Application Note: HFAN-4.5.4 Rev. 1; 04/08 ツイストペアが不平衡なときの「ジッタ発生」 Functional Diagrams Pin Configurations appear at end of data sheet. Functional Diagrams continued at end of data sheet. UCSP is a trademark of Maxim Integrated Products, Inc. LE AVAILAB ツイストペアが不平衡なときの「ジッタ発生」 確定的ジッタ(DJ)は、ツイストペア(STP または UTP)内での、差動モードからコモンモードへの変換(またはその逆の 変換)によって生じる可能性があり、これは通常、ツイストの不平衡や誘電体の不平衡の結果として生じるものです。 ケーブル固有の特性(コモンモードの損失が大きいな ど)によって、他に非対称があってもペア内スキューを 軽減できるという望ましい報告がなされています。 1 目的 タイトルには「ペアの不平衡」とありますが、本書はカッ プルの精神病理学について記載した文書ではありませ ん。 2 本書では、データレート > 500Mb/s の場合の、高品質 のツイストペアケーブルと低品質のツイストペアケーブ ルとを区別するためのテスト方法について説明します。 測定例は、ツイストペアケーブルによって生じるペア内 の重大な遅延スキューが、イコライザを使用しても、あ るいはスキューを補償しても回復できない問題となる可 能性があることを示しています。 テストケース:ディジタルビデオ DVI と HDMI の デ ィ ジ タ ル ビ デ オ 規 格 は 、 最 大 1.65Gb/s の シ リ ア ル レ ー ト で 長 い STP (Shielded Twisted Pair:シールド付きツイストペア)ケーブルを用 いたデータ伝送について規定しています。極めて長い ケーブル(たとえば 15~30 メートル)は、表皮効果によ る高周波損失とペア内スキューの両方の影響を累積 的に受けます。 S-PARAMETERS: 15 meters, 30 AWG STP 0 3950 3800 3650 3500 3350 3200 3050 2900 2750 2600 2450 2300 2150 2000 1850 1700 SDD21 dB SDC21 dB SCD21 dB SCC21 dB -10 -20 LOSS [dB] 1550 1400 1250 1100 950 800 650 500 350 200 50 MAXIM CONFIDENTIAL -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 FREQUENCY [MHz] 図1 Application Note HFAN-4.5.4 (Rev. 1, 04/08) 1.65Gb/s Data, MAX3800 EQ Output, Scope @ 300ps/div Maxim Integrated Page 2 of 5 S -P A R A M E T E R S : 1 5 m e te rs , 2 6 A W G S T P 3830 3650 3470 3290 3110 2930 2750 2570 2390 2210 2030 1850 1670 1490 1310 1130 950 770 590 410 230 50 MAXIM C O N FID E N TIAL 0 S DD21 dB LOSS [dB] -1 0 S DC21 dB -2 0 S CD21 dB -3 0 S CC21 dB -4 0 -5 0 -6 0 -7 0 -8 0 F R E Q U E N C Y [M H z ] 1.65Gb/s Data, 図2 MAX3800 EQ Output, Scope @ 200ps/div 図 1 と図 2 は、15m (50 フィート)の経済的な STP ケ ーブルを用いた 1.65Gb/s の DVI 信号のサンプルを示 しています。最初の図(図 1)は優れた性能を示し、次の 図(図 2)は貧弱な性能を示しています。図 1 は、差動モ ードからコモンモードへの変換が小さい(SDC21)、典型 的な表皮効果の損失(SDD21)を示しています。 図 1 と図 2 のスコープ写真は、最新の MAX3800 イコ ライザが、累積した表皮効果の損失について、 1.65Gb/s のデータを補償している様子を示しています。 図 1 は優れた結果を示していますが、図 2 は、差動モ ードからコモンモードへの変換、すなわちペア内のスキ ューが大きいため、等化後に確定的ジッタ(DJ)が残留 していることを明確に示しています。 3 「単純な」テストケースとして、ツイン同軸ケーブル(個別 に並列の 2 本の同軸ケーブル)がそのケーブル間で差 動信号を伝達するケースを考えてみましょう。信号ペア 間に本質的に結合は存在しません。この場合、ペア内 の遅延スキューは、「純粋な遅延差」として出力端に現 れます。