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SEAT 2010 チュートリアル CONTENTS 第1章 概要と製品検索................................................................................. 1 SEATの概要 .................................................................................................... 2 SEATの基本 .................................................................................................... 3 製品の検索 製品名から検索・簡易検索......................................................................... 4 詳細検索 ..................................................................................................... 5 シリーズレンジチャート ............................................................................ 6 第2章 特性の表示 ........................................................................................ 7 周波数特性 チップビーズのインピーダンス特性 .......................................................... 8 コモンモードフィルタのインピーダンス特性 ............................................ 9 積層セラミックコンデンサのインピーダンス、ESR特性 ........................ 10 積層セラミックコンデンサのESL特性 ..................................................... 11 積層セラミックコンデンサのtanδ特性 ................................................... 12 インダクタのインダクタンス、Q特性 ..................................................... 13 3端子フィルタのSパラメータ特性 ........................................................... 14 3端子フィルタアレイのSパラメータ特性 ................................................ 15 積層セラミックコンデンサのSパラメータ特性 ....................................... 16 コモンモードフィルタのミックストモードSパラメータ特性 .................. 17 コモンモードフィルタアレイのミックストモードSパラメータ特性 ....... 18 周波数特性ボタンの種類 .......................................................................... 19 DCバイアス特性 インダクタ ................................................................................................ 21 積層セラミックコンデンサ....................................................................... 22 温度特性 インダクタ ................................................................................................ 23 積層セラミックコンデンサ....................................................................... 24 電流vs.電圧特性 チップバリスタ......................................................................................... 25 抵抗vs.温度特性 NTCサーミスタ ........................................................................................ 26 第3章 シミュレーション ........................................................................... 27 パルス応答シミュレーション シングルエンド......................................................................................... 28 差動........................................................................................................... 30 TDRシミュレーション 差動........................................................................................................... 32 温度上昇 直流電流によるインダクタ....................................................................... 34 交流電流（リップル）による積層セラミックコンデンサ ........................ 36 静電気放電シミュレーション ....................................................................... 38 NTCサーミスタシミュレーション ............................................................... 40 第4章 ツール ............................................................................................. 43 ユーザ定義フィルタ 積層セラミックコンデンサの並列接続 ..................................................... 44 LCフィルタの作成 .................................................................................... 46 特性インピーダンス計算ツール 単線路 ....................................................................................................... 48 結合線路 ................................................................................................... 49 第5章 その他 ............................................................................................. 51 グラフの操作 軸設定とマーカ......................................................................................... 52 アラームゾーンとグラフ線....................................................................... 53 最新版へのアップデート .............................................................................. 