直列終端伝送線路の切り替え動作

直列終端線と差動信号は、すべてのCMOSデバイスにおけるリンクとして機能します。差動信号について、その動作や利点については詳しく書いてきましたが、直列終端線のスイッチング動作については触れていませんでした。それがこの記事の目的です。

基本

直列終端伝送線についての重要な点は以下の通りです：

• このタイプの伝送線では、各ドライバーの出力に直列終端が配置されます。
• 高速ロジック信号に対して最も低い電力消費を提供します。
  •     ロジック線がロジック0からロジック1に切り替わるときにのみ回路でエネルギーが消費されるため、最も低い電力消費方法です。

前述のポイントが非常に直接的であるように見える一方で、直列終端伝送線がどのように機能するかを理解することは、信号が各受信機に適切に配信されていることを保証する上で重要です。は、典型的な5V-CMOSドライバーであり、50オームの伝送線が受動的なCMOS受信機に接続されています。これは、このデバイスが入力に提示された電圧波形に単に反応することを意味します。この説明の目的のために、CMOS受信機は非常に小さなキャパシタのように見え、開回路とみなすことができます。この例では、線は12インチ、つまり約30cmの長さです。PCBでは、エネルギーは約1ナノ秒につき6インチの速度で移動するので、以下に示される線は約2ナノ秒の長さです。

図1. 5ボルト直列終端CMOS伝送線

図2。図1に示された伝送線の等価回路。

図2に示されているように、キャパシタンスとインダクタンスは伝送線の長さに沿って分布しています。これらの要素は寄生素子であり、単位長さあたりのインダクタンスと単位長さあたりのキャパシタンスの比率によって伝送線の挙動が決定されます。これにより、方程式1に示される線のインピーダンスが決定されます。Loは単位長さあたりのインダクタンス、Coは単位長さあたりのキャパシタンスです。2Dフィールドソルバー（多くのフィールドソルバーは様々な信号整合ツールの一部として利用可能）などのツールを使用して、これら二つの変数は特定の伝送線に対して決定されます。

方程式1. 分布キャパシタンスとインダクタンスの関数としてのインピーダンス

図1のドライバーが伝送線上の論理レベルを論理0から論理1に移動させる際には、伝送線の分布寄生キャパシタンスを充電する必要があります。これがCMOSロジック回路によって消費される主要な電力です。同じドライバーが論理レベルを論理1から論理0に移動させる場合、その充電を取り除く必要があります。

信号がワイヤーや伝送線を通じて送信されるとき、その中のエネルギーは電磁（EM）場の形をしています。このエネルギーは経路に沿って移動し、終端抵抗によって吸収されるか、導体の抵抗で徐々に失われるまで、経路の端で永遠に反射されます。経路の端が開放回路の場合、反射されたエネルギーは入射エネルギーと同じ極性になります。経路の端が短絡している場合、反射されたエネルギーは反転します。

ロジックライン上の電荷がゼロからワンへと移動する方法

ドライバーがロジックラインを0から1へと移動し始める瞬間、図3に示される等価回路が形成されます。見ての通り、ドライバー出力インピーダンスと上部の直列終端、および下部の伝送線のインピーダンスの組み合わせによって電圧分割器が形成されています。直列終端が適切に選択されている場合、ZoutとZstの組み合わせはZoと同じになります。この例では、両方とも50オームであり、伝送線への入力電圧はV/2になります。

図3. ドライバーがロジック0からロジック1に切り替わるときの図1の等価回路。

図4は、伝送路への入力と受信機への入力で、時間が経過するにつれての電圧波形を示しています。

図4. 図1の回路のスイッチング波形 

この図には以下のデータポイントが含まれています：

• 赤い波形は伝送路への入力であり、オレンジの波形は伝送路の末端にある受信機への入力です。
• 示されているように、0から1への遷移直後の電圧レベルは半分の大きさになります。
• これは、図3に示された電圧分割器によるものです。
• この電圧レベルはしばしば「ベンチ」電圧と呼ばれます。
• EM場の形でエネルギーが伝送路に導入されました。
• このエネルギーは、場が伝送路を通って移動するにつれて、伝送路の寄生容量をV/2の電圧レベルまで充電しています。
• 2ナノ秒後（伝送線の電気的長さ）、線はV/2まで完全に充電され、EM場は受信機で開放回路に遭遇します。このような場が開放回路に遭遇すると、場のエネルギーは吸収されません。代わりに、外向きだったときと同じ大きさで反射されます。
• 全反射の瞬間には、線の端の電圧レベルはV/2です。EM場の電圧の大きさがV/2であるため、全反射後の振幅はVになります。見ての通り、オレンジの波形はEM場が線の端に到着するとすぐにVの振幅を持ちます。復路では、伝送線の寄生容量がVまで充電されます。EM場が戻ると、図5に示された等価回路に遭遇します。

図5. 反射波がドライバーに戻るときの図1の等価回路 

図5に示されているような電圧源は、インピーダンスがゼロであることに注意すべきです。

ZoutとZstの合計が50オームであり、電圧源が短絡しているため、これらは並列終端を構成し、伝送線のインピーダンスと同じ値を持ちます。その結果、EM場の全エネルギーが吸収され、伝送線上の電圧レベルはこの回路にとって理想的なロジック1である5ボルトに安定します。

注：伝送線のインピーダンスと同じ値を持つ抵抗がその線の端に渡されると、電磁場の全エネルギーがその抵抗によって吸収されます。これ以上の反射はなく、この抵抗は並列終端としてラベル付けされます。

