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1 TDR 測定によるコモンモードの解析 神林一郎 テクトロニクス社

2 セミナ内容 高速信号伝送は差動伝送が主流 伝送モードの分類 平衡伝送路とコモンモード電流 平衡伝送路における電流配分率 平衡伝送路 完全不平衡伝送路 コモンモード信号発生メカニズム 差動平衡線路のコモンモード変換 差動平衡線路におけるモード変換量の測定 差動平衡線路におけるモード変換の抑制 TDR 測定によるOddモード Evenモード測定 2

3 高速信号伝送は差動伝送が主流 差動伝送の利点は 極性の異なる平衡 2 線を用いて線間干渉状態を作り打消し合うためにコモンモードノイズを発生させないこと 理想的な差動伝送路であれば 近傍ノイズ源から入射されるコモン信号成分は差動レシーバにて除去されディファレンシャルモードに変換されることはないが 理想差動伝送が崩れる場合にはコモンモードノイズは差動伝送ラインに影響を与える 理想差動伝送路にならない状態では差動伝送の利点が失われるため原因を理解して EMI の対策とする Pre-Emphasis Equalizer 3

4 帰還電流による伝送モードの分類 大地を帰路とする伝送方式 (unbalanced mode ) 大地を帰還電流が流れる伝送方式 EMC 分野ではコモンモード伝送として扱う 伝送回路分野では不平衡伝送 同相伝送 Even モードと呼ばれる 伝送線路と大地からの距離が伝送波長よりも同程度に長い場合には 電磁放射の問題が起きる 外来雑音の影響も受けやすい 平衡線路を帰路とする伝送方式 ( balanced mode ) 帰還電流は対極する平衡線路を流れて戻る EMC 分野ではノーマルモード伝送 ディファレンシャルモード伝送として扱う 伝送回路分野では平衡伝送 差動伝送 Odd モードと呼ばれる 理想平衡線路であれば電磁放射の抑制 外来ノイズからの耐性を持つ 4

5 平衡伝送路とコモンモード電流 ノーマルモード電流とコモンモード電流の存在 ノーマルモードの帰還電流は平衡線路を信号源まで戻る コモンモードの帰還電流は大地を帰還する 平衡 2 線路におけるコモン電流 ( Ic ) は, ノーマルモード電流を (IN) として平衡線路 1 の電流 ( I1 ) = IN + (1/2)Ic, 平衡線路 2 の電流 ( I2 ) = -IN + (1/2) Ic としてコモン電流は均等に 2 分配される 実際の伝送路は不平衡成分によりコモン電流分布は均等にはならない Es(N) Es(N) Zs Tx Zs 平衡線路 1 平衡線路 2 IN IN Zo Zo ZL=50Ω Rx ZL=50Ω 基準電位 ノーマルモード電流経路 Tx Zsc ½IC ½IC Zo Zo ZL=50Ω Rx ZL=50Ω Vc 基準電位 5 コモンモード電流経路 Signal Grand ZA

6 平衡伝送路における電流配分率 信号配線とリターン配線の不均一性により電流配分率が変化 理想的なノーマルモードではコモン電流が発生せずに Is=IN=IR となる 信号配線とリターン配線は完全な対称ではないためコモンモード電流 (Ic) は信号線とリターン線に均等配分されない コモン電流の配分率を (h) で表す 対称性がある場合には h=0.5 信号電流 (Is)=IN( ノーマルモード電流 ) + h Ic( コモンモード電流 ) 帰還電流 (IR)= IN( ノーマルモード電流 + (1 h )Ic ( コモンモード電流 ) Signal line V Tx Is = IN IR = IN Return line + hic + hic ZL ZL Vc Rx Ic System ground 6

7 平衡伝送路 差動マイクロストリップライン 平衡線路において 2 線間の電圧ベクトルの和が常に一定であれば 非平衡成分 ( コモンモード ) は発生しない 伝送電流経路と帰還電流経路により平衡線を帰還させる LCDS GND 基準面を帰還させる CML が存在 信号伝送線に対して帰還線路が平衡する場合をノーマルモードとして扱う 信号線路と帰還線路の平衡度 信号線間の平衡度が崩れると非平衡成分であるコモンモードノイズが発生する Es(N) Es(N) Zs Tx Zs 平衡線路 1 平衡線路 2 IN IN Zo Zo ZL=50Ω Rx ZL=50Ω 基準電位 Ic 7 差動マイクロストリップライン

