差動信号伝送とは何ですか？

2本の配線に逆向きの信号を流し、その差を受け取る伝送方式です。外から2本に同じように入るノイズ（同相ノイズ）は差をとると打ち消され、2本の電流が逆向きなので周りへの放射も小さくなります。USB、PCIe、Ethernet、LVDSなど多くの高速インターフェースで使われます。

50 Ωの配線を2本並べれば差動100 Ωになりますか？

配線どうしが離れていればほぼ100 Ωですが、近づけると結合で下がります。近似式で計算すると、単独で50 Ωの配線（FR-4、誘電体の厚さ0.10 mm、線幅約0.15 mm）を間隔0.10 mmで並べると約82 Ωでした。100 Ω前後にするには、線幅を約0.12 mmに細くして間隔を0.15〜0.20 mmにするなどの調整が要ります。

2本の配線の長さの差はどのくらい許されますか？

長さの差による到達時間のずれ（スキュー）が、信号の立ち上がり時間に比べて小さい必要があります。FR-4の表層配線では1 mmで約6 psのずれになり、立ち上がり50 psの信号では約12%が同相成分に変わります。これがノイズや放射の原因になるので、高速信号では0.1 mm単位で長さをそろえます。

差動信号伝送（Differential Signaling）

カテゴリ: 電磁界解析 | 2026-10-01 改稿

Differential signaling coupled microstrip FEM analysis showing odd-mode and even-mode electric field distribution

結合マイクロストリップ差動ペアの奇数モード電界分布（FEM 2D断面解析）

理論：2本の差をとる

概要

🙋

USBの配線を『差動100 Ω』で引くよう指示されました。1本50 Ωの配線を2本並べればいいんですよね？

🎓

2本が十分離れていればそうだけど、差動の配線はふつう近づけて並べるから、互いの電界と磁界が結合して、1本ずつのときとインピーダンスが変わるんだ。逆向きの信号が流れる『奇モード』では、隣の配線との間の容量が効いてインピーダンスが下がる。だから50 Ωの配線をそのまま近づけると100 Ωより低くなる。線幅と間隔を合わせて差動インピーダンスとして設計する必要があるよ。

奇モードと偶モード

$$ Z_{diff} = 2Z_{odd}, \qquad Z_{cm} = \tfrac{1}{2}Z_{even}, \qquad Z_{odd} < Z_0 < Z_{even} $$

2本に逆向きの信号が流れる状態が奇モード（差動の信号）、同じ向きが偶モード（同相のノイズ）。差動インピーダンスは奇モードのインピーダンスの2倍で、結合が強いほど1本だけのときの値 $Z_0$ より下がる。

近似式

$$ Z_0 \approx \frac{87}{\sqrt{\varepsilon_r + 1.41}}\ln\frac{5.98h}{0.8w + t}, \qquad Z_{diff} \approx 2Z_0\left(1 - 0.48\,e^{-0.96 s/h}\right) $$

表層のマイクロストリップ線路の目安の式（IPC-2141系）。$h$ は誘電体の厚さ、$w$ は線幅、$t$ は銅の厚さ、$s$ は配線の間隔、$\varepsilon_r$ は比誘電率。精度は±10%程度なので、最終的な値は2次元の電磁界解析や基板メーカーの計算で確かめる。

Coffee Break よもやま話

電話線のより対線から高速シリアルへ

2本の線で信号を送り、ノイズを打ち消す考え方は、19世紀末の電話のより対線にまでさかのぼる。デジタルの世界では1990年代にLVDS（小振幅差動信号）が規格化され、振幅0.35 V程度の小さな信号で高速に、しかも放射を抑えて送れるようになった。今のUSB、PCIe、SATA、HDMIなどは、どれも差動の高速シリアル伝送で、1本あたり数十Gbpsに達する。信号の立ち上がりが数十psになると、配線のわずかな長さの差や曲がり方までが問題になる。