54 技術支援ツール ............................................................................................ 55 Appendix1 Sパラメータの基礎 ............................................................ 57 Appendix2 電子部品の分類 ................................................................... 67 第１章 概要と製品検索 SEATの概要 SEATはSElection Assistant of TDK componentsの略称で、部品の特性を表示したり、 簡単なシミュレーションをしたりすることができます。 SEATの主な機能 ・ 部品の特性表示機能 ①周波数特性 （インピーダンスやSパラメータなど） ②DCバイアス/温度特性 ③チップバリスタのI-V特性 ④NTCサーミスタのR-T特性の表示 製品リスト 2 周波数特性 シミュレーション機能 ・シミュレーション機能 ①パルス応答（シングル/差動） ②TDR（シングル/差動） ③温度上昇 ④静電気放電 ⑤NTCサーミスタの出力電圧 ・ツール ①ユーザ定義フィルタ ②ユーザ定義コンポーネント ③特性インピーダンス計算ツール DCバイアス/温度特性 製品スペック 検索機能 ・その他 ①豊富な部品検索機能 ②インターネット更新 SEATの基本 SEATでは、特性を表示する場合でも、シミュレーションをする場 合でも、対象となる製品を画面左の製品リストで選択することから 始まります。 製品リストでは、カテゴリやサブカテゴリ、形状、シリーズなどで 分類されていて、この中から評価したい製品をマウスで選択します。 特性表示の手順 製品リストで選択 製品リストで製品を選択 リボンの特性ボタンをクリック 2章参照 3 製品スペックが更新 シミュレーションの手順 シミュレーションでDUTとなる製品を、製品リストで選択 シミュレーション条件フォームを起動して、条件を設定 シミュレーション実行ボタンをクリック 3章参照 製品の検索[製品名から検索・簡易検索] SEATには、製品を検索するための機能が複数実装されています。ここでは、「製品名から検索」と「簡易検索」を取り上げます。 製品名から検索 [ホーム]タブの[製品名]のテキストボックスに、製品名に含まれる文字列（一部でも可）を入力し、 もしくは をクリック 「製品名から検索」では、ワイルドカード （＊や？）を使用することはできません。 4 簡易検索 ①[ホーム]タブの[簡易検索]ドロップダウンメニューを開いて、製品 リストとカテゴリを選択 ②形状やその他の項目から検索条件を設定（順序は任意） ③右側のリストに検索結果が表示 ダブルクリックで製品リスト上で選択状態にすることができます。 製品の検索[詳細検索] 詳細検索では、簡易検索よりも高度な検索が可能です。たとえば、文字列の検索でワイルドカード（＊や？）が使えたり、製品スペックの検 索では値の範囲を指定したり、周波数特性から検索したりすることもできます。また、製品の分布状態をマップとして表示する機能も実装し ています。 5 ワイルドカードの使用 スペックからの検索 周波数特性 からの検索 マップオプション リスト表示 マップ表示 マップ上でシンボルを ダブルクリックするこ とで製品リスト上で選 択状態にすることがで きます。 製品の検索[シリーズレンジチャート] シリーズレンジチャートは、各製品シリーズの代表特性の範囲をチャート化する機能です。 レンジチャート 6 ①カテゴリとシリーズ を選択 チャートリスト ダブルクリックするこ とで製品リスト上で選 択状態にすることがで きます。 ②[チャート更新]ボタン をクリック 第２章 特性の表示 チップビーズのインピーダンス特性 チップビーズは、EMI対策部品として、LSIの電源ラインのデカップリングや、デジタル信号のオーバー /アンダーシュートの抑制などの用途 で使用されます。 Step1 Result |Z|: インピーダンスの絶対値 製品リストでMMZ1005B121Cを選択 X: インピーダンスのリアクタンス成分 8 R: インピーダンスの抵抗成分 Step2 [インピーダンス]タブの|Z|、R、Xボタンをクリック ・ チップビーズは種類によって、RとXのクロスポイントが異なります。 クロスポイントはノイズ除去効果や波形の歪み方に影響します。 ・ [インピーダンス]タブの中のDCバイアスを変更することで、DCバイアス 印加時の周波数特性を見ることもできます。 コモンモードフィルタのインピーダンス特性 コモンモードフィルタは電源回路や差動伝送ラインで使用されます。インピーダンス特性を表示する場合はモード（コモン/ディファレンシャ ル）を選択する必要があります。 Step1 製品リストでACM2520-301-2Pを選択 Result |Zc|:コモンモードインピーダンス の絶対値 9 |Zd|:ディファレンシャルモードインピーダンス の絶対値 Step2 [インピーダンス]タブの[モード]を選択して、|Z|ボタンをクリック ・ コモンモードフィルタの特性としては、一般的には|Zc|>>|Zd|であること が求められます。 ・ その他の特性（RやLsなど）もモード別に表示します。例えば、Lscはコ モンモード等価直列インダクタンスを表します。 積層セラミックコンデンサのインピーダンス、ESR特性 積層セラミックコンデンサは、RF回路の整合や、LSIの電源ラインのデカップリングなどのさまざまな用途で使用されます。デカップリング 用途で使用されるコンデンサのESR（等価直列抵抗）は、電圧変動の影響を知るために評価されます。また、近年では電圧変動の影響を低減 するために、任意のESR値になるように設計されたものも存在します。 Step1 製品リストでCERD2CX5R0G106M（ESRコントロールタイプ）を 選択 Result |Z|:インピーダンスの絶対値 10 R:インピーダンスの抵抗成分(ESR) Step2 [インピーダンス]タブの|Z|、Rボタンをクリック ・ 通常の積層セラミックコンデンサのESRは、形状と容量に依存しますが、 おおむね数m ∼数十mです。一方、ESRコントロールタイプは数十 m ∼数程度がラインナップされています。 積層セラミックコンデンサのESL特性 LSIのスイッチングによる電圧変動の影響を低減するために、デカップリング用途で使用されるコンデンサのESL（等価直列インダクタンス） の値は、できるだけ小さいものが要求されます。 Step1 製品リストでC0816JB1C104K（フリップタイプ–LW逆転）を選択 Result （参考）標準タイプ 11 フリップタイプ Step2 [インピーダンス]タブのLsボタンをクリック ・ 通常の積層セラミックコンデンサのESLは、形状と容量に依存しますが、 おおむね0.5 ∼ 1nHです。一方、フリップタイプなどの低ESLタイプは 数十pH ∼ 0.2nH程度がラインナップされています。 積層セラミックコンデンサのtanδ（誘電正接）特性 tanδは、主にコンデンサのリアクタンスの純度を示す値として評価され、この値が小さければ小さいほど、コンデンサでの電力損失が小さい ということになります（理想的なコンデンサは電力を損失しません） 。 Step1 Result 自己共振周波数 製品リストでC3216X7R1H474Kを選択 コンデンサ としてのtanδ 12 Step2 [インピーダンス]タブのD(tanδ)ボタンをクリック tanδは「%」で表す ことが一般的です。 インダクタのインダクタンス、Q特性 RF回路の整合用途に使用するインダクタは、RF信号をできるだけロスなく伝送させるために、高いQのものが求められます。また、周波数に よってインダクタンスに違いがあるので、公称インダクタンスの値ではなく、使用する周波数でのインダクタンスを知ることも重要です。 Step1 Result-Ls 1.002nH at 100MHz 0.938nH at 2.4GHz 製品リストでMLG0603Q1N0CT（積層セラミック・High-Qタイプ） を選択 13 Result-Q High-Qタイプ Step2 [インピーダンス]タブのLs、Qボタンをクリック （参考）標準タイプ 3端子フィルタのSパラメータ特性（リターンロス、挿入損失） 3端子フィルタは、ひとつの部品の中に複数のインダクタやコンデンサを集積することで、信号を急峻に減衰させたり、減衰量を大きくしたり するために使用されます。3端子フィルタは、インピーダンス特性では全体の特性を表現できないので、シングルエンドSパラメータを使って、 減衰量をdBで表すことが普通です。 ・シングルエンドSパラメータ （例） S11 ポート1から入射した信号がポート1に反射する量 （リターンロス） S21 ポート1から入射した信号がポート2に透過する量 （挿入損失） Sij 出力ポート 部品の端子とポート番 号 と の 関 係 は、SEAT の画面左下のポート配 置の中に記載されてい ます。 