スペクトル的に周波数応答でヌルが生じ、最初 の差動モードのヌルは、周波数 = 1/(2 x 遅延差)で発 生します。つまり、2 本の同軸ケーブル間の電気的な 遅延の差が 2 分の 1 波長となるような周波数において 最初のヌルが発生することになります。この同じ周波数 でコモンモードが最大となります(ペア内の両方の信号 が同相になります)。 100ohm Differential Pair: Dual Coax 「単純な」ペア内スキュー 差動の掃引正弦波が差動ケーブル上で励振されてい る場合、差動モードからコモンモードへの変換およびそ の逆の変換の結果として、ケーブルペアの内部にいく らかのペア内スキューが発生します。コモンモードへの 変換は周波数によって変化するため、一定量のペア内 スキューがあると、ディジタル差動信号の忠実度が損 なわれ、回復不能になる可能性があります。 Application Note HFAN-4.5.4 (Rev. 1, 04/08) Z = 50ohms Z = 50ohms Maxim Integrated Page 3 of 5 当然ですが、この単純なケースの「純粋な遅延差」は、 2 本のケーブルのうちの短いケーブルの信号経路に相 応の「純粋な遅延」を挿入することによって調整すること ができます。これは概念的には簡単に実現できそうで すが、一般的なケースでのソリューションとはなりませ ん。 4 結合型の差動ペア(STP、UTP、Twinax) ここからは、実際的な結合型の差動ペア(シールドのあ る場合、またはない場合)について考えてみましょう。こ のケーブルは、グランド(たとえばシールド)との結合に 加えてペア間の結合によって特性差動インピーダンス の一部を生み出します。 インチの非対称があるだけで、0.25 ユニットインターバ ル(UI)の誤差が生じます。 幸いなことに、経済的なケーブルの構造において、固 有のペア内スキューを低減するための方策があります。 1 つの方法は、差動モードの損失に比べてコモンモード の損失を増やすことです(ただし EMI シールドの性能を 維持)。図 1 でわかるように、コモンモードの損失は差 動モードの損失よりも少しだけ大きくなっています。他 の低コストのケーブルでは、さらにコモンモードの損失 が大きく、差動モードで予想どおりの優れた動作を示し ています。この動作の基礎となるのが、ホイルシールド と誘電体の構築です。 5 100ohmDifferential Differential Pair: Pair: Twisted oror Twinax 100ohm TwistedPair Pair Twinax ZZ == Z= Z= + 150ohms 150ohms 150ohms 150ohms - Z= ケーブルの測定:高品質のケーブルと 低品質のケーブルとの区別 ペア内スキューの測定には、いくつかの方法が使用さ れています。ここでは、標準的なステップ遅延の方法よ りはむしろ周波数領域の方法を推奨しています。 Z= 150ohms 150ohms 差動ペアにおける不平衡(長さ、ツイスト、または誘電 体環境が非対称など)によって、若干のペア内スキュー が発生します。 ただし、結合型の差動ペアの場合、ペア内スキューは 通常、前項で説明したデュアル同軸ケーブルの「理想 的な」予測可能スキューの場合のように、単純なスキュ ーとして動作しません。「理想的な」デュアル同軸ケーブ ルのケースとは異なり、結合型の差動ペアは、差動モ ードとコモンモードについて異なる損失と速度の影響を 受けます。たとえば図 1 で、差動モード(SDD21)とコモ ンモード(SCC21)では、損失特性が異なることがわかり ます。ペア内スキューは、累進的にこの 2 つのモード間 の信号エネルギーを変換するため、最終的にケーブル の端では、「理想的な」遅延差(スキュー)ではなくなりま す! 当然ですが、「長さを等しくする」、「ツイストを対称にす る」、さらに「誘電体環境とシールド環境での平衡性を 考慮する」ことによってペア内スキューを最小限に抑え ることができます。これは、経済的な市販のケーブルに は難しい要求となる場合があります。たとえば、データ レートが 1.65Gb/s で 100 フィート(30m)の DVI ディジ タルビデオケーブルの場合、電気的な長さにわずか 1 Application Note HFAN-4.5.4 (Rev. 1, 04/08) 2 つのシングルエンドのステップ遅延測定値の差を測 定することによってペア内スキューを判断すると、間違 いが生じる可能性があります。シングルエンドのステッ プ励振(一度に差動ペアの片側だけを励振する)は、差 動モードとコモンモードの両方のエネルギーを励起しま す。伝播速度と損失はモード間で異なるため、得られる 遅延の数値は差動モードだけの場合には当てはまりま せん。さらに、長いケーブルの性能は、このような短い ケーブルの測定値から予測することはできません。 