同じネット上で直列終端と並列終端を使用できますか？

デジタル信号において、直列終端と並列終端は最も一般的な抵抗終端オプションです。その理由は、抵抗が広帯域の量であり、GHz範囲に達するまで寄生成分の影響を受け始めないからです。ほとんどのデジタル信号に関連するチャネル帯域幅では、インターフェースにインピーダンス仕様がなくても、終端されていないラインが実際に終端を必要とする場合があります。

両方のオプションがデジタル信号に適しているため、インピーダンス仕様のない長い伝送路を終端するにはどちらを使用すべきでしょうか？両方を使用すべき、またはすべてのネットに両方を使用できるという認識があることがあります。両方を同時に使用できる場合もありますが、通常は一方が選ばれ、それによって他方の必要性がなくなることが多いです。

この記事では、直列終端と並列終端における信号処理、および両方の終端が見られる特殊なケースについて見ていきます。

直列および並列終端による伝達関数

以下の説明は、信号ダイナミクスそのものに基づいているわけではありません。そのためには、Kella Knackのこの優れた記事を読むことができます。これは例の波形を示しています。代わりに、私は伝達関数の観点から、伝送線内の電圧レベルに何が起こるかを正確に示します。これは、デジタル信号に対する帯域幅の影響も明らかにします。

以下で示すこれら2つの終端に関して、そしてなぜそれらが同じネット上で一緒に使用されることがしばしばないのかについては、以下の仮定に基づいています：

• インターフェースには指定されたインピーダンス目標がなく、トレースインピーダンスは何でもあり得る
• ドライバーインピーダンスは一般に低い値であり、負荷インピーダンスは単純な負荷容量としてモデル化される
• ドライバー出力インピーダンスは既知であるか、または測定やシミュレーション（IBIS）から決定できる

それでは、これらの終端を詳しく見ていきましょう。

直列終端伝達関数

以下に示された回路は、ABCDパラメータから伝送線伝達関数を決定するために使用される形式を示しています。Sパラメータを使用することもできますが、ABCDパラメータの方がはるかに簡単です。

伝達関数は、負荷電圧と源電圧の比です。伝達関数アプローチの素晴らしい点は、負荷電圧が上記のように源インピーダンスの観点から明確に定義されていることです。これで、私たちは源インピーダンスと任意の直列抵抗を代入することができます。

直列抵抗器が伝送線を完全に終端するために使用される場合、抵抗器はR = ZS - Z0となるようにサイズが設定されます。この抵抗器は通常、ドライバーIOピンに配置され、全体の源インピーダンスがZS = Z0であるという関係があります。これが新しい全出力インピーダンスです。伝送線のABCDパラメータの定義を使用すると、次のようになります：

ここで、伝達関数は負荷インピーダンスと伝送線インピーダンスを含む電圧分割器のように見えます。負荷での電圧は次のとおりです：

負荷インピーダンスを非常に大きくすると、負荷での電圧について次の値が得られます：

これは、負荷容量によって定義されるチャネル帯域幅内で適用されます。ドライバーからの信号が、シリーズ抵抗を含む全源インピーダンスと相互作用した後、どのように影響を受けるのでしょうか？ABCDパラメータの定義を使用してV1を計算すると、ZS + R = Z0の場合、次のようになります：

ここで、シリーズ抵抗の機能が見えてきます：完全にマッチした場合、源インピーダンスとトレースインピーダンスは電圧分割器のように機能します。源インピーダンスがトレースインピーダンスよりも低いか高い場合、負荷からの反射後にオーバーシュートまたはアンダーシュートを観察するでしょう。

負荷からの反射を通じてのみ、半減した信号レベルが完全なレベルに復元されます。これが、受信機の電圧が源電圧と同じ値を見なければならない場合に、同じネット上で並列終端を通常適用しない理由です。では、並列終端について見てみましょう。

並列終端

並列終端の全点は、上述したように、受信機からの反射を抑制することです。インピーダンス指定バスでは、終端は通常、半導体ダイ上に配置されます。より一般的なケースでは、特定のラインドライバーのように、インピーダンスが指定されていないため、終端を手動で適用する必要があるかもしれません。