入力ポート 14 Step1 製品リストでMEM2012S25R0T001 を選択 Step2 Result |S11（ | リターンロス） ポート配置図を確認しながら、[Sパラメータ] タブで出力/入力ポートを選択して、|S|ボタン をクリック |S21（ | 挿入損失） 3端子フィルタアレイのSパラメータ特性（クロストーク） 3端子フィルタアレイは、ひとつの部品の中に複数のインダクタやコンデンサで構成されたフィルタを複数個集積したもので、実装面積を大幅 に削減できるため、携帯電話などの高密度実装機器などで多く使用されます。一方、各フィルタが隣接していますので、周波数が高くなって くると、クロストークの影響が問題になる場合があります。 Step1 Result 製品リストでMEA1210D501Rを選択 |S21（近端クロストーク） | 15 |S31（ | 遠端クロストーク） Step2 ポート配置図を確認しながら、[Sパラメータ]タブで出力/入力ポート を選択して、|S|ボタンをクリック 積層セラミックコンデンサのSパラメータ特性（Series-thruとShunt-thru） SEATに掲載されている一部の積層セラミックコンデンサやチップバリスタのSパラメータは、Series-thruもしくはShunt-thruが選択できるよ うになっています。特性を表示する際には、間違えないように注意してください。 |S21（Series-thru） | Step1 Result 1 2 製品リストでC1005JB1H221Kを選択 16 |S21（Shunt-thru） | 1 Step2 ポート配置図を確認しながら、[Sパラメータ]タブでSeries/Shunt、 出力/入力ポートを選択して、|S|ボタンをクリック 2 コモンモードフィルタのミックストモードSパラメータ特性（リターンロス、挿入損失） コモンモードフィルタは従来はコモンモード/ディファレンシャルモードインピーダンスで評価されてきましたが、近年の差動伝送の高速化に 伴いミックストモードSパラメータで評価されるようになってきました。シングルエンドSパラメータにモード（cやdなど）の添字を付加して 表現します。 ・ミックストモードSパラメータ 入力モード 入力ポート Smnij 出力モード ミックストモードS パラメータのポー ト 番 号 は、 赤 色 で Logical Portと し て 記載されています。 （例） Scd21 論理ポート1から入射した ディファレンシャルモード信号が、 コモンモードに変換されて 論理ポート2に透過する量 出力ポート Step1 製品リストでTCM1210H-900-2Pを 選択 17 Step2 ポート配置図を確認しながら、[Sパラメータ] タブでモードおよび出力/入力ポートを選択し て、|S|ボタンをクリック Result |Sdd21（ディファレンシャルモード | の挿入損失） |Scc21（コモンモードの挿入損失） | |Sdd11（ディファレンシャルモード | のリターンロス） コモンモードフィルタアレイのミックストモードSパラメータ特性（クロストーク） コモンモードフィルタアレイは、DVIなどのように差動伝送ラインが複数チャンネル配置されている部分に使用しますが、高速信号を扱う場合 はクロストークの影響が無視できなくなります。 Step1 製品リストでTCM1608G-900-4Pを選択 Result |Sdd21（ディファレンシャル | モードの近端クロストーク） 18 |Sdd31（ディファレンシャル | モードの遠端クロストーク） Step2 ポート配置図を確認しながら、[Sパラメータ]タブでモードおよび 出力/入力ポートを選択して、|S|ボタンをクリック 周波数特性ボタンの種類-1 インピーダンス リアクタンス インピーダンスの絶対値 抵抗 アドミタンスの絶対値 等価直列インダクタンス コンダクタンス インピーダンスの位相 Sパラメータ 等価直列キャパシタンス サセプタンス 等価並列インダクタンス アドミタンスの位相 品質係数 スミスチャート 散逸（損失）係数 等価並列キャパシタンス 群遅延 Sパラメータの絶対値 Sパラメータの位相 定在波比 スミスチャート 電力損失 電力散乱 19 周波数特性ボタンの種類-2 影像インピーダンス 影像インピーダンスの虚数部 影像インピーダンスの絶対値 20 影像インピーダンスの実数部 影像インピーダンスの位相 除去比 バラン 同相除去比 振幅バランス 同相除去比 差動除去比 位相バランス 差動除去比 インダクタの直流重畳特性 一般にインダクタのインダクタンスは、室温中で、ある周波数の小振幅信号で測定したときの値が代表値として使用されます。しかし、電源 回路などでは、直流が重畳された状態で使用されるため、インダクタンスの値が大きく変化する場合があります。 Step1 Result 製品リストでVLC5045T-6R8Mを選択 20°C 周囲温度：–20°C 105°C Step2 [DCバイアス/温度特性]タブの[DCバイアス特性]グループで、周波数、 信号レベル、周囲温度を選択・設定して、Lsボタンをクリック 21 積層セラミックコンデンサのDCバイアス特性 一般に積層セラミックコンデンサの容量値は、室温中で、ある周波数の小振幅信号で測定したときの値が代表値として使用されます。しかし、 デカップリング回路のようにDCバイアスが印加される場合は、容量値が大きく変化する場合があります。 Step1 製品リストでC3216X5R1H105Kを選択 Result 周囲温度：20°C 22 Step2 [DCバイアス/温度特性]タブの[DCバイアス特性]グループで、周波数、 信号レベル、周囲温度を選択して、Csボタンをクリック ・ 積 層 セ ラ ミ ッ ク コ ン デ ン サ の 公 称 容 量 値 は、1kHz–1Vrmsや120Hz– 0.5Vrmsなどの条件で測定されます。 ・ 積層セラミックコンデンサの主な定格電圧記号 0G:4V 0J:6.3V 1A:10V 1C:16V 1E:25V 1H:50V 2A:100V 2E:250V 2J:630V インダクタの温度特性 一般にインダクタのインダクタンスは、室温中で、ある周波数の小振幅信号で測定したときの値が代表値として使用されます。しかし、使用 する環境の温度によっては、インダクタンスの値が大きく変化する場合があります。 Step1 Result 製品リストでVLC5045T-6R8Mを選択 直流重畳:0A 0.8A 1.6A Step2 [DCバイアス/温度特性]タブの[温度特性]グループで、周波数、信号 レベル、DCバイアスを選択・設定して、Lsボタンをクリック 23 積層セラミックコンデンサの温度特性 一般に積層セラミックコンデンサの容量値は、室温中で、ある周波数の小振幅信号で測定したときの値が代表値として使用されます。しかし、 使用する環境の温度によっては、容量値が大きく変化する場合があります。 Step1 製品リストでC3216X5R1H105Kを選択 Result DCバイアス:0V 25V 24 Step2 [DCバイアス/温度特性]タブの[温度特性]グループで、周波数、信号 レベル、DCバイアスを選択して、Csボタンをクリック ・ 積層セラミックコンデンサの主な温度特性記号 JB: –25 ∼ +85°C/±10% JF: –25 ∼ +85°C /+30,–80% X5R: –55 ∼ +85°C/±15% X6S: –55 ∼ +105°C/±22% X7R: –55 ∼ +125°C/±15% X8R: –55 ∼ +150°C/±15% Y5V: –30 ∼ +85°C /+22,–82% チップバリスタの電流vs.電圧特性 チップバリスタは通常は積層セラミックコンデンサのように振る舞いますが、大きな電圧が印加されると、急激に抵抗が減少して、電流が流 れる非線形素子です。その特性を確認するために、電流vs.電圧特性を表示します。 Step1 Result 製品リストでAVR-M1608C080MTAABを選択 25 このあたりから急激に電流が流れる Step2 [その他の特性]タブの、I-Vボタンをクリック NTCサーミスタの抵抗vs.温度特性 NTCサーミスタは温度によって抵抗値が変化する部品で、 温度センサとして利用されます。NTCのNはNegativeの頭文字で、 負の温度係数を持っ ています（つまり温度が高くなればなるほど、抵抗値が小さくなる） 。 NTCサーミスタにはB定数という値が代表特性として使われますが、B定数とは温度に対する抵抗の変化率を表したものです。つまり、この値 が大きければ大きいほど、温度に対して敏感な素子だといえます。 Step1 Result 製品リストでNTCG203EH471Jを選択 （参考）4150K→傾きが大きい 26 B定数：3250K Step2 [その他の特性]タブの、R-Tボタンをクリック 第３章 シミュレーション パルス応答シミュレーション[シングルエンド]（設定） デジタル伝送で利用されるパルス波は、基本周波数とその高調波を含んでいます。高周波の信号は、基板上の短い伝送線路などからも簡単に 放射されるため、不要輻射の原因となります。