚さを計算します。

a.シングルエンド（50オーム）：50mil誘電体を使用したFR-4（Dk = 4.5）上の1oz銅トレースには、13milの幅が必要です。
b.USB（90オーム）：50mil誘電体上の2つの幅8milのトレースと6milの間隔で90オームを達成します。
c.イーサネット（100オーム）：50mil誘電体上の2つの幅10milのトレースと8milの間隔で100オームを達成します。

トレースの真下に必ずグランドプレーンを含めてください。これにより、インピーダンスが安定し、EMIが削減されます。

3.メーカーと協力する
製造業者は、インピーダンスに影響を与える独自の機能を持っています。

a.エッチング許容差：ほとんどのショップは±10％のインピーダンス制御を達成しますが、ハイエンドメーカー（例：LT CIRCUIT）は、重要な設計に対して±5％を提供します。
b.材料の変動：FR-4またはRogers材料のバッチのDkテストデータを要求します。Dkは±0.2変動する可能性があります。
c.スタックアップ検証：誘電体厚さと銅重量を確認するために、試作スタックアップレポートを要求します。

4.テストと検証
製造後、次の方法でインピーダンスを確認します。

a.時間領域反射測定（TDR）：反射を測定して、トレースに沿ったインピーダンスを計算します。
b.ベクトルネットワークアナライザ（VNA）：周波数全体のインピーダンスをテストします（RF設計に不可欠）。
c.信号完全性シミュレーション：Keysight ADSなどのツールは、アイダイアグラムとBERを予測し、USB 3.2やイーサネットなどの規格への準拠を保証します。

FAQ：一般的なインピーダンスの神話と誤解
Q：RF設計に50オームの代わりに75オームを使用できますか？
A：75オームは信号損失を最小限に抑えます（ケーブルテレビに最適）が、ほとんどのRFコネクタ、アンプ、および試験装置は50オームを使用しています。75オームのPCBは、50オームのコンポーネントに接続すると20〜30％の信号反射が発生し、範囲が減少し、EMIが増加します。

Q：USBとイーサネットが異なる差動インピーダンスを使用するのはなぜですか？
A：USBはコンパクトさ（短いケーブル、狭いトレース間隔）を優先し、90オームを支持します。イーサネットは長距離伝送（100m以上）に焦点を当てており、100オームはマルチペアケーブルのクロストークを削減します。これらの値は、相互運用性を確保するために、それぞれの規格に固定されています。

Q：すべてのPCB層で制御されたインピーダンスが必要ですか？
A：いいえ。高速信号（>100Mbps）のみが制御されたインピーダンスを必要とします。電源、グランド、および低速デジタル層（例：I2C、SPI）は、制御されていないインピーダンスを使用できます。

Q：インピーダンス許容度はどの程度厳密である必要がありますか？
A：ほとんどの設計では、±10％で許容されます。高速インターフェース（例：USB4、100Gイーサネット）は、BER要件を満たすために±5％が必要です。軍事/航空宇宙設計では、極度の信頼性のために±3％を指定する場合があります。

Q：同じPCBでインピーダンス値を混在させることはできますか？
A：はい。ほとんどのPCBには、50オームのRFトレース、90オームのUSBペア、および100オームのイーサネットペアがあります。異なるインピーダンスドメイン間のクロストークを防ぐために、絶縁（グランドプレーン、間隔）を使用します。

結論
PCB設計における50、90、100オームの優位性は偶然ではありません。これらの値は、性能、互換性、および製造可能性の最適なバランスを表しています。50オームは、シングルエンドRFおよび高速デジタルシステムで優れており、90オームと100オームは、USB、イーサネット、およびHDMIにおける差動信号伝送のニーズに合わせて調整されています。これらの規格を遵守することにより、エンジニアは、既存のケーブル、コネクタ、および試験装置とシームレスに連携する設計を確保し、リスク、コスト、および市場投入までの時間を削減します。

これらのインピーダンス値を無視すると、信号反射、EMI、およびプロジェクトを脱線させる可能性のある互換性の問題など、不必要な複雑さが生じます。5Gスマートフォンを設計する場合でも、産業用イーサネットスイッチを設計する場合でも、制御されたインピーダンスは後付けではなく、性能と信頼性に直接影響する基本的な設計原則です。

高速技術が進化するにつれて（例：100Gイーサネット、6Gワイヤレス）、50、90、100オームは引き続き重要になります。それらの寿命は、新しい材料とより高い周波数に適応しながら、エレクトロニクス業界を牽引する相互運用性を維持する能力から生まれています。

エンジニアにとって、重要なことは明らかです。これらの規格を採用し、メーカーと緊密に連携してインピーダンス制御を確認し、シミュレーションツールを使用して設計を検証します。そうすることで、最も要求の厳しいアプリケーションでも、一貫した信頼性の高い性能を提供するPCBを作成できます。

PCBレイアウトを見直すときは、これらの数字（50、90、100）が単なる抵抗値以上のものがあることを忘れないでください。それらは、設計が意図したとおりに接続、通信、および実行されることを保証する、数十年にわたるエンジニアリングの知恵の結果です。