8 完全不平衡伝送路 完全不平衡伝送路と電流配分率 シングルマイクロストリップラインの伝送経路は表面層線路を信号は伝搬して GND 層を帰路に戻る 表面層ラインと GND 層では反対の電磁界ができるためノーマルモードとなる コモン電流はベタ GND 層のみを流れるためにコモン電流が 2 本の導体のうち 1 本のみ流れるということから完全不平衡伝送路となる 同軸ケーブルも同じくシールド線を帰還電流が流れる場合には中心導体とシールド線が作る電磁界とでは打消し合うためにノーマルモードになるコモン電流は全て外被シールドを流れる 完全不平衡伝送路の電流配分率 ( h ) は =0 である GND プレーンの面積が十分でない場合には電流配分率 (h)=0<h<0.5 となる マイクロストリップライン Ic 同軸ケーブル 8 Ic

9 コモンモード信号発生メカニズム (Voltage Driven, Current Driven ) Voltage Driven 信号パターン配線または GND パターンがアンテナになる構造 信号パターンと近接した位置に高速デバイスが配置され信号パターンとの間に容量性結合をした場合 高速デバイスと隣接信号パターンの高周波電位差が容量性結合により 隣接信号パターンをアンテナとして励振する場合を Volgtage Driven と呼ぶ 高速デバイス 信号伝送路 Current Driven 理想的な PCB GND は電位は一定である 浮遊容量 実際には GND に存在するインダクタの影響により GND 電位変動が起きる GND に分布するインダクタによる GND 電位差 VG の総合計がコモン電圧になる 9 dis ΔV= LG dt Ic Ls LG IN IS I c

10 コモンモード信号発生メカニズム ( 平衡線と不平衡線の接続 ) ノーマルモードに対する GND 基準電位差 下図左側の完全不平衡線路と右側の平衡線路の接続 完全不平衡線路のノーマルモード基準面は GND 面上に GND 面上をコモン電流が流れる 平衡線路のノーマルモード基準面は線間中間の平均位置に基準面がある 基準面位置の異なる線路を接続すると 両回路のコモンモード電位の差に相当する仮想的な起電力が線間に生じることになる コモン電位を一致させるためにはバラン回路を用いる GND 基準面 GND 基準面 完全不平衡回路 仮想起電力 完全平衡回路 GND 基準面 GND 基準面 完全平衡回路 10 完全不平衡回路

11 GND 基準面の異なる伝送路の接続とコモンモード対策 バランを用いたコモンモード対策 平衡線路の基準電位 ( コモン電位 ) は理想的には平衡線路の中心にあり 完全不平衡線路の基準電位 ( コモン電位 ) は GND にある 基準電位の異なる回路を接続する場合には コモン電圧差を生じさせないようにバラン回路を用いて接続する バラン回路を用いてコモン電圧を一致させることによりコモン電位差が解消する コモンモード電位差は線路の基準電位を揺することを引き起こす バラン回路を介してコモン電位差を無くす GND 基準面 GND 基準面 完全不平衡線路 バラン コモンモード電位 平衡戦利 11

12 コモンモード信号発生メカニズム ( 平衡度の異なる線路の接続 ) 平衡度の異なる線路を接続した場合のコモンモード電位差 平衡線における平衡度が異なるため電流配分率が変化する 電流配分率 (h) が異なる伝送路を接続する場合のコモンモード電圧の差 (ΔVc) は電流配分率 (h) の差分とノーマルモード電圧 (VN) の積により求めることができる ΔVc = (h0 h1)vn コモンモード電位を求める コモンモード電圧 (Vc) は信号電圧 (Vs) と電流配分率 (h) との積と V 電流配分率 (h) と帰還電圧 (VR) との積の加算にて求める Vc = hvs + (1 h )VR = VR + hvn V Vs Signal Line Vs Signal Line VN Vc Common Voltage ΔV c VN Vc Common Voltage h0vn VR Return Line h1vn VR Return Line 12 VR System Ground 電流配分率 h=0 電流配分率 h=1 VR System Ground

13 コモンモード発生のメカニズム (GND レイアウト変化による不平衡度変化 ) GND レイアウトの変化によるコモン電流配分率の変化 PCB 基板のおける GND レイアウト構造が変化すると不平衡度が変化 コモンモード電流配分率 (h) が変化することにより GND 不連続部分にコモンモード起電力が発生する GND レイアウト不連続部分にコモンモード起電力が生じ基板全体をアンテナとして励振を始めることによりコモンモード電流 (Ic) が生じる GND プレーンの不平衡部分の差を小さくすることによりコモン電流を抑制することができる 信号伝送路 GND プレーン 13