そのため、チップビーズなどを使って、デジタル信号としての品質を保ちつつ、高調波成分の みを減衰させる手法がとられています。 28 Step1 [シミュレーション/ツール]タブの[パルス応答シ ミュレーション–シングルエンド]ボタンをクリック Step2 各条件（入力波形、ダンピング抵抗、ドライバ、 レシーバ、伝送線路、観測点など）を設定（ここ では既定値のまま） Step3 DUTとして、製品リストでMMZ1005B121Cを 選択 Step4 [シミュレーション実行]ボタンをクリック パルス応答シミュレーション[シングルエンド]（結果） Result MMZ1005B121C チップビーズ1個でオーバー / アンダーシュートを抑制 （参考）MMZ1005D121C+ダンピング抵抗 （100） ダンピング抵抗を組み合わせることで、リンギン グを抑制し、かつ高周波成分を大きく減衰 ダンピング抵抗 29 フィルタなし （参考）MMZ1005D121C リンギングが発生 伝送波形 スペクトラム パルス応答シミュレーション[差動]（設定） USBやHDMIなどの近年の高速シリアル伝送には、差動伝送方式が採用されています。差動伝送は、外来ノイズに強く、高速伝送化に向いてい ますが、伝送線路が非対称であったり、スキュー（差動信号の時間的なずれ）などによりコモンモード成分が発生します。コモンモード電流 は小さな電流でも大きな不要輻射の原因になるため、これらを抑制するためにコモンモードフィルタが利用されます。 30 Step1 [シミュレーション/ツール]タブの[パルス応答 シミュレーション–差動]ボタンをクリック Step2 各条件（入力波形、出力/入力インピーダンス、 伝送線路、観測点など）を設定（ここでは既定値 のまま） Step3 DUTとして、製品リストでACM3225-102-2Pを 選択 Step4 [シミュレーション実行]ボタンをクリック パルス応答シミュレーション[差動]（結果） Result ACM3225-102-2P スキューを抑制して伝送信号を改善 （コモンモード成分のみを大きく減衰） 31 フィルタなし 伝送波形 （参考）MMZ1608R102A チップビーズは差動伝送には不適 伝送波形（コモンモード成分のみ） TDRシミュレーション[差動]（設定） TDR(Time Domain Reflectometry)は、ステップパルスを回路に入力し、その反射波から回路の特性インピーダンスを求める手法です。特に数 百MHz以上の信号を扱う場合は、伝送線路やそこで使用する部品もできるだけ整合していることが求められます。 32 Step1 [シミュレーション/ツール]タブの[TDRシミュレー ション–差動]ボタンをクリック Step2 各条件（システムインピーダンス、入力パルスな ど）を設定（ここでは既定値のまま） Step3 DUTとして、製品リストでACM2012H-900-2Pを 選択 Step4 [シミュレーション実行]ボタンをクリック TDRシミュレーション[差動]（結果） Result ACM2012H-900-2P 高速差動伝送用として、ほぼ100に整合 例：HDMI スペック 85 ∼ 115 （参考）標準タイプ 33 直流電流によるインダクタの温度上昇（設定） 電源回路で使用されるインダクタには大きな直流電流が流れることがありますが、インダクタの巻線抵抗によって電力を消費するため、イン ダクタそのものの温度が上昇します。インダクタの温度は、電流値の2 乗に比例して上昇しますので、実使用の際にも特に注意が必要です。 34 Step1 [シミュレーション/ツール]タブの[その他のシミュ レーション–温度上昇]ボタンをクリック Step2 製品リストでVLC6045-100Mを選択 Step3 [インダクタ]タブで周囲温度を設定（熱抵抗と直 流抵抗は、選択されている製品の参考値が自動で 入力されます） Step4 [シミュレーション実行]ボタンをクリック ・ 熱抵抗とは、インダクタで1W消費したときに、上昇する温度のことをい います。つまり、この値が小さければ小さいほど、大電流が流れた時に 温度が上昇しにくいことを表します。 直流電流によるインダクタの温度上昇（結果） Result 25°C 105°C 35 周囲温度：–20°C 交流電流（リップル）による積層セラミックコンデンサの温度上昇（設定） 積層セラミックコンデンサは、周波数が高くなるとインピーダンスが小さくなるため、大きな高周波電流が流れることで、コンデンサそのも のの温度が上昇します。特に整流後の平滑コンデンサとして使用する場合に、大きなリップル電圧によって、コンデンサの温度が上昇する場 合がありますので、注意が必要です。 36 Step1 [シミュレーション/ツール]タブの[その他のシミュ レーション–温度上昇]ボタンをクリック Step2 製品リストでC4532X5R1H155Kを選択 Step3 [コンデンサ]タブで、各条件（電源インピーダン スなど）を設定（熱抵抗は、選択されている製品 の参考値が自動で入力されます） Step4 [シミュレーション実行]ボタンをクリック ・ 熱抵抗とは、コンデンサで1W消費したときに、上昇する温度のことをい います。つまり、この値が小さければ小さいほど、大電流が流れた時に 温度が上昇しにくいことを表します。 交流電流（リップル）による積層セラミックコンデンサの温度上昇（結果） Result 200kHz 500kHz 37 周波数：100kHz 静電気放電シミュレーション（設定） 静電気として、数kVといった電圧が瞬間的に放電されることで、LSIが壊れてしまうことがありますが、この対策としてチップバリスタがよ く使用されます。チップバリスタは通常はコンデンサのように振る舞いますが、ある電圧以上が印加されると、急激に抵抗が減少して、電流 が流れる非線形素子です（2章：チップバリスタの電流vs.電圧特性参照）。この部品を、グランドとの間に挿入することで、大きな電圧が印加 されたときに、LSIに大電流が流れて壊れてしまうことを防ぎます。 Step1 [シミュレーション/ツール]タブの[その他のシミュ レーション–静電気放電（バリスタ）]ボタンをク リック Step2 製品リストでAVR-M1005C080MTAABを選択 Step3 CRモデルを設定（ここでは既定値のまま） Step4 [シミュレーション実行]ボタンをクリック 38 静電気放電シミュレーション（結果） Result フィルタなし →負荷に大電圧が印加 チップバリスタ →大幅に電圧を抑制 39 NTCサーミスタシミュレーション（設定） NTCサーミスタは、温度によって抵抗値が変わるため（2章：NTCサーミスタの抵抗vs.温度特性参照）、温度センサとして利用されます。一般 的には、NTCサーミスタといくつかの抵抗器と組み合わせて、そこに電圧を印加し、その出力電圧の変化から温度を判別する手法がとられます。 40 Step1 [シミュレーション/ツール]タブの[その他のシミュ レーション–NTCサーミスタ]ボタンをクリック Step2 製品リストでNTCG104BH103Hを選択 Step3 Step4 各条件（回路、入力電圧、抵抗値など）を設定 （ここでは既定値のまま） [シミュレーション実行]ボタンをクリック NTCサーミスタシミュレーション（結果） 傾きが大きいほど、温度に対する 感度が良好ということ Result 5k R1=1k 41 Max. Typ. 20k Min. 第４章 ツール ユーザ定義フィルタ[積層セラミックコンデンサの並列接続]（設定） ユーザ定義フィルタは、複数の部品を組み合わせて、1 つの仮想部品を作成する機能です。たとえば、チップビーズを直列に接続したり、コ ンデンサを並列に接続したりして、そのインピーダンス特性を確認することができます。そのほかに、インダクタとコンデンサを使ってLCフィ ルタを構成し、Sパラメータ特性（リターンロスや挿入損失など）を確認するといったこともできます。 ここでは、積層セラミックコンデンサを3個並列に接続したときのインピーダンス特性を確認してみます。 Step1 [シミュレーション/ツール]タブの[ツール–ユーザ定義フィルタ]ボタ ンをクリック 0.01μF 0.1μF 1μF 44 Step2 [並列接続（1ポート）]タブを開き、製品リストで組み合わせるコンデ ンサを選択して、[適用]ボタンをクリック （ここでは、 C1608JB1H103K(C=0.01μF)、 C1608JB1H104K(C=0.1μF)、 C1608JB1E105K(C=1μF)を設定） Step3 出力名とコメントを入力して、[作成]ボタンをクリック ユーザ定義フィルタ[積層セラミックコンデンサの並列接続]（結果） Result 合成した製品は、 ユーザ製品リストの中に登録されます。また製品プロパティには、 合成タイプや合成した製品のリスト、 登録日が表示されます。 C1608JB1H104K(C=0.1μF) ユーザ製品リスト C1608JB1H103K(C=0.01μF) 45 C1608JB1E105K(C=1μF) 合成した製品-3Caps インピーダンスの絶対値特性 ユーザ定義フィルタ[LCフィルタの作成]（設定） ここでは、インダクタと積層セラミックコンデンサ（Shunt-thru）を接続して、LCフィルタを作成してみます。 