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1 The World Leader in High Performance Signal Processing Solutions 最近のプリント基板で生じがちなトラブル対策に必要な知識 アナログ デバイセズ株式会社石井聡 2014 年 12 月 13 日

2 アジェンダ 1. 回路実現でトラブルを生じさせない 基本中の基本 2. 最近注意すべきトラブル 基板上 ( 層間 ) で生じる容量 3. マイコン回路とAD 変換でのトラブルで知っておくべき基礎技術 4. デジアナ混在基板で生じやすいトラブル 結合 5. 特性インピーダンスを理解して信号反射のトラブルを回避する 6. 信号反射によるトラブルのしくみと終端抵抗の重要性を理解する 7. 信号反射がアナログ信号伝送に与えるトラブルのしくみ 8. より高度な差動信号伝送における信号反射のようすと終端抵抗の必要性を理解する 2

3 3 1. 回路実現でトラブルを生じさせない 基本中の基本

4 L と認識する範囲 L と認識する範囲 信号の振幅 H と認識する範囲 H と認識する範囲 デジタル IC の入力レベル ( スレッショルド ) を確実にする ( 異電源のケースが増えている ) VCC 5V VCC 3.3V V OH 接続 V IH これだけマージンがある V IL V OL 4 GND 3.3V CMOS 通常の 5VCMOS TTL 互換 5VCMOS (74HCT)

5 IC のスレッショルドの例 DA コンバータ AD5601 マイコン ATmega328P 2.6V 5

6 IC のスレッショルドの例 ( つづき ) マイコン ATmega64/ V 6

7 IC のスレッショルドの例 ( 高 低への I/F) 5V トレラント入力 TC7WZ04FU vcc まででは無い 5V 3.3V の I/F ができる 7 スレッショルドは電源依存 ( 問題ないが )

8 チャタリングが生じないようにする ( ヒステリシス入力の活用 ) ダラダラ信号にも有効 3V で切替 5V 入力 0V 時間 スイッチでチャタリングが発生しているようす (100us/Div) CR でフィルタ CR とヒステリシス入力 IC (74HC14) でチャタリングを防止したようす ( マイコンでソフトでもできる ) 5V 出力 0V 時間 74HC14 ヒステリシス特性 IC によって電圧は異なる 入力がダラダラ変化する信号にも有効 8 ヒステリシス入力

9 バイパス コンデンサ ( デカップリング ) の必要性 電源と IC までのパターンが理想的であればいいが 出力抵抗ゼロの電源 電源電圧の変動を抑える ( 高周波をコンデンサが分担する ) + 端子 アンプ アンプ 端子 電源電圧は変動しない 9 抵抗ゼロのパターン 電源電圧が変動する電圧変動が減尐 ( 高周波をコンデンサが分担する ( 高周波成分がやっかい ) )

10 複数の並列コンデンサで高い周波数まで対応できる C なし C1 重 C2 重 コンデンサありなしでのプリント基板インピーダンス 1 330µF T µF µF µF 個づつ (1 330µF T µF µF µF 1608) 10 T520 は Kemet 社の高分子タンタル コンデンサ

11 11 2. 最近注意すべきトラブル 基板上 ( 層間 ) で生じる容量

12 一番基本的なローパスフィルタの回路形状 -3dB の周波数は 1/(2πCR) 以降は周波数が 2 倍で -6dB で低下 12

13 基板上で予期しない容量が生じる C = ε r ε 0 S d L1 -L2 間は 0.2mm しかない!( もっと狭い場合もある!) L1 に 1cm SQ なら (L2 がベタで ) S = 1cmSQ, d = 0.2mm, ε r = 4.7 とすると 20.8pF! 13 P 板.com サイトより転載

14 デジタル回路では立ち上がりが鈍る デジタル入力 この辺まで 100ns (10MHz 相当 ) たとえば 1kΩ 出力 100ns 先の計算 20pF 14

15 アナログ回路では周波数特性が劣化する 出力の電圧の大きさ ( 低減度 ) -3dB の周波数は 1/(2πCR) 以降は周波数が 2 倍で 1/2(-6dB ) で低下 1/ 2(-3dB ) は 8MHz 出力の位相 ( 波形の遅れ )

16 16 3. マイコン回路と AD 変換でのトラブルで知っておくべき基礎技術

17 マイコン内蔵の AD 変換器 17 RENESAS RX62N/RX621 グループユーザーズマニュアルハードウェア編より抜粋

18 マイコン内蔵 AD 変換器の入力構造 最大 6.0pF 最大 6.5kΩ 容量を高速で充電する必要あり 18 RENESAS RX62N/RX621 グループユーザーズマニュアルハードウェア編より抜粋

