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
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