Step1 [シミュレーション/ツール]タブの[ツール–ユーザ定義フィルタ]ボタ ンをクリック 1μH 1 46 Step2 [縦続接続（2ポート）]タブを開き、製品リストで組み合わせるイン ダクタとコンデンサを選択して、[適用]ボタンをクリック （ここでは、MLP2012S1R0M(L=1μH)、C1608JB1H104K(C=0.1μF: Shunt-thru)を設定） ・ Sパラメータの配置はリボンの[Sパ ラメータ]タブの中で設定します。 Step3 出力名とコメントを入力して、[作成]ボタンをクリック 0.1μF 2 ユーザ定義フィルタ[LCフィルタの作成]（結果） Result 合成した製品は、 ユーザ製品リストの中に登録されます。また製品プロパティには、 合成タイプや合成した製品のリスト、 登録日が表示されます。 MLP2012S1R0M(L=1μH) ユーザ製品リスト 47 合成した製品-LC Filter |S21|特性（挿入損失） C1608JB1H104K(C=0.1μF/Shunt-thru) 特性インピーダンス計算ツール[単線路] 特性インピーダンス計算ツールは、基板の寸法（線路幅や基材の厚みなど）と材料の比誘電率から、特性インピーダンスを計算するツールです。 Step1 [シミュレーション/ツール]タブの[ツール–特性インピーダンス計算 ツール]ボタンをクリック 48 Step2 左側のリストから線路の種類を選択 Step3 表示される絵を参考に、各寸法と比誘電率を入力して、[計算]ボタン をクリック Result 特性インピーダンス（Z0）と実効比誘電率（εeff）が計算されます。 特性インピーダンス計算ツール[結合線路] 前ページの単線路と同じ手順で、結合線路の特性インピーダンスを計算することができます。 Result コモン/ディファレンシャルモードの特性インピーダンス（Z0）と実効比誘電率（εeff）が計算されます。 49 第５章 その他 グラフの操作[軸設定とマーカ] SEATで表示されるグラフは、統一された方法で操作することができます。 軸設定 [グラフ設定]ペインの[XY軸]グループで設定 マーカ [グラフ設定]ペインの[マーカ]グループで設定 52 チップビーズのインピーダンスの絶対値特性 ・ Ctrlキーを押しながら、マウスでグラフの領域を選択することで、その部 分を拡大することができます。 ・ グラフ上でダブルクリックをすることで、XY軸ともにオートレンジ設定 となります。 チップビーズのインピーダンスの絶対値特性 マーカを表示したいアイテムを選択 （選択したアイテムは背景が白） グラフの操作[アラームゾーンとグラフ線] SEATで表示されるグラフは、統一された方法で操作することができます。 アラームゾーン [グラフ設定]ペインの[アラームゾーン]グループで設定 グラフ線 [グラフ設定]ペインの[グラフ線]グループで設定 Sパラメータの基準 インピーダンス：50 53 10 温度特性X7Rの範囲 積層セラミックコンデンサの温度特性 150 基準インピーダンスの違いによる 3端子フィルタの|S21|特性 グラフ線を変更したいアイテムを選択 （選択したアイテムは背景が白） 最新版へのアップデート SEATは、インターネットに接続できる環境であれば、差分データのみをダウンロードして最新版へアップデートすることができます。アップ デートの有無の確認だけであれば数秒で終わりますので、時々実行するようにしてください。 Step1 インターネットに接続できる環境で、[ウィンドウ/ヘルプ]タブの [最新版のチェック]ボタンをクリック 54 Step2 画面に表示されたウィザードに従って、最新版へのアップデートを 実行 TDKの技術支援ツール TDKでは、SEATのほかに、回路シミュレータ用電子部品モデル「TVCL」や部品特性ビューア「CCV」を提供しています。 ・部品特性解析ソフト「SEAT」(SElection Assistant of TDK components) http://www.tdk.co.jp/seat →部品の特性を表示したり、シミュレーションしたりできるWindows用ソフトウェア ・部品特性ビューア「CCV」(Components Characteristic Viewer) http://www.tdk.co.jp/ccv →部品の特性をブラウザ上で表示できるWebアプリケーション ・回路シミュレータ用電子部品モデル「TVCL」(TDK Virtual Components Library) http://www.tdk.co.jp/tvcl →回路シミュレータ用データおよびモデル集 55 TVCLの内容 分類 汎用電子部品モデル 名前 概要 S-parameter Data Library 実測のSパラメータデータ集 等価回路モデルライブラリ PDF形式の等価回路モデル集 SPICE Netlist Library ネットリスト形式の等価回路モデル集 Cadence Allegro® PCB PI option用電子部品モデル Cadence Allegro® PCB SI用電子部品モデル シミュレータ専用電子部品モデル 等価回路モデル 図研CR-5000 Lightning用電子部品モデル Ansoft Designer ® & NEXXIM®用電子部品モデル Agilent ADS用電子部品モデル AWR Microwave Office用電子部品モデル 等価回路モデル、回路図シンボル、フットプ リントデータ Appendix1 Sパラメータの基礎 A1-1 定義 Sパラメータ（Scattering parameter）とは、交流信号を波動と捉えたとき、 その波の散乱度合いで対象となる回路の特性を表わしたものです。｢散乱｣ という用語は、ここでは反射（入射側に戻ってくるもの）と伝送（別な方向 に伝わるもの）の総称です。 図A1-1に光との類推で図示してみました。 「度合い」というのは、どの 程度減衰されて、あるいは増幅されて伝わるかということを指しています が、それを電力（正確にはその平方根を取ったもの）で計量します。散乱度 合い （Sパラメータ）によって対象回路の線形な性質はすべて把握できます。 図A1-1 Sパラメータの概念図（光との類推） 入射a1 （A1-1） Sパラメータは比なので、基本的には無次元量です（単位がありません） 。 しかし、その大きさを言う場合、常用対数をとって、dB単位で表わすのが普 通です。参考のため、表A1-1に代表的な値を載せておきました。 表A1-1 Sパラメータの大きさ 透過,伝送b2 反射b1 対象物 58 S21=b2/a1 S11=b1/a1 対象回路のポート（出入り口）に番号を付け、｢ポート j に入射→ポート i で 検出｣されるSパラメータをSijと記します。i＝jの場合は反射、i≠jの場合は 伝送を表わします。 従って、nポート回路の場合、n 2 個のSパラメータが存在することになり ますが、それらを行列の形に並べたのをS行列（散乱行列）と言います（式 （A1-1） ）。詳細な定義は教科書（[1] ∼ [5]）などを参照してください。 A1-2 性質 Sパラメータのいくつかの性質を列挙します。これらは覚えておくと便利 です。 ・無損失回路の場合、S行列はユニタリ行列になります。従って、2ポート 回路では、 （Feldtkellerの公式） が成り立ちます。損失が無いので全割合を足せば100%になるということ です。 このことから、｢S21（S11）が大きいときはS11（S21）が小さい｣という関係に あることがわかります。 ・2ポート受動回路の場合は、 （ 等 号 は 無 損 失 の と き。 前 記 ）と な り ま す。 従 っ て、受 動 回 路 のSパ ラ メ ー タ は1（0dB）を 越 え ま せ ん。 こ の 左 辺、 を"電力散乱率"と称します。それは、対象回路の中で どの程度電力が消費されるかを示しています。 で、小さいほど損失性ということになります。 ・カットオフ周波数とは、フィルタなどでその通過域と阻止域の境界を示 す周波数です。概略、|Sij|=–3dB（半分の電力が通過する）となる周波数と 考えてよいでしょう。従って、無損失2ポート回路の場合、カットオフ周波 数では、|S11|=|S21|となっています（|S11|のグラフと|S21|のグラフの交点、実 例は図A1-6参照） 。 ・可逆な回路（受動部品で言えば一方向系（アイソレータやサーキュレー タなど）でないもの）は、S行列が対称行列になります。 従って、Sij=Sjiです。ミックストモードSパラメータ（A1-10節参照）でも同 様に、Scc21=Scc12, Scd21=Sdc12, Sdc21=Scd12, Sdd21=Sdd12が成り立ちます。 A1-3 Touchstoneフォーマット Sパラメータの測定は、最近ではネットワークアナライザを使うのが一般 的です。その際、データを保存する形式としては、後に数値としてやり取 りしたり、シミュレータで使う予定があるなら、いわゆるTouchstone形式 （のテキストファイル（.snp） ）にしておく必要があります。