19 12 ビット ADC AD7476A 非線形性誤差に相当 絶対精度誤差に相当 Analog Devices AD7476A/7A/8A Datasheet より抜粋 より分解能の高い 16/18/24 ビットなどがあるが難易度が高い 19

20 AD7476A 入力構造 容量が見えるので外部にバッファが必要 Analog Devices AD7476A/7A/8A Datasheet より抜粋 20

21 AD7476A には駆動アンプが必要 AD7476A に推奨される駆動用アンプ この時間でコンデンサに充電する必要あり ( デジタル回路では立ち上がりが鈍る の話と同じ ) 21 Analog Devices AD7476A/7A/8A Datasheet より抜粋

22 サンプリングによる 折り返し の問題 サンプリング周期 0.125ms = 8kHz (8ksps) 信号周波数 6kHz AD 変換結果 2kHz 22

23 振幅 サンプリングによる 折り返し の問題 AD 変換結果の周波数 f = 2kHz 本来の信号周波数 f = 6kHz ナイキスト周波数範囲 対策はローパス フィルタで折り返し ( エイリアシング ) になる成分を除去する ( なお DAC でも同様に生じる ) 周波数 ナイキスト周波数 fs/2 = 4kHz サンプリング周波数 fs = 8kHz 23

24 AD7476A での AD 変換回路例 電源 6V~10V ADA を入力容量のドライバに用いている AD は +5V で動作し オフセット電圧が 2.5uV max 入力換算ノイズが 5.6nV/ Hz 入出力レール to レール ( ギリギリまで動く ) という超高性能 OP アンプ ( なのでここで用いた ) ここに信号源を入れる (0V か 5V ギリギリは好ましくない また LPF は図示していない ) マイコンとの間の信号の暴れを軽減 マイコン I 2 C 24 24

25 25 4. デジアナ混在基板で生じやすいトラブル 結合

26 結合トラブルのシナリオ デジタル回路の電圧と電流がアナログ回路に影響を与える アナログ信号 本来の信号はサイン波 デジタル信号 ( ストローブ信号 ) 26

27 周辺からの目に見えない影響 ( 静電容量による結合 ) ここに電圧が加わると 部品面 グラウンド ここに電圧が発生する 半田面もしくは内層 容量で結合する 交流電圧が加わった金属体など 容量で結合する ( コンデンサ ) 27

28 静電容量による結合をレイアウトで低減 グラウンドに落した内層 部品面 ここには結合しない ここに電流が流れていく 半田面もしくは内層 ここに電圧が加わると グラウンドパターンを挟む ここに電流が流れていく 28

29 周辺からの目に見えない影響 ( 電磁誘導による結合 ) ここに電流が流れると 磁束が発生 ここに電流が流れると 磁束が発生 ここに電流が発生する ここに電圧が発生する 電圧が加わり 対策は面積を狭くする 離す 電流量を減らす 29

30 どんな結合が考えられるか? ここまでの説明でどんな 結合 が考えられるか 30

31 どんな結合が考えられるか?( こたえ ) 電磁誘導による結合 容量による結合 このふたつで想定外のところで ( 浮遊成分として ) 結合が生じ 回路の性能劣化の原因になる 電磁誘導 容量 31

32 前半のまとめ まずは 基本中の基本 をおさえておこう! 基板上で生じる容量により高速な回路でトラブルが生じる 後半の特性インピーダンスの考え方もポイント AD 変換は連続量が離散量 ( 数値 ) に変換される特異点がある サンプリングのときに容量を十分に充電すること デジアナ混在基板では 結合 に注意する アナログ側が影響を受けるほう 対策の基本は 分離 する 32

33 33 5. 特性インピーダンスを理解して信号反射のトラブルを回避する

34 高速信号伝送のトラブルの例 (56MHz CLK) 本来の H レベル 2V/Div 1V/Div 34

35 高速信号伝送のトラブルの例 ( 拡大図 ) 本来あるべき H レベル 信号遷移点 ドライバ IC 側で再反射したものが再度 伝達往復時間で 先端 ( レシーバ IC) の未整合の再々反射が観測されている 2V/Div 伝達往復時間で先端 ( レシーバ IC) の未整合による反射が観測されている ( このときドライバ IC 側で再反射している ) 1V/Div 35

36 特性インピーダンス ( 伝送線路 ) を理解する必要性 特性インピーダンスの考えが活用されていないのでトラブルが生じていた 回路設計 仕様がどんどんハイスピード化している 高周波回路は当然ながら同軸ケーブルなど伝送線路をもちいる 高速デジタル回路も シリアルATA, IEEE-1394, USB 2.0 CPUバスラインなどなど プリント基板上やリード線内の電圧や電流のうごきを伝送線路 ( 特性インピーダンス ) として考える必要あり 500MHz 3GHz MHz