ロジック1からロジック0への切り替えプロセス

図1の回路がロジック1からロジック0に切り替わるとき、ドライバーは、ロジック0からロジック1に移行するためにライン容量に蓄えられた電荷を取り除く役割を担います。これは、ドライバーレベルが内部的に5Vから0Vに移動する際に発生します。ロジック0からロジック1への遷移と同様に、等価回路は図3に示されているものと同じですが、今回はラインが5Vにあり、出力インピーダンスと直列終端抵抗が0Vに接続されています。したがって、電圧分割器は以前と同様に機能しています。

その結果、ライン電圧はV/2に移動し、エネルギーがラインを下っていくにつれて、EM（電磁）場の形での電荷がライン容量からこのレベルまで取り除かれます。（この遷移の電圧レベルは-V/2です。）EM場が伝送ラインの端に2ナノ秒後に到達すると、開放回路に遭遇し、ラインを下って反射されます。反射が起こった後、ラインは0Vになります。2ナノ秒後、EM場はドライバーに戻り、図4に示された回路に遭遇し、吸収されます。

受信機での電圧波形（オレンジ色）が、望ましい、適切な正方波のロジック信号であることが見て取れます（これがこの信号経路の目標です）。この信号方式は、「反射波」スイッチングとして知られています。なぜなら、反射波が伝送線を往復する際に正しいロジックレベルを作り出すからです。これは、電流が伝送線が充電されている間だけ電力システムから引き出されるため、ロジック信号の中で最も低い消費電力の方法です。伝送線がロジック1に完全に充電されると、電流の引き出しは0になります。これは、ほとんどの個人用コンピュータに組み込まれているPCIバスで採用されているスイッチング方法です。

また、ドライバー出力の電圧波形は、スイッチングが行われるたびに伝送路を往復する遅延時間がある間、不確定な論理状態（V/2）になることに注意してください。PCIバスで行われているように、伝送路の長さに沿って負荷が配置されている場合、反射波が戻り旅をして彼らのそばを通過するまで、「データ良好」状態を経験しません。したがって、これらの入力でのデータのクロッキングは、すべての入力でデータが良好になるまで遅延させる必要があります。これは、PCIバスだけでなく、反射波スイッチングに依存する他のバスプロトコルでデータがクロックされる方法です。

ドライブインピーダンスとラインインピーダンスが一致しない場合はどうなるか？

図6に示されている回路は、図1に示されているものと同じですが、出力と直列に終端が挿入されていません。

図6. シリーズ終端なしの5ボルトCMOS回路

図7は、ロジック0からロジック1への遷移の際のスイッチング波形を示しています。示されているように、ベンチ電圧はV/2よりもはるかに高いです。実際には、全体の5ボルトの2/3、つまり3.33Vの2V/3です。これは、図3の電圧分割器が、上部抵抗が25オームまたはドライバーのZoutで、下部抵抗またはインピーダンスが50オームであるためです。これにより、2/3の電圧レベルが生じます。

図7. 図6の回路の電圧波形

図7では、EMフィールドが以前と同じ値にライン容量を充電しています。EMフィールドが生成されてから2ナノ秒後に受信機に到達すると、電圧が6.66Vに倍増して反射されます。以前と同様に、EMフィールドはライン容量を6.66Vまで充電します。さらに2ナノ秒後、EMフィールドはドライバーに戻り、図5に示されている終端に遭遇します。しかし、並列終端は50オームではなく25オームです。これは2つのことを意味しています。まず、今回の電圧分割器は上が50オーム、下が25オームです。直列終端の値がゼロオームであるため、電圧は分割されます。2つ目に起こっていることは、エネルギーの全てが吸収されていないということです。

以前と同様に、エネルギーの量は受信機での電圧レベルを倍増させ、ドライバーに向かって戻ります。ドライバーに到着すると、一部が吸収され、残りは反転して反射されます。これは、ドライバー出力インピーダンスで全てのエネルギーが吸収され、論理レベルが5Vで安定するまで続きます。図7で見ることができます。

注： 上記をもう少し詳しく掘り下げると、並列終端がそれが配置される伝送線のインピーダンスと一致しない場合、TLを下って反射したエネルギーをすべて吸収することはありません。この終端の値がTLのインピーダンスよりも大きい場合、エネルギーは入射波形と同じ極性で反射されます。これはしばしばオーバーシュートと呼ばれます。この終端の値がTLのインピーダンスよりも小さい場合、2ナノ秒後に反射されるエネルギーは反転し、入射波形の極性とは反対の極性になります。これはしばしばアンダーシュートと呼ばれます。

図7の波形には2つの問題があります。第一に、電圧がVddよりも1.66ボルト上昇します。この過剰な電圧は、ロジックの障害を引き起こしたり、受信機を損傷させる可能性があります。第二に、信号がドライバーに戻って反転した後、受信機のロジック1が4ボルト以下に落ちます。これにより、ロジック1がロジック障害を引き起こす可能性のあるレベルまで低下します。これらの状況はどちらも良くありません。これが、このような回路にシリーズ終端が追加される理由です。

図8は、信号がロジック0に切り替わったときの波形を示しています。見ての通り、このロジック状態でも同じロジック違反が発生します。

図8. 図6に示された回路のスイッチング波形、両ロジック遷移を含む

要約

差動信号と同様に、シリーズ終端伝送線はCMOSデバイスのリンクとして機能します。このタイプの伝送線は、高速信号に対して最低の電力消費を提供します。シリーズ終端伝送線がどのように動作し、どのように充電および放電されるかを理解することは、信号品質を維持し、設計通り、そして構築された通りに線が機能することを保証するのに役立ちます。

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参考文献:

1. Ritchey, Lee W.、およびZasio, John J.、Right the First Time, A Practical Handbook on High Speed PCB and System Design, 第1巻および第2巻。