計算例

例1：線幅・間隔と差動インピーダンス

FR-4（比誘電率4.3）、誘電体の厚さ0.10 mm、銅の厚さ35 μmの表層配線での近似計算。

線幅	単独のZ0	間隔0.10 mm	0.15 mm	0.20 mm	0.30 mm
0.146 mm	50.0 Ω	81.6 Ω	88.6 Ω	93.0 Ω	97.3 Ω
0.120 mm	55.3 Ω	90.2 Ω	98.0 Ω	102.8 Ω	107.6 Ω
0.100 mm	60.0 Ω	98.0 Ω	106.4 Ω	111.6 Ω	116.8 Ω

🙋

50 Ωの線を0.1 mm間隔で並べると、82 Ωまで下がるんですね。

🎓

そう。差動100 Ωにするなら、線を少し細くして（例では0.12 mm）間隔を0.15〜0.20 mmにするといった組み合わせになる。間隔を広げれば100 Ωに近づくけど、結合が弱いと2本の間のノイズの打ち消しが弱まり、隣の信号とのクロストークも増える。密に結合させるか、疎にするかは設計の方針次第だけど、どちらにしても配線の途中で間隔を変えるとインピーダンスが変わって反射が起きるので、一定に保つことが大事だよ。

例2：長さの差とモード変換

$$ \Delta t = \Delta L\,\frac{\sqrt{\varepsilon_{eff}}}{c}, \qquad \text{mode conversion} \sim \frac{\Delta t}{t_r} $$

長さの差	スキュー	立ち上がり50 ps	立ち上がり100 ps
0.5 mm	3.0 ps	≈6%	≈3%
1.0 mm	6.0 ps	≈12%	≈6%
2.0 mm	11.9 ps	≈24%	≈12%

実効比誘電率3.19（表層）では、1 mmあたり約6 psのずれになる。ずれている間は2本の信号が逆向きにならず、その分が同相の成分に変わる。同相成分は受信側で打ち消されず、ケーブルや筐体から放射されてEMIの原因にもなる。曲がり角の内側と外側の長さの差もたまっていくので、蛇行配線で長さをそろえる。

設計と解析

配線の基本

間隔を一定に：部品やビアをよけるときも2本をそろえて曲げ、間隔を保つ。
長さをそろえる：ずれの発生源の近くで補正する。受信側でまとめて補正すると、途中の区間で同相成分が生じる。
リファレンス面を切らない：下のグランド面に切れ目があると、インピーダンスが乱れて同相成分が増える。
ビアとコネクタ：ビアの切り株（スタブ）やコネクタでインピーダンスが崩れやすい。3次元の解析で確かめる。

解析の流れ

2次元の断面解析で奇モード・偶モードのインピーダンスを求め、線幅と間隔を決める。
ビア・コネクタ・パッケージを3次元で解析し、Sパラメータにする。
伝送路全体をつなぎ、アイダイアグラムや差動→同相の変換量で評価する。

Coffee Break よもやま話

「長さはそろえたのに放射が大きい」

差動ペアの長さを全体でぴったりそろえたのに、EMI試験で基本波の奇数倍の周波数が大きく出た——調べると、ずれを受信側の直前の蛇行配線でまとめて補正していた。途中の区間では1本が先に進んでいて、その区間では同相の成分がずっと流れていたのだ。長さの合計が合っていても、途中のずれは消えない。曲がり角の近くなど、ずれが生じた場所の近くで補正するのが原則だ。解析では、端での差だけでなく、区間ごとの同相成分の大きさを見るとわかりやすい。

よくある間違い

間違いと対策

間違い	起きること	対策
50 Ω×2で100 Ωと考える	差動インピーダンスが低い	結合を含めて設計
途中で間隔が変わる	反射	間隔を一定に
長さを受信側でまとめて補正	途中で同相成分・放射	ずれの近くで補正
リファレンス面の切れ目をまたぐ	インピーダンスの乱れ	連続した面の上を通す
近似式の値で確定	±10%ずれる	2次元解析・基板メーカーで確認

🙋

差動インピーダンスやアイダイアグラムを自分でも試したいです。

🎓

差動ペアのインピーダンス計算で差動インピーダンス、伝送線路シミュレーターで伝送線路、結合線路のクロストークで結合、アイダイアグラムでアイダイアグラムを試せるよ。関連する話題はクロストーク、Sパラメータ、ビアのモデル化、アイダイアグラムの評価の記事にまとめてある。