37 ハイスピード信号伝送回路 ( 伝送線路 ) の例 同軸ケーブル 高速デジタル信号のプリント基板 ( 最近は インピーダンス コントロール基板 というものを使うことも多い ) 37 イーサネット ケーブル 高周波回路 ( マイクロ ストリップ ライン )

38 ハイスピード信号伝送 ( より高度な差動信号伝送 ) シリアル ATA, IEEE1394, USB 2.0, LVDS などは差動信号伝送ここでも ターミネータ という言葉があるが これが特性インピーダンスと深く関係している ターミネータ ターミネータ 38 でも特性インピーダンスっていったいナニモノ? USB 2.0 の回路例 (480Mbps)

39 電圧 [V] 電圧や電流は伝送線路内を波として移動していく f=50mhz 波長は 4m になる 位相速度が m/s のため 波長は 6m では無い デジタル信号も波として移動 m@1nsだけ進んでいる -10 位相速度 m/sで負荷側に進んでいる 電流も同じ 同軸ケーブル上の位置 [m] 負荷抵抗 39 特性インピーダンスは 波として移動していく電圧と電流との相互関係 中に抵抗があるわけではない 周波数 50MHz 1ns ごとに表示している 位相速度というものがあり 光速ではないここでは m/s( 一般に使われる同軸ケーブルでの位相速度 )

40 信号が伝わるのはロープ上を波が伝わるのと同じ イメージ実験をしてみましょう 1 1 ロープを繰り返し振り 波が伝わるようす ( 連続波 ) を確認します 2 ロープをひと振りして波が伝わるようす ( パルス デジタル信号 ) を確認します 3 1 および 2 から電気信号の伝わるようすを思い描いてみてください 40

41 電流 [A] 電圧 [V] 10V, 0.2Aが伝わっていくのが特性インピーダンス 50Ω 波として移動していく電圧と電流との相互関係が特性インピーダンス 内部に 50Ω の抵抗成分があるわけではない 同軸ケーブル上の位置 [m] 実効値 10V 実効値 0.2A 全ての位置で 電圧 / 電流 =50Ω の関係が成立している 位相速度 m/s 位相速度 m/s 同軸ケーブル上の位置 [m] 41 この図は周波数 50MHz 横軸は位置 [m] です!

42 P 板.com インピーダンス コントロール基板の設計パラメータ 目的のパターン幅とギャップを対象配線に適用 ( 以下で計算 ) 特性インピーダンスラインにアパーチャ (D コード ) を設定 別途指示書に特性インピーダンスの指定値を記載 指示例 L8 のアパーチャ D302 のパターンを差動 100Ω でインピーダンス制御 *Zdiff L8,100ohm,on D302,L/S=0.15/0.15mm L/S とは パターン幅 (L) と間隔 (S) を指す 信号伝送パターン メーカ 材質によって異なる! W プリント基板の絶縁体 ( 誘電体 ) H 42 ベタパターン 特性インピーダンスは W と H と誘電率で決まる

43 インピーダンス コントロール基板の品質管理 43 P 板.com サイトより転載

44 44 6. 信号反射によるトラブルのしくみと終端抵抗の重要性を理解する

45 負荷抵抗が特性インピーダンスと異なると電圧と電流が反射する 進む波 ( たとえば 10V) ( たとえば 0.2A) 進む波 デジタル信号も波として移動 信号源 デジタル信号も波として反射 ( たとえば 10V 0.41) ( たとえば 0.2A 0.41) 反射して戻る波 たとえば R L =120Ω 45

46 信号の反射をロープ上を波が伝わるので実験してみる イメージ実験をしてみましょう 2 1 ロープを繰り返し振り 波が伝わるようす ( 連続波 ) と反射してくるようすを確認します 2 ロープをひと振りして波が伝わるようす ( パルス デジタル信号 ) と反射してくるようすを確認します 3 1 および 2 から電気信号の反射するようすを思い描いてみてください 46

47 反射する比率 反射係数 信号源 進む波 ( たとえば 10V) ( たとえば 0.2A) デジタル信号は波として移動 進む波 47 反射して戻る波 デジタル信号は波として反射 進む波と反射する波の比率は電流 電圧ともども ミスマッチ 状態 ( たとえば 10V 0.41) ( たとえば 0.2A 0.41) 反射して戻る波 ( たとえば R L =120Ω なら 0.41) これが 反射係数

48 本来は負荷端 ( 遠端 ) で終端する 同軸ケーブルで説明しているが基板のパターンも同じ 整合終端 信号源近端 進む波 進む波 負荷遠端 反射なし 信号源 負荷端 反射してこない Γ = 0 48

