高速信号で起きる「反射」とは？段差の正体を最小回路で理解する

高速信号で起きる「反射」とは？

高速デジタル信号では、配線は単なる導線ではなく伝送線路として振る舞います。その結果、終端条件によっては信号の一部が送り返されることがあります。これが反射（reflection）です。

反射は「ノイズが混ざった」現象ではありません。インピーダンスが合っていないため、エネルギーの行き先が変わったという、物理的に自然な現象です。

この記事では、反射を最小回路で再現し、波形の「段差」として理解します。

反射の正体：インピーダンス不整合

伝送線路には特性インピーダンス Z0があります。受信端の負荷抵抗 RL が Z0 と一致していないと、到達した信号の一部は吸収されず、送信側へ戻ります。

このとき発生するのが反射波です。反射の大きさや向きは、Z0 と RL の関係で決まります。

最小回路で見る：反射だけを出す構成

まずは反射だけを分かりやすく見るため、負荷は抵抗のみにします。入力容量などの容量成分を入れないことで、リンギング（LC共振）を避けます。

Vpulse ── Rs ──●── TL ── RL ── GND
               │
        Vsrc（主観測点）

この記事では、Rs と伝送線路（TL）の接点（送信端）を主な観測点とします。ここでは反射波が遅れて戻ってくるため、段差として非常に分かりやすく観測できます。

uSimmicsで作る手順

1. 部品を配置する

• Pulse / VPulse（パルス電圧源）
• Resistor（抵抗）×2（Rs, RL）
• Transmission Line（Coaxial Line / RLCG Line など）
• GND
• Voltage Probe（Vsrc用）

2. 伝送線路の遅延について

uSimmicsでは、伝送線路のdelay（遅延）を直接指定しない部品が多く使われます。遅延は、線路長 L と比誘電率 er から自動的に決まります。

伝搬遅延 Td は次の関係で決まります。

FR-4相当（er ≈ 4）の場合、1mあたり約6.7nsの遅延になります。この記事では、反射を見やすくするため、遅延が約10nsになるように線路長を設定します。

3. パラメータ設定例

なぜ送信端で反射が見えやすいのか

反射は負荷端で発生しますが、必ずしも負荷端で「段差」として見えるわけではありません。

送信端では、まず入射波による電圧が現れ、その後、負荷端で反射した波が遅れて戻ってきます。この時間差によって、電圧が「あとから変わる」ため、反射が段差としてはっきり観測できます。

一方、負荷端では反射は発生しますが、反射波はすぐに伝送線路を逆向きに進むため、その場にとどまりません。このため、条件によっては段差として見えにくくなります。

波形で確認する：RLを変えると段差が変わる

Voutを観測し、RLだけを変えます。反射は「あとから波形が変わる（段差が入る）」として見えます。

ケース1：RL = 50Ω（整合）

Z0（50Ω）とRLが一致しているので、反射がほぼ起きません。Voutは素直に立ち上がります。

ケース2：RL = 100Ω（不整合：大きめ負荷）

反射が起き、Voutは立ち上がり後に段差が出ます。整合よりも「あとから」少し持ち上がる方向になります。

ケース3：RL = 1kΩ（ほぼ開放）

開放に近いほど反射が強くなります。Voutの段差もはっきり見えます。まず反射を体感するならこのケースが分かりやすいです。

ケース4：RL = 25Ω（不整合：小さめ負荷）

今度は段差の向きが逆になります。つまり、反射は「いつも上に跳ねる」わけではなく、終端条件によって方向が変わります。反射は「あとから現れる段差」として観測でき、その大きさや向きは終端条件によって決まります。

反射が問題になる条件

反射は「周波数が高いから」ではなく、立ち上がり時間が速いから問題になります。ICが高速化すると、同じ配線でも反射が無視できなくなります。

「昔は動いていたのに、最近は怪しい」という現象は、立ち上がり時間の短縮が原因であることが多いです。

まとめ：反射は送信端で段差として見える

• 反射は負荷端のインピーダンス不整合で発生する
• 段差として見えやすいのは送信端（RsとTLの接点）
• 遅延は er と線路長で決まり、反射の「戻り時間」を支配する
• まずは抵抗負荷だけの最小回路で理解するのが近道

反射は「どこで発生するか」よりも、
「どこで観測すると現象として見えるか」を意識することで、
波形の意味を正しく読み取れるようになります。