直列抵抗がない並列終端は次のように機能します：

• 直列抵抗がないため、電圧分割機能により、信号全体が伝送線上に配置されます（V1 = VS）
• その後、信号は負荷に伝播し、反射せず、従って並列抵抗を介して完全に吸収されます

完全なソースインピーダンスZS = 0と仮定すると、並列終端のための伝達関数は、負荷とソースの電圧について次の関係を与えます：

並列終端では、分子に2の因子があることがわかります。終端回路は、抵抗R = Z0で負荷容量と並列になる抵抗を作り出します。チャネルの膝周波数帯域幅制限によって定義されるその容量性負荷により、負荷インピーダンスは並列抵抗とほぼ等しくなります。これにより、R = Z0であり、したがってZL = Z0のときに負荷で見られる電圧が再び得られます：

再び、インターコネクトに送った完全な強度の信号に戻ります。

ソースインピーダンスが非ゼロの場合は、伝達関数の定義に戻り、ソースインピーダンスの値を入力してください。これは測定またはシミュレーションから抽出できます。

直列終端と並列終端の両方を使用できますか？

直列終端抵抗の伝達関数の一般形を比較すると、既に直列抵抗がある場合に並列抵抗を意図的に配置しない理由が非常に明確になります。離散直列抵抗と完全に一致し、その後並列抵抗とも一致する場合、信号レベルの半分だけが線上に乗り、これが並列抵抗に吸収されます。言い換えると、負荷で見られる電圧は次のとおりです：

3.3 Vの信号レベルを持つコンポーネントを使用しており、受信機も3.3 Vの信号レベルを要求する場合、直列終端と並列終端を同時に使用することはできないかもしれません。負荷での電圧が低すぎないように、受信機の論理閾値を慎重に確認する必要があります。

コーナーケースは、ソース電圧からより低い負荷電圧に降圧することを意図している場合です。例えば、3.3 Vのソースと1.8 Vの振幅が必要な負荷を持つ場合、シリーズおよび並列終端を使用しても、負荷で受信される信号レベルは1.65 Vになります。これは、受信機でHIGH論理状態として登録するために必要な電圧の下限にあるかもしれません。同じ結果を得る一般的な論理レベルの他の例を見つけることができます。

終端抵抗を使って降圧を試みる代わりに、通常はレベルシフターを使用して2つの異なる信号レベルを変更します。これらのコンポーネントは、特定のインターフェースをサポートするように設計されているか、または可能な範囲のインターフェースと互換性があります。これらのコンポーネントは異なる供給電圧を受け入れ、入力信号のレプリカを出力で作成しますが、電圧は高くなるか低くなります。テキサス・インスツルメンツのSN65DP159の例を以下に示します。

これはすべて差動ペアに適用されますか？

回答は「はい」となりますが、アスタリスク付きです。差動ペアを使用する場合は、上記の伝達関数で特性インピーダンスを奇数モードインピーダンスに置き換え、相互接続の受信側で反対極性信号の差を計算します。

ほとんどの差動インターフェースには、特定の終端要件とトレースインピーダンス要件があり、これは最低限、ラインのドライバ側のダイ内にすでに実装されています。DCカップリングが必要な場合、ドライバ側のダイ内終端は、直列抵抗の使用を妨げます。他の場合では、受信コンポーネントにダイ内終端がない場合に平行終端が使用されることがありますが、これは一般的ではありません。終端（直列、平行、またはその両方）の使用は、特殊なケースでまだ適用される可能性がありますが、データシートで指定されているか、テストを通じて決定されるか、またはすでにダイ内に含まれているはずです。

伝送線の伝達関数を見つけ、チャネルのレイアウトを準備する準備ができたら、Altium Designer®の設計およびレイアウトツールを使用してください。今日のクロスディシプリナリーな環境でのコラボレーションを実装するために、革新的な企業はAltium 365™プラットフォームを使用して設計データを簡単に共有し、プロジェクトを製造に移行しています。

私たちは、Altium 365上のAltium Designerで可能なことの表面をかすめただけです。今すぐAltium Designer + Altium 365の無料トライアルを始めましょう。