Touchstoneファ イルの例を図A1-2に示します。 図A1-2 Touchstoneファイルの例 option line（#行）の意味は表A1-2をご参照ください[6]。次の行からは、 複数の列で構成された数値が並びます。一番左の列は周波数です。この例 ではDC ∼ 6GHz（0Hz ∼ 6000MHz）になっています。周波数範囲やその 間隔は任意ですが、低い順に並んでいなくてはなりません。残りの8列は、 その周波数でのSパラメータ値です。2ポートの場合は、S11、S21、S12、S22の 順に並んでいます。各Sパラメータは2つの実数（この例ではMA形式だか ら絶対値と位相）で表わされていますので、全部で8列（周波数を入れると9 列）となります。2ポート以外の場合もほぼ同じです（数値の並び順が行列 のようになるなど、多少の違いはありますが）。 表A1-2 option line（#行）の文法 例 規格 MHz 周波数の単位。 S 回路行列の種類。S/Z/Yなど。 MA 複素数の表現形式。MAは絶対値と位相(magnitude/ angle)のこと。 その他にRI(real/imaginary)とDB(dB/angle)という形 式もある。位相の単位は｢度｣。 R50 基準インピーダンス/を示す。 R50は、50ということ。 A1-4 Sパラメータを使う理由 電子機器の高速化に伴ない、デジタル設計においてもアナログ的な性質 （SI= Signal Integrity）が重視されてきました。そのため、従来はやや特殊な 扱いであったSパラメータも、今また注目が集まっています。Sパラメータ は、どういう場面で、そしてどういう理由で使われるのでしょうか。いく つかを列挙してみました。 ・信号や電力（エネルギー）の授受を表わしている：そのため、フィルタの 減衰量や能動素子の変換利得など、物理量として意味がある。 59 ・高周波では、対象物が波長程度の大きさになり、場所による時間差を考慮 する必要がある。そのため反射、伝送といった関係で現象を捉えた方が理 解しやすいし、 式も簡潔になる。伝送線路のSパラメータが、 式（A1-13） のような簡単な式で表わされるのは、そういったことの一端である。 ・受動回路では常に存在する（発散しない） ：従って、例えば理想トランス 網の解析などに有効。 ・高周波で測定可能：厳密な開放、短絡といった終端条件は、高周波では実 現が難しい。その点、Sパラメータは抵抗終端で定義されているので測定 しやすい。そういった測定可能な量で記述しておけば、計算が面倒でない（Z 行列とかY行列とかに変換する手間がかからない） 。 60 A1-5 インピーダンス 線形な1ポート（2端子）回路の特性は1つの複素数で記述できます。イン ピーダンスやアドミタンス、反射係数などがそうです。これらについては 説明を要さないと思いますが、簡単にだけ触れておきましょう。 端子間の電圧と端子を流れる電流の比が、インピーダンスZ、そしてその逆 数がアドミタンスY です。複素数なので、実虚あるいは極形式など2つの実 数で表わせます。インピーダンスの実数部は｢抵抗R｣、虚数部は｢リアクタ ンスX｣と呼ばれます。アドミタンスの実数部は｢コンダクタンスG｣、虚数 部は｢サセプタンスB｣です。 2つの実数で決められるので、コンデンサと抵抗器（C-R）あるいはコイル と抵抗器（L-R）の組み合わせ回路で表現することも可能です。組み合わせ 方は並列、直列がありますので、結局全部で4通りあることになります（表 A1-3参照） 。 表A1-3 インピーダンスを表現する諸量 (インピーダンス Z = R + jX= |Z|e jθ, アドミタンス Y = G + jB= |Y|e - jθ、 とL、C、Q、D=tanδの関係) 領域 誘導性 (Inductive) Ls Lp R X≧0 , B≦0 0≦θ≦π/2 X = ωLs 容量性 (Capacitive) Cs X≦0, B≧0 −π/2≦θ≦0 D = tanδ= 1/Q 表現回路 G B =−1 /ωLp Cp R X =−1 /ωCs B = ωCp G D = R/X =−G / B D = R/ωLs= ωLpG D = cotθ δ=π/2−θ 相互関係 RG= 1 / (1+ Q 2 ) XB=−1 / (1+ D 2 ) Cs= Cp (1+ D 2 ) Lp= Ls (1+ D 2 ) D =−R/X =−G / B D≪1のときの近似 D = ωCs R = G /ωCp 2 RG≒D , XB≒−1 D =−cotθ ≒C , C s p Lp≒Ls δ=π/2 +θ ここでのL値やC値は虚数部を表現する一種のパラメータです。具体的に 言えば、Ls、Cpはそれぞれ、リアクタンスX、サセプタンスBを角周波数ωで 除したものです。それ以上でも、それ以下でもありません。 例えば、コンデンサを測定し、Cpを表示させたとします。それがコンデン サの真の静電容量（誘電体の誘電率に比例するもの）になっているかどう かは、その測定周波数において、対象となるコンデンサがCとRの並列回路 で（近似的に）表わされうるかどうかということによります。自己共振周 波数を超えていれば、Cpは負になっているでしょうし、電解系のコンデン サのようにコンデンサと直列に入っている（陰極の）抵抗が大きく影響し ている（D>>1）のであれば、自己共振周波数以下でも、Cpが何を指している かは不明です（電解系のコンデンサでは静電容量を測定する際、Csで見る のが普通です）。従って、少々逆説的ですが、測定モードをCpにするかCsに するかは、測定する前からわかっていないといけないということになりま す。もっとも、2つの（独立な）パラメータを取得してあるならば、測定後 に表A1-3の式を使って、変換することは可能ですが。 一方、 インピーダンスやアドミタンスの実数部は回路の損失を表わします。 実数部そのものではなく、実数部と虚数部の比D（=tan、損失係数）で表現 することもあります。はインピーダンスあるいはアドミタンスの位相の 余角に相当します（が、その値自体を扱うことはほとんどありません）。 低損失なものを扱うときはtanが小さくなりますので、100倍して%表示す ることがあります。またtanの逆数、Q （品質係数）も広く使われています。 tanを使うか、Qを使うかは、その分野で慣習的に決まっていることが多い と思います。 コイルとコンデンサを（直列または並列に）つなげると共振回路になりま す。それぞれに損失があった場合、共振回路のQ（=中心周波数/半値幅、共 振の鋭さを表わす）は、コイル、コンデンサの品質係数QL、QCと次のような 関係にあります。 （A1-2） 1 1 1 = ＋ Q QL QC . 図A1-3 インピーダンス平面からスミスチャートへ X R 図A1-4 スミスチャートにLCR直列回路をプロットする ImΓ 従って、コイル/コンデンサのQは、無損失（Q=∞）なコンデンサ/コイルを つなげたときの共振回路のQと定義することもできます。 +j ReΓ A1-6 スミスチャート 1ポートのSパラメータを反射係数と言います（反対に反射係数を2ポート 以上に拡張したものがSパラメータとも言えます） 。反射係数Γは、同じ1 ポートパラメータであるインピーダンスZやアドミタンスYと次のような関 係にあります。 Y0−Y Z−Z0 （A1-3） Γ = = Y0＋Y . Z＋Z0 ただし、Z0=1/Y0は基準インピーダンスです。 スミスチャートというのは、反射係数の複素平面上に、インピーダンスを 直読できるような目盛りを振ったものです。ΓとZ、Y は（無限遠点を含め れば） 、式（A1-3）のように一対一に対応していますので、そのようなこ とが可能なのです。対応の様子を図A1-3に示します。この図を見ればわ かるように、受動回路（インピーダンスの複素平面の右半平面）は、スミス チャートの内部になります。そして、short（Z=0、インピーダンス平面の 原点）が左端（Γ=−1） 、open（Z=∞）が右端（Γ=1）、Z=Z0が中心（Γ=0） になります（図A1-4） 。 -1 (short) 0 +1 (open) -j C R L 図A1-4の青線はQ=1の等Q円を示しています。それは、スミスチャート上 でX=±Rの点を結んだものです（従って、インピーダンス平面では原点を 端とする傾き±1の半直線に相当します）。 例として、LCRの直列共振回路を図A1-4に赤でプロットしました。周波 数は図中に明示されていませんが、低周波では右端（Γ=1、open）にあり、 そこから出発し、周波数が増加すると時計回りにまわって、高周波の極限 では再び右端に戻ります。インピーダンス平面では、点（R、0）を通り虚軸 に平行な直線になりますが、それを図A1-3のように丸めたのが、上記の軌 跡になるわけです。Fosterのリアクタンス定理にあるように、リアクタン スは周波数の増加関数ですので、スミスチャート上では時計回りとなりま す。 LCR直列回路の共振周波数は、 （A1-4） , 61 となりますが、それは赤線が実Γ軸を横切る瞬間です。