14 コモンモード信号発生のメカニズム ( コモンモード変換 ) ディファレンシャルモードからコモンモードへのモード変換 差動干渉状態の変化 ( 差動間隔が変化により平衡度が変化 ) 伝送路周辺のインピーダンス変化によりディファレンシャル信号成分が放射するのではなくディファレンシャル信号成分の一部がコモン成分となり放射する I1 Z1 ZG1 ZG2 V V Z2 ZL 14 Tx Vc = V I2 伝送路 モード変換係数 Z2 ZG1 ZG2 Z1 (Z1 + Z2 ) (ZG1 + ZG2) V: ディファレンシャル電圧 Vc: コモンモード電圧 Z1: 信号伝送路インピーダンス Z2: 信号 GND ラインインピーダンス ZG1 ZG2: 信号両端と GND との結合インピーダンス Zc: コモンモードインピーダンス Zc Vc

15 伝送路周辺インピーダンス変化によるコモン電圧変化 コモンモード変換が大きい回路例 シングルエンド伝送を想定 300 Ω 5Ω Tx I1 I2 VV 50Ω 5Ω 伝送路 Vc = V = 0.37V 300 Ω ( ) ( ) Vc コモンモード変換が小さい回路例 差動平衡伝送を想定 I1 50Ω Vc = V ( ) ( ) = 0V 15 50Ω 50Ω Tx I2 VV 50Ω 伝送路 300 Ω Vc

16 差動平衡線路のコモンモード変換 ( 伝送路寄生容量の影響 ) 差動平衡線路における寄生容量の変化 差動平衡線路でのインピーダンス変化はコモンモード変換の原因になる 差動片側線路が GND 表面層に近接している 差動線路両側の GND ビアの均一性に変化が生じた場合例 : 部分的に片側のビアのみになるビアレイアウト 平衡 2 線路の寄生容量差を 2pF の場合のコモンモード電流 Cs=2pF, dv=2v, dt=2.5ns =2e / 2.5e-9 = (A) = 1.6mA のコモンモード電流が発生 i(t)peak= Cs dv dt Cs = 寄生容量差 dv = 切り替え電圧 dt = スイッチング時間 16

17 差動平衡線路のコモンモード変換 ( 差動間スキュウの影響 ) 差動間スキュウによるモード変換 差動間スキュウを 1ps~10ps まで変化させた場合のコモン電圧の変化を見る 1ps にてコモン電圧は 3.5mV 10ps にて 25.5mV に増加 差動間スキュウは立ち上がり時間の 10% 以内を目標にする 差動線路長スキュウを Rise time の 10% 以内に押さえる最大スキュウ値 (ΔL) ΔL = 0.1 RiseTime v( 速度 ) で求める RiseTime=100ps v=150mm/s ( 比誘電率 0.4) の条件ではスキュウ 10ps 以内にするためには 1.5 mm以内に合わせなければならない 17

18 差動平衡線路におけるモード変換量の測定 差動信号伝送におけるコモン成分を Scd21 にて測定 Scd21 はディファレンシャル信号を印加した時のコモン成分をポート間で測定 差動間スキュウを 1ps~10ps まで変化させた場合の Scd21 変化グラフ 10ps のスキュウではスキュウなしに比べ最大 20dB 近く劣化 僅か 1ps のスキュウ差が数 db コモンモードを劣化させることに注意 10ps 0ps 1ps 18

19 差動平衡線路のコモンモード変換の抑制 コモンモード変換を起こさせないためのレイアウトを考える 差動平衡線に近接して GND プレーンを置く場合には差動平衡度が変化しない程度に差動線路からの距離をおく 差動平衡線の両端ビアのバランスを崩さない 差動平衡線としての効果が少ない部分はシングルラインとして配置する 差動 (P) 差動 (N) GND Plane GND Plane を表面層に置く場合には差動バランスを崩さない配置が必要 デバイスにより差動片側のビアに不連続な部分が存在している また差動片線にだけデバイスが近接して差動バランスを崩している悪い事例 差動干渉が少ない部分をシングルラインとしてビアを配置している良い例 Device 19

20 差動平衡線路のコモンモード変換の抑制 コモンモード変換を起こさせないためのデザインガイド 差動平衡線路のインピーダンス制御 差動干渉区間の見極めと差動干渉区間でない場合のインピーダンス制御 差動ペア不連続部を最少にする 差動平衡度による変化と差動バランスの変化を生じさせないこと 差動信号の遠端終端 終端から受信端までの距離を最少にして区間内の伝送路変化をさせない 波形歪の原因となるペア内スキュウの最少化 Odd mode TDR Even mode TDR 20

