直列終端伝送線路上の電圧と電流の波形

私たちの本、Right the First Time, A Practical Handbook on High Speed PCB and System Design、第1巻および第2巻、また、私たちの現地および公開コースでは、直列終端伝送線の価値について語っています。このタイプの伝送線では、線が充電されている場合を除き、電力は使用されません。これにより、最小限の電力で多くの計算を行うことができます。しかし、このタイプの線の動作を明確に理解することは混乱を招くことがあり、少し難しいです。特に、この操作がどのように機能するかを視覚化することは難しいです。この記事の目的は、この伝送線の動作を明確にし、それを示すグラフィックを提供することです。

基本

直列終端伝送線は、不一致の出力インピーダンスを持つCMOSデバイスを接続するための主要な方法です。以下の議論では、参照されるすべてのデバイスはCMOSデバイスです。CMOSデバイスは、ECL技術の終焉をもたらしました。なぜなら、ECLでは何をしても、線は常に電力を引き出し、大型機械での重大な冷却問題を引き起こしたからです。

図1は、50オームの伝送線が接続された典型的な5V CMOSドライバーと受動的なCMOSレシーバーです。

受動的な受信機は、その入力に提示された電圧波形に単に応答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、開回路とみなされます。ここでは、線は約12インチ（30 cm）長さです。PCB内のエネルギーは、約1ナノ秒につき6インチ移動します。したがって、この線は約2ナノ秒の長さです。

図1の伝送線の回路図表現は図2に示されています。

見ての通り、伝送線の長さに沿ってキャパシタンス、抵抗、およびインダクタンスが分布しています。以前の記事で述べたように、これらの要素はパラシティクスと呼ばれ、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の比率で伝送線の挙動を確立します。基板の寄生性導電率と損失角は、電圧および電流波形の基本的な形状を理解する上でそれほど重要ではないため、現時点では無視されています。十分に高い周波数では、しかし、スキン効果や銅の粗さを気にするほど高くはない場合、インダクタンスとキャパシタンスが線のインピーダンスを決定します。これは方程式1に示されています。

注意：直列終端伝送線路のドライバーを選択する際には、ドライバーの出力インピーダンスが伝送線路のインピーダンス以下でなければなりません。

方程式1では、単位長さあたりのインダクタンスをLoとして、単位長さあたりのキャパシタンスをCoとして表現されます。（これらの変数は、2Dフィールドソルバーなどのツールを使用して、特定の伝送線路タイプについて決定できます。）T0での等価回路は電圧源であり、図3はロジック0からロジック1への遷移が始まるときの等価回路です。

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路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オームです。

図4は、図1の直列終端伝送線路において、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電圧および電流の波形を示しています。

直列終端伝送線路を下って始まる電圧波形はV/2で、これは供給電圧の半分を表します。したがって、出力側では、キャパシタンスはV/2に充電されます。これは、図4の下部に示された電流波形によって表され、2つの直列抵抗上のVの簡単な計算によって示されます。

注：オームの法則は、抵抗を通る電流とそれを横切る電圧との関係を記述しています。基本的に、この法則は、抵抗を横切る電圧（ボルト）が抵抗（オーム）で割られたものがアンペアでの電流に等しいと述べています。

電流が伝送線路の遠端、つまりシャントキャパシタを持つ開放回路に到達すると、電圧はVの全スケール値の2倍になります。電磁場は伝送線路の開放端から反射され、キャパシタンスをVまで残りの部分まで充電します。電磁場が線路の始まりに戻ると、キャパシタンスは完全に充電され、電流はゼロになります。これは図4の下部で見ることができます。

図4で描かれた操作について心に留めておくべき重要なことは次のとおりです：

• グラフィックの下部にある現在の波形は、伝送線の電気的長さの2倍続きます。
• 電源サブシステムから引き出される最大電流は、伝送線のZoと供給電圧によって設定されます。
• 伝送線への入力における電流波形と電圧波形の積は、電源サブシステムによって供給されなければならない電力です。
• 波形の周波数内容は、クロック周波数によって設定されるわけではありません。

要約

高速ロジック信号を送る際の最低電力消費方法は、直列終端伝送線を使用することです。これは、ロジックラインがロジック0からロジック1に切り替えられるときにのみ回路でエネルギーが消費されるため、最低電力消費方法です。

次のPCB設計でAltiumがどのようにお手伝いできるか、もっと知りたいですか？ Altiumの専門家に相談して、設計上の決定を容易かつ自信を持って行う方法についてもっと学びましょう。