そして、両側の等Q 円との交点が半値幅 を示します。そして、LCR直列回路のQは、 ビーズの例で見てみましょう（図A1-6）。 . （A1-5） 無損失の場合、これらの式からわかるように、①series-thruならZ=j2Z0のと き、②shunt-thruならY=j2Y0のとき 、カットオフとなります。 となります。ただし、 . です。 この図からわかるように、損失が少ない（赤線がスミスチャート外周に近 い）ほど、半値幅が狭くなり、従って、Qが高くなります。 スミスチャートはインピーダンス測定（反射係数からの換算）や整合回路 の設計、マイクロ波増幅器の設計などに使われます。 図A1-6 ビーズのインピーダンスとSパラメータ （a） |Z| 100Ω X R （b） 62 A1-7 2端子部品のSパラメータ 2端子部品、すなわちインピーダンスで特性付けられる部品を配置して2 ポート回路を構成してみましょう。最も簡単なものとして、図A1-5に示 すような2つのタイプが挙げられます。実際の回路ではこれらをつなぎ合 わせた構成（接続については次節参照）になっていることが多いと思いま すが、そういった意味でこれらは基本形です。SEATで表示するSパラメー タもこの配置のものです。 図A1-5 2端子部品で2ポート回路を構成する ①series-thru Z ②shunt-thru Y Sパラメータの理論式は次のようになります。 （A1-6） （A1-7） |S11| |S21| 低域のカットオフ周波数は5MHz付近ですが、その周波数で、ちょうど |Z|=100になっていることがわかります。100というのは、もちろん、 50系のSパラメータを見ているからです。基準インピーダンスが50で なければ、また違ってきます（図A1-7参照）。 インピーダンスとSパラメータの関係は、理想的には上記のようになりま すが、実測値を使って計算する場合は、少々注意が必要です。実際の測定 では、図A1-5のように配置しても、GNDとの相互作用が何らか存在する からです。 A1-8 縦続接続 回路の接続形態として最もよく使われているのは縦続接続です。2ポート 回路Mと回路N（それらのS行列をSM、SNとします）を縦続接続したときの 全体のS行列SMNは、 （A1-8） . となります。ただし、接続されるポートの基準インピーダンスは等しくな ければなりません。縦続接続の計算ではF行列やＴ行列を用いることが多 いのですが、元がS行列で表わされているならば、変換しなくて済む分、式 （A1-8）は便利です。 回路Mのポート2を終端したときの入力インピーダンス（反射係数ΓINで表 わす）は、上記縦続接続で、回路Nが1ポート回路（その反射係数をSN11とす る）の場合に相当するので、式（A1-8）の（1、1）要素、 SM12SN11SM21 （A1-9） ΓIN = SM11 + 1−SM22SN11 . となります。 A1-9 伝送線路の特性 伝送線路（もしくはフィルタなどを伝送線路と見立てたとき）の特性とし て、群遅延時間や特性インピーダンスがあります。 群遅延時間 tGDは、S21の位相を用いて、 （A1-10） . で与えられます。この値が周波数に対して平坦でないと、デジタル波形の ように複数の周波数成分を持つ信号は歪みが発生します。 特 性 イ ン ピ ー ダ ン スZ0tは、Open/Short法（ 他 端 をOpen、Shortし た と き の入力インピーダンスから Z0t = Zopen・Zshort として求める）で算出するこ とができます。OpenまたはShort終端のときの入力インピーダンスは式 （A1-9）でSN11=±1とすれば得られますので、結局、特性インピーダンス Z0tは、Sパラメータを用いて、 （A1-11） Z0t (1+S11+S22+ | S |)(1+S11−S22−| S |) = Z0 (1−S11+S22−| S |)(1−S11−S22−| S |) . と書くことができます。これは影像インピーダンスを求めていることに相 当します。 この方法は、Open/Short法を原理としているので、λ/4以下の低い周波数 でないと精度良く求まらないということに注意が必要です。結合線路で も、適当なモードを取る（モードについてはA1-11節参照）ことにより独立 になるならば、それぞれのモードで式（A1-11）を使うことができます。 なお、特性インピーダンスはTDR測定でも求められます。その場合は、時 間軸特性（位置情報）が得られます。 ちなみに無損失伝送線路のS行列Stは次式で表わされます。 （A1-12） ただし 、 、t は電気長（単位は時間）です。 基準インピーダンスを線路の特性インピーダンスに取れば、ρ=0なので、 式（A1-12）は、 （A1-13） . と簡単になります。整合しているので、反射（S11）が無く、またS21は電気 長分だけ位相が回ります。逆に式（A1-13）に基準インピーダンスの変更 （次節参照）を施したものが、式（A1-12）となります。式（A1-12）の分 母は不整合による多重反射を表わしているわけです。 A1-10 基準インピーダンス Sパラメータを使う上で、あるいは理解する上で重要な概念に基準インピ −ダンスというものがあります[4]、[5]。 Sパラメータの値を示すとき、単純にS21がxxdBとか言ったりしますが、本 来は、yyを基準にしたときのS21がxxdBと言う必要があります。たいてい の場合、50基準なので省略しても問題は無いのですが、何かを基準にした ときの、言わば相対値だということを忘れてはなりません。Sパラメータ を取得（測定やシミュレーションで）した際の基準値が必ず付属している のです。基準というのは次のような意味です。Ｚパラメータ（インピーダ ンス）は通常、基準値などは付いていませんが、付けて言うことも可能です。 例えば、50基準ならば、200のことを4と、5のことを0.1と称すればよ 63 いのです。この場合は、割り算をしただけですので単純明快です。Sパラ メータの場合は少し複雑（式（A1-3）参照）なので、少々理解しにくい面も ありますが、何かを基準にした｢相対値｣だということには変わりありませ ん。 50というのが単なる基準値である以上、変更が可能（再規格化=基準イン ピーダンスの変更）です。つまり、50のときのSパラメータSがわかって いれば、それ以外の基準インピーダンスでのSパラメータS'に直すことがで きます。計算式は以下の通りです。 （A1-14） ただし、 です。Z0は元の基準インピーダンス、Z0' は新しい基準インピーダンスです。またIは単位行列です。ここで、注意し なければならないのは、S'21だけが知りたい場合でも、元のSパラメータは 全てのSijが必要ということです。 技術ですが、クロックの高速化とともに再び注目を集めています。 差動伝送はディファレンシャルモードやコモンモードといったモード（コ ラム参照）を利用したシステムですが、その場合、Sパラメータもそういっ たモード空間で考える必要があります。それがミックストモードSパラ メータ（modal Sパラメータ）です[5]、[7]。通常のSパラメータ（これをミッ クストモードSパラメータに対して、シングルエンデッドSパラメータ、あ るいはnodal Sパラメータと言う）はポートごとの応答を表わしているので すが、ミックストモードSパラメータは2つのポートの和信号（コモンモー ド）や差信号（ディファレンシャルモード）の応答を表わしています。 2入力、2出力型の4ポート回路で説明します（図A1-8）。ここでは、ポート 1とポート3、ポート2とポート4が組になっています。 図A1-8 4ポートSパラメータ 1 2 3 4 C1 C2 D1 D2 64 図A1-7 ビーズのSパラメータのZ0 依存性 |S21| |S11| 矢印は基準インピーダンスの増える (10Ω→50Ω→100Ω）方向 図A1-7はseries-thru配置のビーズのSパラメータを10、50、100基準で 描いたものです。基準インピーダンスが小さいほど、高い減衰能力を有す ることがわかります。shunt-thru配置のコンデンサは、ここには図示しませ んが、その逆で、高インピーダンスほど減衰能力が高くなります。 A1-11 ミックストモードSパラメータ 1990年代後半から、デジタル信号の伝送方式として、高速差動伝送が実用 化されてきました。差動伝送方式（平衡伝送とも言う）は古くからあった ミックストモードSパラメータは次のような意味があります。 ・Sccij：コモンモードの応答 ・Sddij：ディファレンシャルモードの応答 ・Scdij、Sdcij：ディファレンシャルモード⇔コモンモード間のモード転換量 系の対称性が良ければ、ゼロ、つまり、各モードが独立する。 これらのミックストモードSパラメータSγの値はシングルエンデッドSパ ラメータSから求めることができます。計算式は以下の通りです[5]。 （A1-15） ただし、 （A1-16） . と置きました。 ここで注意しなければならないのは、 基準インピーダンスです。コモンモー ドの基準インピーダンスは、元のSパラメータの基準インピーダンスの1/2 で、ディファレンシャルモードは2倍です。