21 差動平衡線路のコモンモード変換の抑制 差動モード信号とコモンモード信号の両方を終端 信号位相が逆相の場合の終端回路 R1 の中点は仮想 GND 点のため 仮想 GND と GND 面を結ぶ R2 の両端電位は同じ Zdiff = 2R1 Zodd は片方の線路と仮想 GND 間のインピーダンス Zodd = R1, Zdiff = 2Zodd 信号位相が同相の場合の終端回路 Even モードインピーダンスは Zeven=R1+2R2 にて計算 R2 = ( Zeven R1 ) / 2 = (Zeven Zodd ) / 2 回路構成 R1 = Zodd, R2 = (Zeven Zodd ) / 2 N 極 P 極 P 仮想 GND R1 R1 R2 N GND 面が近接している場合 P R1 R1 R2 N Open GND 面がOpenしている場合 21 GND 基準面

22 終端回路例 差動モードとコモンモード両成分の終端をする LVDS 例では低抵抗で GND と接続することができない 1000pF にて DC カットする Zodd と Zeven を求めれば T 型 R1 R2 が π 型 Ra Rb が求められる 1. スター結線 CR 終端 (T 型終端 ) Zdiff=100Ω 1000pF R2 20Ω R1 51Ω R1 51Ω 2. ブリッジ結線シングルエンド終端 (π 型終端 ) 1000pF Rb 91Ω Rx パターン幅 =0.3 mmパターン間隔 0.3 mm層厚 =0.3 mm実行比誘電率 ε= Zdiff=100Ω 1000pF Ra 220 Ω Rb 91Ω Rx パターン幅 =0.3 mmパターン間隔 0.3 mm層厚 =0.3 mm実行比誘電率 ε=4.3

23 TDR 測定による Odd Even 測定 平衡線路の平衡度 ( バランス ) を確認をする 差動平衡線は近接させて干渉状態を作ることで平衡度を保つ 平衡線路のバランスラインで無い区間を実際のレイアウトにて比べてるためには TDR 信号による Odd モード測定と Even モード測定により確認する 差動平衡線の片側に近接した導体がある場合には差動バランスを崩すために Odd Even モード測定結果を変化させることになる 平衡線路の干渉状態を知るためにも測定は重要 入力点 Even mode TDR 差動では無い平衡線路区間 Odd mode TDR 23

24 平衡モードの磁界分布 差動伝送線路 ( 結合 2 線路 ) による磁界強度 線間中心のコモン電位に向かい磁界強度の低い場所を作る 24

25 平衡モード電磁界分布 結合 2 線路 ( 差動モード ) の電界 磁界分布 電流配分率が 50% づつであれば均等な磁界分布を示す 線間結合状態であれば線間中心位置に仮想 GND 点を作る GND (+ 極性 ) (- 極性 ) 25

26 不平衡モードの磁界分布 同極性印加 (Even モード ) による磁界強度 線間中心に向かい磁界強度が高くなる 階層別磁界値測定結果 Y 方向のみ Y 方向とは 信号ラインに対する磁界フ ローフ の配置角度 0 信号ライン信号ライン 単位 mm 基板面より 0.1mm 基板面より 0.2mm 基板面より 0.3mm 基板面より 0.4mm 基板面より 0.5mm 基板面より 0.6mm 基板面より 0.7mm 基板面より 0.8mm 基板面より 0.9mm 基板面より 1.0mm 磁界値 (dbμa/m) 同相信号 mm ヒ ッチにて X=7.55mm を移動

27 不平衡モード電磁界分布 同極性を印加した Even モードの場合の電界 磁界分布 近接線路に同極性を印加する帰還電流は GND 面を帰還 両線路の磁界方向は同方向 2 線が完全な対称な物理的構造でなければ電流配分率が 50% にならない GND 層 (+ 極性 ) (+ 極性 ) 27

28 DSA8300 型デジタル シリアル アナライザ 80E10 型電気サンプリング /TDR モジュール 高性能 TDR 最大 8 チャンネルの TDR 測定 高分解能 TDR 反射立上り時間 15ps 任意の立上り時間での測定をシミュレート 真の差動 TDR 測定 極性選択可能な高速ステップ ゼネレータ 解析ソフトウェア IConnect 回路モデリング S パラメータ 28

29 参考文献 丸善社 EMC 原理と技術和田修己著プリント配線板と EMC 上芳夫著線路と電磁界 丸善社高速デジタル信号の伝送技術須藤俊夫監修 P465 差動信号のコモンモード信号への変換 CQ 出版社トランジスタ技術 2003 年 11 月号 P226 LVDSにおける同相ノイズの終端 工業調査会コモンモードと EMC ノイズ対策設計坂元幸夫著 29

30 お問い合わせ先 テクトロニクス社 東京都港区港南 品川インターシティ B 棟 6 階 ホームページ お客様コールセンター Tel Fax ccc.jp@tektronix.com 30

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