実装系伝送路におけるノイズの実態

実装系伝送路におけるノイズの実態
1. はじめに
享栄高等学校
教諭尾俣治義
74AS04
ハードウェアにおいて、アナログ信号とディジ
50Ω
タル信号が必要不可欠なものであるが、一般に知
られているディジタル信号とは“１”
、
“０”の信
号であると理解している。
しかし、設計者は学生が勉強するような論理値だ
－図 1 素子伝達特性測定回路図－
けのシミュレーションではなく、ディジタル信号
の中にもアナログ的要因があることを考慮しなが
ら設計を行わなくてはならない。
そこでハードウェア技術者にとって一般常識であ
る内容例について、波形観測を通じディジタル信
号の実態を紹介します。
観測内容を検討する際、ＴＥＧ(Test Element
Group)を基本にして、Ｇａｔｅ－ＴＥＧ(内部評
価)，Ｉ／Ｏ－ＴＥＧ(実装評価)などを参考にしま
した。
2. 観測内容
－グラフ１素子伝達特性グラフ－
・素子伝達特性
【結果】
・伝送線の特性インピーダンスと伝搬速度
Vcc = 4.5V の時 : VOH = 4.06V, VOL = 0.125V
Vcc = 5.0V の時 : VOH = 4.55V, VOL = 0.119V
・素子伝搬遅延時間
Vcc = 5.5V の時 : VOH = 5.04V, VOL = 0.116V
・波形伝送(反射)
ｽﾚｼｮｰﾙﾄﾞ電圧:1.38V ( Vcc = 4.5 / 5.0 / 5.5V )
・クロストークノイズ
今回は入力電圧を L → H と変動させたが,
・電源ノイズ
・同時スイッチングノイズ
ヒステリシスループを考慮すると、入力電圧を
H → Ｌと変動させて、両者の比較してみるこ
・許容配線長
・平行配線長
とも良いと考えます。
・容量性負荷
・Ｔ分岐配線
② 伝送線の特性インピーダンスと伝搬速度
3. 実験方法と結果
【測定方法】
図２の回路にてプリント板のパターンの特
① 素子伝達特性
性インピーダンス､及び､伝搬速度を求める。
P･G の出力点を観測し、50Ω同軸ケーブルを
【測定方法】
図１の回路にて素子の出力電圧対入力電
プリント板配線パターンに接続する。
圧の特性を測定する。
条件：Vcc = 4.5 ～ 5.5V,
CL = 無負荷
Ta = 室温,
条件：ViL = 0.4V,
ViH = 2.4V, Ta=室温,
P･G 出力の Tr / Tf = 2.0ns
ρV ＝０.６／１.９
＝０.３１５･･･
観測点
≒ ０.３２
ﾌﾟﾘﾝﾄ板
50Ω
ρＺ＝(９６.－５０)／(９６.＋５０)
ﾊﾟﾀｰﾝ 1.1m
＝０.３１５･･･
開放
－図２伝送線特性インピータンス測定
及び､伝搬速度測定回路図－
≒ ０.３２
伝
搬
速
度：６.５ ns
特性インピーダンス：９６.０ Ω
反
射
係
数：０.３２
③ 素子伝搬遅延時間
【測定方法】
図５の回路にて素子の伝搬遅延時間を測
定する。
Ｐ･Ｇの出力から 50Ω同軸ケーブルをプリ
ント板の素子に接続し、素子の出力端子に
50pF の容量性負荷を接続する。
X = 5ns / div , Y = 1V / div
－図３観測点の反射波形－
13.0 ns
V2=0.6 V
素子の入力側Aと素子の出力側Bを観測
し、伝搬遅延時間を測定する。
条件：Vcc=4.5～5.5V， ViL = 0.4V，
ViH = 2.4V，CL=50pF，Ta=室温,
P･G 出力の Tr / Tf = 2.0ns
50Ω
A
50Ω
V1 = 1.9 V
－図４観測点の反射波形のモデル化－
74AS04
B
50pF
－図５素子伝搬遅延時間測定回路図－
【結果】
・伝搬速度＝１３.０／２＝６.５ (ns)
1.5V
1.5V
・特性インピーダンス
ＺＬ＝Ｚ０・
（Ｖ1＋Ｖ2）／（Ｖ1－Ｖ2）
Ｚ０＝５０Ω，V1＝１.９V，
V2 ＝０.６ V
より
ＺＬ＝９６.０（Ω）
・反射係数
TpHL
1.5V
TpLH
1.5V
ρ＝Ｖ２／Ｖ１