つまり、元が50系であれば、 コモンモードの基準インピーダンスは、25で、ディファレンシャルモード は100になります。それ以外の基準で見たい場合は、式（A1-14）を併用 する必要があります。 図A1-9はコモンモードフィルタ（CMF）の実測例です。このCMFは、 ｢100MHz付近のコモンモードを抑制するが、その帯域でのディファレン シャルモードは素通り｣であるということが読み取れます。 図A1-9 CMFのミックストモードSパラメータ |Sdd21| |Scc21| |Scd21| |Sdc21| 参考文献 [1] 太田勲，｢電磁波回路のSパラメータによる表現とその基本特性｣， MWE（Microwave Workshops & Exhibition）'97 Digest，pp.427-436， 1997 [2] 荒木純道，｢Sパラメータに基づく電磁波回路の解析と設計｣， MWE（Microwave Workshops & Exhibition）'97 Digest，pp.437-445， 1997 [3] 高橋秀俊,藤村靖，｢高橋秀俊の物理学講義 -物理学汎論-｣，丸善，1990 [4] K.Kurokawa, "Power waves and the scattering matrix", IEEE Trans. MTT, vol. MTT-13, pp.194-202, 1965 March [5] 藤城義和，｢Sパラメータによる電子部品の評価｣, http://www.tdk.co.jp/tvcl/spara/an-sp06a001_ja.pdf [6] Agilent Technology社，｢ADS｣マニュアル. TouchstoneはEEsof社（現Agilent Technology社）の線形回路シミュレー タの名称です。 [7] David E.Bockelman, William R.Eisenstadt, "Combined Differential and Common-Mode Scattering Parameters: Theory and Simulation", IEEE Tarns. MTT, vol.43, No.7, pp.1530-1539, 1995 July 65 コモンモードとディファレンシャルモード 平行に走っている2本の導体（とGND導体）を想定します。その導体の 電圧、電流をそれぞれ、V1、I1、V2、I2とすると、コモンモード電圧Vc、電 流 Ic、そしてディファレンシャルモード電圧Vd、電流Idは次のように定義 されます（IEC用語規格IEC60050-161:1990，JIS C0161:1997）。 ・Vc: 各導体の電圧の平均 Vc =（V1 ＋V2）/2 ・Ic: 各導体の電流の和 Ic = I1 ＋I2 ・Vd: 2導体間の電圧 Vd = V1 −V2 ・Id: 各導体の電流の差の半分 66 Id =（I1 −I2）/2 コモンモードが和信号、ディファレンシャルモードが差信号を表わして いることがわかります。ディファレンシャルモード電流は2導体を逆向 き（逆相）に流れる電流成分ですので、GNDは直接関与していません（そ のためノーマルモードと言うこともあります） 。一方、コモンモード電 流は2導体を同じ向き（同相）に流れる電流成分です。従って、行った電 流はGND導体（またはどこか別のところ）を通って帰ってきます（その ため地回線と言ったりもします） 。コモンモードのことをasymmetrical （反対称あるいは 「縦 （例えば縦電流） 、longitude」、 ディファレンシャルモー ドのことをsymmetrical（対称）あるいは「横」と称することもあります。 Appendix2 電子部品の分類 電子部品の分類 68 電子部品とは、電子回路に使われる受動部品のことです。狭義で言えば、 音/光/機械などの電気的でない動作を伴なう物やスイッチやコネクタなど の機構部品は除かれます。 電子部品を用途で分類すると、 抵抗性の物とそれ以外（リアクタンス部品） の物に分けられます（表A2-1） 。後者は無損失なので、信号や電力の制御 に使われます。アナログ高周波回路で使われる部品は、バランやカプラ、 サーキュレータなど、基本的に単一周波数を扱い、信号の流れを制御する 役割のものです。 一方、デジタル回路で使われる部品は、コンデンサやコイル系部品、あるい はそれらを組み合わせた3端子フィルタなどで、複数の周波数成分を扱い、 広い意味でフィルタとして使われることが多いものです。もちろん、コン デンサやコイルなどは汎用なので、それ以外の用途もあります。機能や用 途の詳細は表A2-2にまとめました。 EMC対策部品というのは、EMC対策に使う電子部品のことで、表A2-1に 挙げたような広義フィルタやバリスタ（広く捉えれば、これも（電圧に関す る）フィルタと言えます）などの総称です。EMC対策部品という特定の物 が存在するわけではありません。コイルとビーズには明確な線引きはあり ませんが、高周波帯で損失的になるのがビーズです。EMC対策には損失性 が有利に作用する（エネルギーを吸収するとか）ことが多いので、好んで使 われます。一方、コイルは高いインダクタンスが得られますので、比較的 低周波で、絶対値が必要な個所に用いられます。 チップ部品（SMD部品）は、リード線がなく、直接基板に接続して使われる 部品です。その形状は4桁の数字で表現することが多いのですが、例えば、 "1005"ならば縦横が1.0mm×0.5mmであることを指しています。電子部品 の電気的な特性はインピーダンスやSパラメータで評価されます。 インピーダンスは2端子部品に適用します。多端子の場合でも、それらを適 当につなぎ2端子にすればインピーダンスで特性付けることが可能です。 CMFやトランスなどはそうです。つなぎ方の種類を変え、何種類かのイン ピーダンスの組で特性を表現します。GNDを要する部品は、インピーダン スでは特性を表現しにくいので、Sパラメータが使われます。インピーダ ンスで評価されるような部品も、適当にGNDを設ければ、Sパラメータで評 価することも可能です。 表A2-1 代表的な電子部品 分類 電子部品 抵抗性部品 抵抗器 サーミスタ バリスタ 信号の流れを制御 伝送線路 電力分配器 バラン カプラ アイソレータ サーキュレータ 広義フィルタ コンデンサ コイル系部品 コイル ビーズ トランス CMF ３端子フィルタ リアクタンス部品 表A2-2 各種電子部品の機能と用途 電子部品 外観 種類 機能 用途 厚膜(サーメット) 薄膜(金属皮膜) Z=R 電圧や電流の分割/電流の制限/電気信号の検出/ 終端抵抗(負荷)/フィルタ セラミック Z=R( T) 温度検出 PTCサーミスタ プラスチック、セラミック Z=R( T) 過電流防止(ヒューズ)/ヒーター バリスタ ZnO系、SrTiO3系 Z=R( V) 過電圧防止 コンデンサ セラミック[H、L]、電解系[Al、Ta]、 フィルム Q=CV Z=1/jC バイパス(デカップリング)/平滑/カップリング/ フィルタ(RC、LC)/時定数/整合/位相補償 コイル 空芯、フェライト[Mn、Ni]、金属系 Z=jL チョーク/デカップリング/フィルタ/整合 ビーズ 積層フェライト Z=R ( f )+jX ノイズ除去 抵抗器 NTCサーミスタ NTC 69 トランス フェライト、圧電 DC絶縁/コモンモードの遮断/平衡不平衡の変換/極性の変更/ 昇降圧/インピーダンスの変更 CMF 巻線、薄膜、積層 Scc21=Scc21( f ) コモンモードノイズの除去 フィルタ、分波器 LC、圧電、誘電体 Sij=Sij( f ) 信号のろ波、分波 ̶ 0 S= 0 0 0 0 信号の分配、合成 ̶ 0 - S= 0 0 - 0 0 平衡不平衡の変換 カプラ ̶ S= アイソレータ ̶ 0 0 S= 0 一方向化(反射や逆方向への信号からの保護)、不整合の緩和 サーキュレータ ̶ 0 0 S= 0 0 0 0 アンテナの共用、アイソレータ、信号の分岐 電力分配器 バラン Balun 0 tU U 0 信号のモニタ/入反射の分岐と分離 ご注意 SEATに収録されているデータおよびシミュレーション結果などは、 製品の特性を保証するものではありません。 SEATおよび本誌に掲載された内容について起きる損害について、 TDKは一切責任を負いませんので、その旨ご了承ください。 本誌に記載されている社名・製品名などは各社の登録商標です。 本誌で使用している画面およびデータは2010年5月現在のものを使用しています。 改良その他により予告なく変更する場合があり、 実際のものとは異なることがあります。 部品特性解析ソフトSEATチュートリアル I-DA002J-F 2005年 4月 初版発行 2010年 6月 第7版発行 発行 TDK株式会社 〒103-8272 東京都中央区日本橋1-13-1 企画編集 TDK株式会社 評価・解析センター TDK‒EPC株式会社 電子部品営業グループ デザイン TDKデザイン株式会社 ・本書の内容を転載あるいは複製されるときは予め上記編集担当までお問い合わせください。