2 - Teledyne LeCroy

2013/7/3
DPD_1 Differential Pairs
Slide‐1
シグナルインテグリティにおける
電磁気学の必要性
(DesignCon 2011において、Stephen Hall, Olufemi(Femi) Oluwafemi
およびJeff Loyer Intel Corporationと共同発表)
Dr. Eric Bogatin,
Signal Integrity Evangelist,
Bogatine Enterprises
www.beTheSignal.com
11/1/2011
Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011
Channel Design
www.beTheSignal.com
Slide‐2
概要
• 二つの世界の異なる視点
– 回路素子
– 電磁気学
• 適用例
– 伝送線路と回路
– PDN(Power Distribution Network)における現実のコンデ
ンサ
• 回路モデルの精度が十分でなくなる例
– 遠端クロストーク
– PDN(Power Distribution Network) の設計: 配置問題?
– パターン面を流れるリターン電流
www.beTheSignal.com
1
2013/7/3
Channel Design
Slide‐3
2つの視点
回路素子と信号源
電磁界と
境界条件
Ansys様ご提供
www.beTheSignal.com
Channel Design
Slide‐4
電磁気学の明確な必要性
物理学の世界を回路の世界に変換
コンデンサ・マトリクス [pF/m]:
1 2
1 118.052 ‐4.451
2 ‐4.451 118.052
インダクタナス・マトリクス [nH/m]:
1 2
1 280.236 30.059
2 30.059 280.236
直流抵抗マトリクス [ohms/m]:
1
2
1 4.949 0.000
2 0.000 4.949
www.beTheSignal.com
2
2013/7/3
Channel Design
Slide‐5
二つの世界: 似た微分方程式
似た振る舞い (ほとんどの場合)
• 信号は電圧か電流
• 信号は電磁波の移動
• 集中定数素子
• 場の量
似た微分方程式,,,,でもいくつかの相違点
2つの重要な”手直し”集中定数回路の使用を拡張する。
www.beTheSignal.com
Channel Design
Slide‐6
変形1:無損失伝送線路の
電気モデルに空間分布を追加
1.ステップ応答
電信方程式
2.単一ビット応答
波動方程式
新しい理想の回路素子：無損失伝送線路
3.PRBS応答
アイパターン
Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011
www.beTheSignal.com
3
2013/7/3
Channel Design
Slide‐7
回路モデルの解析が画期的に向上
Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011
Channel Design
www.beTheSignal.com
Slide‐8
変形2:伝送線路の電流の流れ方
小学校で習った電流の流れ方
電流はどう流れますか？
この考え方は、伝送線路
の電流の流れ方に誤解を
招きます。
Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011
www.beTheSignal.com
4
2013/7/3
Channel Design
Slide‐9
電流は、伝達方向と循環方向を持つ単
一リターン・パスのループとして伝達
信号
I
変位電流
電流ループは、以下に示した2つの方向を持っている:
1. 伝達方向
2. 循環方向
両者は独立!
Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011
Channel Design
www.beTheSignal.com
Slide‐10
マクスウェル方程式が必要な時
•
•
•
•
電解と磁界に空間変動がある場合
伝播する電磁界が存在する場合
伝搬モードが変化する場合
一般的には長さが波長の10分の1を
越える場合
Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011
www.beTheSignal.com
5
2013/7/3
Channel Design
Slide‐11
応用例1: 遠端クロストークの実際
の原因
1Vの入力信号
NEXT =
RT
Vnear
近端
遠端
FEXT =
Vsignal
Vfar
Vsignal
入力信号
線幅、線間 5 mil (0.127mm)、
長さ4” (10.16cm)のマイクロス
トリップ線路2本の間の近端お
よび遠端クロストークを計測
伝送された信号
RT=100ps
NEXT：計測された近端クロストーク
FEXT：計測された遠端クロストーク
大きく異なる信号波形
大きく異なる強度
10% noise/div
200ps/div
www.beTheSignal.com
Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011
Channel Design
Slide‐12
クロストークを相互インダクタンスと
相互キャパシタンスで考慮
x = RT x v
v=6”(15.24cm)/ns
V
1
2
1
時計回りの電流
2
反時計回りの電流
近端では：IC+IL
遠端では：IC‐IL
IC = ILならば遠端ノイズは？
IC = ILになる寸法は？
Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011
www.beTheSignal.com
6
2013/7/3
Channel Design
Slide‐13
ストリップ線路で FEXTの削除
遠端で計測、近端を終端、TDT端を開放
TDR
50Ω終端
開放
遠端ノイズ
差異:
TDR信号
ノイズ信号
マイクロストリップ線路
では遠端クロストーク
発生： IL > IC
ストリップ線路では遠
端クロストークがない: IL = IC
何故?
Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011
Channel Design
www.beTheSignal.com
Slide‐14
遠端クロストークの別の考え方
どちらの信号が速い？
Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011
www.beTheSignal.com
7
2013/7/3
Channel Design
Slide‐15
損失のある伝送とと立ち上がり時間のなまり
‐周波数軸
= 1/2
+ 1/2
どんな結果が生じる？
遠端クロストークは、実際に差動信号とコモン
モード信号の伝達速度の差によって生じます。
ストリップ線路における遠端ノイズは？
Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011
Channel Design
www.beTheSignal.com
Slide‐16
マイクロストリップ線路とストリップ線路
オッド･モード
イーブン･モード
1. 差動信号とコモンモード信号は同速度
2. 遠端クロストークは生じない
www.beTheSignal.com
8
2013/7/3
Channel Design
Slide‐17
応用例2:コンデンサとトレース面
X2Y社ご提供のサンプル
220 nF, 0603 MLCC コンデンサの
インピーダンスの実測値
Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011
Channel Design
www.beTheSignal.com
Slide‐18
220 nF,0603 MLCCコンデンサの実
際のふるまい: fitting RLC モデル
X2Y社ご提供のサンプル
インピーダンスの実測値
C
ESL
ESR = 0.017Ω
ESL = 1.3 nH
インピーダンスの
シミュレーション値
ESR
C = 180 nF
注: ESLは、コンデンサ自身のものではない‐取り付け方法に関連している。
Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011
www.beTheSignal.com
9
2013/7/3
Channel Design
Slide‐19
X2Y社コンデンサの実例
X2Y社ご提供のサンプル
実測値
RLCモデルのシミュレーション結果
0603 MLCC
X2Y
4個のコンデンサの
並列接続に相当
220nF X2Y
C = 180 nF
L = 0.42 nH
R = 0.012 Ω
X2Y社のコンデンサは、低インダクタンスの代替品
Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011
Channel Design
www.beTheSignal.com
Slide‐20
コンデンサの配置 ：
住宅購入と同じで場所が問題？
4個のコンデンサ,
0.1uF, ESL = 3 nH, 2 “x 2” のキャビティ
位置の問題?
キャビティの分布インダクタンスが小さく、コン
デンサのESLが 大きい場合、キャビティの影響
は小さく、位置は問題にならない
Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011
www.beTheSignal.com
10
2013/7/3
Channel Design
Slide‐21
その他の極端な例: 厚いキャビティ、
低ESLコンデンサ
4個のコンデンサ,
0.1uF, ESL = 0.5 nH, 2 “x 2” のキャビティ
位置の問題?
キャビティの分布インダクタンスが大きく、コ
ンデンサのESLが小さい場合、キャビティの影
響は無視できず、位置が問題になる
www.beTheSignal.com
Channel Design
Slide‐22
対処すべき4つの主問題
Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011
www.beTheSignal.com
11
2013/7/3
Channel Design
Slide‐23
対処すべき4つの主問題
Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011
Channel Design
www.beTheSignal.com
Slide‐24
対処すべき4つの主問題
Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011
www.beTheSignal.com
12
2013/7/3
Channel Design
Slide‐25
対処すべき4つの主問題
Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011
Channel Design
www.beTheSignal.com
Slide‐26
対処すべき4つの主問題
Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011
www.beTheSignal.com
13
2013/7/3
Channel Design
Slide‐27
根本原因の特定こそ問題解決の近道
根本原因の特定を
間違えば、問題の
解決は運にまかせ
るしかなくなる。
スタン、ほんとうにこれで大丈夫かい？ とんがった頭と長い嘴があるから奴らが飛
べるっていうのはおかしいと思うんだ。
www.beTheSignal.com
Channel Design
Slide‐28
詳しい情報はWebへ
WWW.BeTheSignal.com




最新のドキュメント
今後のセミナースケジュール
My Blog： 今月学んだこと
Webinarのアーカイブ
 オンライン・トレーニング
www.ProntedCircuitUniversity.com
Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011
www.beTheSignal.com
14