49 デジタル信号での多重反射 信号源のインピーダンスも異なっていると 反射して戻ってきた信号がまたそこでも再反射してしまう ( 多重反射 ) 進む波 進む波 反射して戻る波 反射して戻る波 またまた反射して進む波 終端時 ( 本来の ) 信号源波形 負荷端 ( 遠端波形 ) 最後は またまた反射して進む波 反射して戻る波 に落ち着く 49

50 シミュレーションで終端と反射を見てみる 基本は近端と遠端を終端 信号源 50Ω 負荷 50Ω デジタル回路での多重反射のようす 5V を送って 5V を受ける CMOS デジタルではどう対策する? ひとつが 近端終端 ( 信号源に 50Ω) という技 近端終端 で近端に戻ってきたとき再反射が無い 50 伝搬時間 5ns 同軸ケーブルで 1m 相当

51 51 7. 信号反射がアナログ信号伝送に与えるトラブルのしくみ

52 電圧 [V] 電圧 [V] 電圧 [V] 正弦波 ( アナログ信号 ) の伝送の場合 ピーク値 1V 0.2m@1ns だけ進んでいる 0.2m@1ns だけ戻っている m = 2.5 波長 進む波 戻る波 合成した波は振幅が変化している ミスマッチ 状態 この図は電圧を例にして表記している進む波は ピーク値 1V ( ピークからピークは 2V 実効値 0.7V) 同軸ケーブル上の位置 [m]

53 電圧 [V] ミスマッチで生じる定在波とその大きさ 移動しない谷ができる 移動しない山ができる 同軸ケーブル上の位置 [m] 周波数 50MHz 位相速度は高速の 66% 反射係数 0.33 進行波波高 10V 53

54 マッチングしていないと途中の見かけ上のインピーダンスが変化する 信号源 ピーク値 1V 1/8 波長 0.5m 1/8 波長 0.5m 1/8 波長 0.5m 電圧 1.1V 電流 22mA 位相 V/I = 50Ω 電圧 0.6V 電流 28mA 位相 0 V/I = 21Ω 電圧 1.1V 電流 22mA 位相 V/I = 50Ω 電圧 1.4V 電流 12mA 位相 0 V/I = 120Ω ここではピークからピークの大きさで示してある j 35.2 (112nH) j 35.2 (90pF) 周波数 50MHz で考えている 位相は電流の位相 リアクタンスは周波数で変化するので注意 n は 10-9 これは連続した正弦波で考えている

55 55 8. より高度な差動信号伝送における信号反射のようすと終端抵抗の必要性を理解する

56 LVDS で高速 ( かつ低 EMI) 差動伝送 ADC 出力 LVDSドライバ (+3.3V) (3.5mA) V+ V V V+ +1.2V 3.5k W 3.5k W 差動伝送線路 ( 差動特性インピーダンス 100Ω) (3.5mA) グラウンドへのリターン電流が無い 振幅レベルがかなり小さい! EMI 対策にも良好 56 アナログ デバイセズの AN-586 が LVDS について説明

57 AD9514 の LVDS 200Mbps 信号で終端状態のデモ この端子間を差動プローブで計測 差動出力端 クロック用 IC AD9514 (LVDS 出力 ) 出力側終端抵抗 この間を 100Ω で差動終端すべき 57

58 CLK ドライバ AD9514 の LVDS 200Mbps 信号で終端状態のデモ ( シングル エンドで観測 ) ゼロ V 1.2V + 信号ライン (CH1) 等しい振幅量 (350mV) の逆相信号 ゼロ V 500mV/Div - 信号ライン (CH2) 58

59 適切にプロービングする ( できるだけ短く接続 ) この端子間を差動プローブで計測 59 1GHz 差動プローブ P6247 ( テクトロニクス ) を使って計測撮影上の理由でグラウンド ( 基準 ) 端子は未接続

60 適切に終端されていない場合の信号反射 この端子間を差動プローブで計測 同軸ケーブル 1m AD9514 LVDS 出力 終端抵抗なし 1UI に相当 プリント基板上の振る舞いのデモのため 1m 2 本の同軸 60Mbps の条件で等価的な実験をする 60

61 適切に終端された場合の信号波形 (60Mbps) この端子間を差動プローブで計測 同軸ケーブル 1m AD9514 LVDS 出力 1UI に相当 100Ω 抵抗差動終端 プリント基板上だとして 1/10 にスケーリングしてみると 10cm ストリップ ライン 600Mbps( 繰返し 300MHz) の条件と同じ 61

62 全体 ( 後半 ) のまとめ 信号はパターン上を 波 として移動 ( 伝搬 ) する このイメージを理解することが大切 電圧と電流の 波 の比率が特性インピーダンス 中に抵抗体があるわけではない 特性インピーダンスに合わせた 終端 が必要 終端が不適切だと信号が反射する 差動伝送でも考え方は同じ 回路のうごきの 基本 をイメージで抑えておくだけで トラブルを未然に回避できる 62