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インピーダンス整合(マッチング)とは？やり方や目的を簡単に説明！

インピーダンス整合(マッチング)とは？やり方や目的を簡単に説明！

2023.10.11更新

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この記事を書いた人

長谷川

FREE AID編集部機電系専門ライター Div.
アナログ回路設計・営業を経験した後ライター＆ディレクターとして独立。
電気電子・ITジャンルを得意とし、正確で分かりやすい情報の発信を行っています。

インピーダンス整合(マッチング)という言葉の意味をご存知でしょうか？交流信号の伝送において、伝送効率や信号品質を高く保つために必須となる考え方です。本記事では、インピーダンス整合を行うべき理由や方法など、知っておくべき知識をお伝えします。

この記事の目次

インピーダンス整合とは

インピーダンス整合とは、電子回路で交流信号を伝送する際、最も効率よく信号を伝達するために必要なインピーダンス設計方法のことです。基本的には「信号周波数における送信側・受信側のインピーダンスを同じにする」ことでインピーダンス整合が行えます。

実際の機器では、インピーダンス整合を簡単に行えるよう、入出力回路のインピーダンスを50Ω、75Ωなどに調整していることが多いです。そのため、使用する際はインピーダンスの仕様を確認し、異なる場合は抵抗などを用いてインピーダンスを調整することとなります。

インピーダンス整合が大事な理由

それでは、なぜインピーダンス整合を行わなければならないのでしょうか。その理由は「インピーダンスが異なると信号が反射し、信号強度や品質が悪化するから」です。簡単な例として、水の流れるホースをイメージしてください。2本のホースを接続して水を流したいとき、それぞれのホースの太さが異なると、接続した場所から水が漏れてしまい、水を流す効率が悪化してしまいます。

インピーダンスが異なる場合も同様で、途中でインピーダンスが変わると電力が全て伝送できないため、効率が悪化してしまうのです。さらに、伝送できなかった電力は反射して入力側に返っていくので、その電力がノイズになります。反射が大きいとノイズも大きくなり、信号品質が悪化して不具合の原因となるため、インピーダンス整合を行うことは非常に重要となっています。

低周波信号では終端抵抗で対応可能

厳密にインピーダンス整合を行うには、入出力回路に抵抗やコンデンサ、コイルなどを接続し、適切なインピーダンスを設計しなければなりません。しかし、それには多大な手間がかかるため、低周波信号においては、簡易的なインピーダンス整合を行う方法として、終端抵抗を直列・並列に接続する方法がとられています。

例えば、出力回路の場合はインピーダンスが低いので、出力と直列に終端抵抗をつなぐことで、インピーダンスを高められます。逆に入力回路はインピーダンスが非常に高いので、終端抵抗を並列につなぐことでインピーダンスを抑えられます。

もちろん、終端抵抗を入れる方式では完全にインピーダンス整合を取れているわけではないため、実際は反射が発生し、信号品質は悪化します。終端抵抗の位置などによってもノイズの大きさは変わるので、どの程度ノイズが入っているか確認するなど、注意して使うのが望ましいでしょう。また、終端抵抗を付けると抵抗による電力のロスが発生し、消費電力や発熱が増加することにも注意してください。

高周波信号では特性インピーダンスが重要になる

ここまでは、入力・出力側の機器におけるインピーダンスについてのみ考えてきました。しかし、高周波信号を扱う場合は、伝送に使われるケーブルの「特性インピーダンス」も考慮する必要が生じます。特性インピーダンスとは、高周波領域においてケーブルが持つインピーダンスのことです。ケーブルはインダクタンス成分、リアクタンス成分を持っています。これらの成分は非常に小さいため低周波信号では影響を与えませんが、周波数が上がるにつれてこれらの影響が支配的になっていきます。

そのため、高周波信号を扱う場合は、ケーブルの特性インピーダンスに送受信用機器のインピーダンスを合わせなければなりません。特性インピーダンスが一致していないと、ケーブルのインダクタンス、リアクタンス成分によって電圧・電流の位相がずれてしまい、電力が正しく伝送できなくなります。一般的に、高周波用の同軸ケーブルは50Ωの特性インピーダンスを持つことが多いです。ほかにも材質によって75Ωなどのインピーダンスを持つこともあるため、選定時に確認しておきましょう。

まとめ

今回は、インピーダンス整合（マッチング）の意味や方法について解説しました。インピーダンス整合は、交流信号の伝送を行う上で、伝送効率や信号品質を保つために重要な設計方法のことです。基本的には終端抵抗を追加し、受信側・送信側の機器におけるインピーダンスを一致させることで対策が行えますが、高周波を扱う場合はケーブルの特性インピーダンスも考慮する必要があります。

また、安易に設計するとインピーダンス整合が正しく行えておらず、信号品質が劣化して不具合に発展することもあるので、設計時はしっかり検証しておくことが重要です。

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