5.1 周波数領域の方法:DVI の例 DVI アプリケーションの場合、特定の「長い」ケーブルア センブリのテストは、選択した 2 つまたは 3 つの周波数 (たとえば最大ビットレートの 1/2 (800MHz 正弦)、およ び最大ビットレートの 1/4 (400MHz 正弦))で行うことが でき、差動モードからコモンモードへの変換(SCD21)か コモンモードから差動モードへの変換(SDC21)かを検 知します。経験上、「低品質の」SCD21 または SDC21 は広範囲の周波数にわたって生じるため、いくつかの スポット周波数で測定するだけで十分です(つまり、見 逃すことがありません)。SCD21 または SDC21 のいず れの応答も同一の結果を示すため、装置の入手性に よっていずれかを選択することができます(表 1 を参照)。 Maxim Integrated Page 4 of 5 目標は、SCD21(また同様に SDC21)が、ビットレート 以下の全周波数において差動-差動への一次応答 (SDD21)より少なくとも 12dB 下回ることです。これは、 30AWG ケーブルでは達成されていますが(図 1)、 26AWG ケーブルでは目標から完全に外れています (図 2)。特定のケーブル AWG については、この周波 数での SDD21 の量(表皮効果による損失)が既知であ るため、SDD21 を測定する必要はありません。 6 今後の展開 マキシムは、このようなケーブル関連の問題に対応す る数多くのソリューションを紹介しています。このテーマ は今後、記事やアプリケーションノートの形で展開して いく予定です。 表1 RECOMMENDED CABLE QUALIFICATION FOR LONG DVI CABLES: 1) Measure common-mode-to-differential conversion of a DVI cable assembly: a. Apply Single-Ended sine-wave generator for frequencies 800MHz and 400MHz, and a 50ohm-Power-Splitter, so that the (+) and (-) of the differential STP cable can be driven together (in common-mode). b. View Differential Scope or Power Meter to measure cable conversion output at these two frequencies, where the (+) and (-) of the differential STP cable are sensed differentially. c. “PASS” a cable demonstrating it has output conversion measurement (SDC21) at least 12dB below the expected differential skin-effect loss (SDD21) at both 800MHz and 400MHz, respectively. (i.e., note Figure 1 passes easily, and Figure 2 fails) OR 2) Measure differential-to-common-mode conversion of a DVI cable assembly: a. Apply Differential sine-wave generator for frequencies 800MHz and 400MHz, where the (+) and (-) of the differential STP cable are driven differentially. b. View Single-ended Scope or Power Meter to measure cable conversion output at these two frequencies, and a 50ohm-Power-Splitter, so that the (+) and (-) of the differential STP cable can be sensed for the common-mode signal. c. “PASS” a cable demonstrating it has output conversion measurement (SCD21) at least 12dB below the expected differential skin-effect loss (SDD21) at both 800MHz and 400MHz, respectively. (i.e., note Figure 1 passes easily, and Figure 2 fails) Application Note HFAN-4.5.4 (Rev. 1, 04/08) Maxim Integrated Page 5 of 5
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