配線は何 mm から「伝送線路」になるか

エッジが往復する間に、電圧が変わりきるか

配線の端に信号を入れると、反対側に届くまでに伝搬遅延 t_pd がかかります。FR-4 のマイクロストリップで 6〜7ps/mm、ストリップラインで 7ps/mm 前後で、50mm の配線なら片道 300〜350ps です。

立ち上がり時間 t_r が往復時間（2·t_pd）より十分長ければ、反射がエッジの間に落ち着き、配線全体が同じ電圧とみなせます（集中定数）。短ければ、送端と受端で電圧が違う瞬間があり、反射が波形に見えます（分布定数、つまり伝送線路）。

境目の目安は、配線の遅延が立ち上がり時間の 1/6 以下なら集中定数、保守的には 1/10 です。配線長にすると 臨界長 ℓ = t_r ÷ (6 × t_pd) です。

クロック周波数は関係ない

1MHz の信号でも、ドライバが 74LVC のように 1ns エッジのデバイスなら、エッジの帯域は 0.35 ÷ t_r ≒ 350MHz に相当します。反射を起こすのは 1MHz の基本波ではなく、この 350MHz 相当のエッジです。

「遅い信号だから配線は気にしなくてよい」は誤りで、正しくは「エッジが遅い信号なら気にしなくてよい」です。症状は、受端のオーバーシュート、リンギング、スレッショルド付近での二重クロックです。

臨界長を超えたら、終端する

臨界長を超えるなら、反射を抑える手当が要ります。基板上の一対一の配線で最も簡単なのは送端の直列終端（ダンピング抵抗）です。ドライバの出力抵抗（CMOS で 10〜30Ω 程度）と直列抵抗の合計を、配線の特性インピーダンス（50Ω 前後）に合わせるので、22〜33Ω がよく使われます。

直列終端は、送端で振幅が半分になり、開放端の受端で反射して元の振幅に戻ります。途中の受信端には半分の期間が見えるので、複数の受信端がある配線には向きません。

複数の受信端や、受端で正確な振幅が必要な場合は、受端の並列終端（特性インピーダンスと同じ抵抗を GND または終端電圧へ）を使います。直流電流が流れ、消費電力が増えます。

終端の前に、配線を短くできないか、エッジの遅いドライバに変えられないかを検討します。

正弦波（RF）では波長の 1/10

RF のように正弦波で考える場合は、配線長を波長と比べ、波長の 1/10 以下なら集中定数とみなします。FR-4 マイクロストリップの実効比誘電率は 3 前後で、波長は真空の 1/√3 ≒ 0.58 倍です。100MHz で約 1.7m、1GHz で 17cm なので、λ/10 は 17cm と 17mm。2.4GHz なら λ/10 ≒ 7mm で、アンテナへの数 mm の引き出し線でも整合が要る領域です。

判断の手順

片道遅延はパターン長→遅延時間、判定は集中定数／分布定数の計算機で確かめられます。

試作では、受端の波形をアクティブプローブか短い GND で見て、オーバーシュートが受信 IC の絶対最大定格（VCC + 0.5V など）に収まっているかを確認します。