差動インピーダンスとは何か
差動インピーダンスとは、一対の差動線が高速信号に対して示す特性インピーダンスのことで、単位はオームです。これはマルチメータで読み取る導線の直流抵抗ではなく、ケーブルの幾何構造で決まる、信号が伝送線路上で感じるインピーダンスです。実務で出てくる目標値は 2 つだけ——90Ω と 100Ω です。
どちらが必要かは好みの問題ではありません。プロトコルが決めます。
90 の領分と 100 の領分
| インターフェース／プロトコル | 目標差動インピーダンス |
|---|---|
| USB 2.0 / 3.x | 90Ω |
| LVDS | 100Ω |
| eDP / DisplayPort | 100Ω |
| HDMI | 100Ω |
| MIPI D-PHY | 100Ω |
| Gigabit Ethernet（ペアあたり） | 100Ω |
法則は一目で分かります。高速差動プロトコルの大半は 100Ω で、USB だけが目立つ 90Ω の例外です。そこで現場では実用的な目安があります——USB の差動ペアを見たら 90Ω、それ以外の高速ペアはまず 100Ω から始め、その後データシートで確認する、というものです。
なぜ 10Ω のために争う価値があるのか
信号はチップからコネクタへ、さらにケーブルへと進みますが、インピーダンスが急変するたびにエネルギーの一部が反射して戻ります。反射は元の信号に重なり、受信端のアイは削られていきます——レートが高くリンクが長いほど悪化します。
短いリンクも免罪符ではありません。レートを上げれば、10Ω の不整合がもともと少ない余裕を食い尽くし、結果として断続的なビット誤り、点灯しないディスプレイ、高温時の不安定動作が起こります——いずれも最も切り分けにくい故障です。
ケーブルはどうやって目標インピーダンスに到達するか
差動インピーダンスは、いくつかの構造パラメータが組み合わさって決まります——導体径と 2 線間の間隔、絶縁体の比誘電率、撚りピッチ、そしてシールドまでの距離です。カスタムアセンブリではこの問題を逆から解きます——まず目標インピーダンスを定め、次に完成ケーブルが目標値の近くに収まるようこれらの要素を設計し、最後に TDR などでインピーダンスが長手方向に平坦に保たれているかを検証します。
言い換えれば、目標インピーダンスは設計入力であって、作った後に測って運を天に任せる数値ではありません。
選定のただ一つのルール
- インピーダンスの目標は、プロトコルと両端チップのデータシートから決まります——まず仕様を確認し、それから構造を設計する。
- 1 つのアセンブリが複数のプロトコルを束ねる場合（たとえば USB ペアと LVDS ペアを同居させる場合）、各差動ペアをそれぞれの目標インピーダンスで設計し、すべてを一つの値に丸めないこと。
- 判断に迷ったら、プロトコル・チップ型番・データレートをエンジニアリングに渡して一緒に確認するほうが、記憶した数値に頼るより確実です。
