差動配線でノイズを抑えるには？長さ・間隔・配線経路の注意点

高速通信やデジタル回路では、ノイズの影響を抑えながら信号を安定して伝えるために「差動配線」が使われます。USBやEthernet、LVDSなどで使われる代表的な方法で、2本の信号線を一組として扱うのが特徴です。

差動配線はノイズに強い方式ですが、2本の配線長や間隔、リターンパス、周囲の配線状態が適切でなければ、本来の性能を十分に発揮できないことがあります。

この記事では、差動配線でノイズを抑える仕組みや、長さ・間隔・配線経路で注意したいポイントを解説します。

差動配線は2本の信号線の差を利用する

差動配線では、2本の信号線に互いに反対方向へ変化する信号を流します。

受信側では、それぞれの電圧そのものではなく、2本の電圧差を見て信号を判断します。

この方式の大きなメリットは、外部から同じように入り込んだノイズを打ち消しやすいことです。

たとえば、2本の信号線に同じ大きさのノイズが加わった場合、受信側で差を取ると、そのノイズ成分は小さくなります。

このため、差動信号はシングルエンド信号よりもノイズの影響を受けにくく、高速通信にも適しています。

2本の配線長はできるだけそろえる

差動配線では、2本の信号が同じタイミングで受信側へ到達することが重要です。

配線長に差があると、一方の信号だけが遅れて届き、2本のタイミングにずれが生じます。

このずれが大きくなると、受信側で正しく差分を判断しにくくなり、信号品質の低下につながることがあります。

特に高速信号では、わずかな配線長の違いでも影響が出る場合があります。

そのため、差動ペアはできるだけ同じ長さになるように配線します。

必要に応じて片側の配線を蛇行させて長さを合わせる方法もありますが、過度な蛇行は不要な結合を増やす可能性があるため、必要最小限にとどめることが大切です。

2本の間隔を大きく変えない

差動配線では、2本の信号線の間隔も重要です。

配線途中で間隔が大きく変わると、差動インピーダンスが変化し、信号反射の原因になる場合があります。

そのため、できるだけ一定の間隔を保ちながら配線します。

また、2本を適度に近づけることで、外部から受けるノイズを両方の線で共通化しやすくなります。

ただし、極端に近づければよいわけではありません。基板の層構成や配線幅、誘電体の厚さなどによって適切な差動インピーダンスが変わるため、設計条件に合わせて間隔を決める必要があります。

差動ペアの周囲に他の信号線を近づけすぎない

差動ペアそのものを適切に配線していても、近くに高速クロックや大きな電流が流れる配線があると、ノイズが結合することがあります。

特に、差動ペアと別の信号線を長い距離にわたって平行に通すと、クロストークが発生しやすくなります。

そのため、差動ペアの周囲には十分な距離を確保し、ノイズ源となる回路から離して配線することが大切です。

スイッチング電源やクロック回路、モーター駆動回路などの近くを通す場合は、配線経路を見直すことも検討しましょう。

連続したリターンパスを確保する

差動信号でも、リターン電流の経路は重要です。

理想的な差動信号では2本の信号線の電流が互いに戻り経路として働きますが、実際には完全にバランスしているとは限らず、グラウンドプレーンにもリターン電流が流れます。

そのため、差動ペアの直下には、できるだけ連続したグラウンドプレーンを確保します。

グラウンドプレーンの分割部分や大きなスリットをまたぐと、リターン電流が迂回し、信号品質や放射ノイズに影響することがあります。

高速な差動信号では、信号線だけを見るのではなく、その下のプレーン構成まで確認することが重要です。

ビアを使う場合は2本を同じ条件にする

差動配線を別の層へ移動するためにビアを使用することがあります。

この場合、一方だけビアの数が多かったり、ビアの位置が大きくずれたりすると、2本の電気的な条件が異なります。

その結果、信号の到達時間やインピーダンスに差が生じる可能性があります。

できるだけ2本を同じ位置関係で層間移動させ、ビアの数や構造もそろえることが大切です。

高速信号では、ビアによる寄生成分も無視できない場合があるため、必要以上に層を行き来しない配線を心がけます。

コネクタまで一貫して差動ペアとして扱う

差動配線は、基板上だけ整えても十分ではありません。

ICからコネクタ、さらにケーブルまで含めて、できるだけ一貫した差動経路を作ることが重要です。

コネクタ付近で2本が大きく離れたり、一方だけ長い配線になったりすると、そこでバランスが崩れることがあります。

また、ケーブルへ接続する場合は、ツイストペアなど差動伝送に適したケーブルを使うことで、外来ノイズの影響をさらに抑えやすくなります。

まとめ

差動配線は、2本の信号線の電圧差を利用することで、外部から共通して入るノイズの影響を抑えやすい伝送方式です。

ただし、その効果を十分に得るには、2本の配線長をそろえ、間隔を一定にし、他の高速信号やノイズ源から距離を取ることが重要です。

また、差動ペアの直下には連続したグラウンドプレーンを確保し、ビアやコネクタ部分でも2本の条件をできるだけそろえます。

差動配線は「2本を並べればよい」のではなく、基板からコネクタ、ケーブルまで含めて一つの伝送路として設計することが、ノイズや信号品質の問題を防ぐポイントです。