＝ (ＺＬ－Ｚ０) ／ (ＺＬ＋Ｚ０) より
－図６素子の伝搬遅延時間のモデル化－
【測定結果】
X = 5ns / div, Y = 1V / div
素子伝搬遅延時間の測定写真
X = 5ns / div, Y = 1V / div
－図７-１Ａ Vcc ＝ 4.5 V 時の TpHL －
－図７-１Ｂ Vcc ＝ 4.5 V 時の TpLH －
X = 5ns / div, Y = 1V / div
X = 10ns / div, Y = 1V / div
－図７-２Ａ Vcc ＝ 5.0 V 時の TpHL －
－図７-２Ｂ Vcc ＝ 5.0 V 時の TpLH －
X = 5ns / div, Y = 1V / div
X = 5ns / div, Y = 1V / div
－図７-３Ａ Vcc ＝ 5.5 V 時の TpHL －
－図７-３Ｂ Vcc ＝ 5.5 V 時の TpLH －
単位：ｎｓ
TpLH
TpHL
4.5 V
3.80
2.80
5.0 V
3.50
2.95
5.5 V
3.50
3.05
－表１素子伝搬遅延時間の結果表－
④ 波形伝送(反射)
ａ.無負荷時
50Ω
【測定方法】
図８の回路にてドライバ側素子の出力に
50Ω同軸ケーブル 1.0ｍを接続し、無負荷状
74AS04
ℓ＝1.0ｍ
50Ω
態と有負荷状態による条件で、反射波形を比
較する。
条件：Vcc = 5.0 V, ViL = 0.4 V, ViH = 2.4 V,
ｂ.有負荷時
50Ω
PER = 1.0 µs, WID = 500 ns,
Tr / Tf = 2.0 ns
74AS04
Ａ
Ｂ
ℓ＝1.0ｍ
74AS04
50Ω
※A,B は観測点
－図８波形伝送(反射)観測回路図－
Ｂ点
Ａ点
Ａ点
Ｂ点
Ｘ = 5 ns / div，Ｙ = 1 V / div
－図９-１A 無負荷時の波形伝送（反射）－
Ｘ = 5 ns / div，Ｙ = 1 V / div
－図９-１Ｂ無負荷時の波形伝送（反射）－
Ａ点
Ａ点
Ｂ点
Ｘ = 10 ns / div，Ｙ = 1V / div
－図９-２Ａ有負荷時の波形伝送（反射）－
Ｂ点
Ｘ = 10 ns / div，Ｙ = 1 V / div
－図９-２Ｂ有負荷時の波形伝送（反射）－
⑤ クロストークノイズ
【測定方法】
図１０の回路にてクロストークノイズを
74AS04
50Ω
C
Ｃ‘
74AS04
ℓ＝20cm
50Ω
観測する。
プリント板上に複数の伝送線を平行並べて
ドライバ素子から出力される信号が近隣の
伝送線にどのような影響を与えているかを
観測する。
条件：平行配線長ℓ= 20 ㎝，
配線数 = 2 本，
配線間隔 = 1 ｸﾞﾘｯﾄ，Vcc = 5.0 V，
85Ω
85Ω
Ａ２
Ｂ２
Ｂ１
85Ω
※A1,A2,B1,B2,C,C’は観測点
Ａ１
－図１０クロストークノイズ測定回路図－
ViL = 0.4 V，ViH = 2.4 V，Ta = 室温，
Tr / Tf = 2.0 ns
Ｃ点
【結果】
C点
Ａ1 点
C’点
Ｘ = 10 ns / div，Ｙ= 1 V / div
VnR = 0.3 V，VnF = 0.4 V，
TnR = 2.5 ns，TnF = 2.0 ns
－図１１-２Ａ１列目ｸﾛｽﾄｰｸﾉｲｽﾞ観測写真－
Ｃ点
C点
Ｂ１点
C’点
Ｘ = 5 ns / div, Ｙ = 1 V / div
－図１１-１ C 点・C’点の測定写真－
Ｘ = 10 ns / div，Ｙ= 1 V / div
VfR = 0.3 V，VfF = 0.2 V，
TfR = 3.0 ns，TfF = 2.0 ns
－図１１-２Ｂ１列目ｸﾛｽﾄｰｸﾉｲｽﾞ観測写真－
Vcc
Ｂ点
Ｃ点
Ｃ点
50Ω
Ａ点
50pF
74AS240
Ａ２点
74AS240
50pF
74AS240
50pF
Ｘ = 10 ns / div，Ｙ= 1 V / div
VnR = 0.1 V，VnF = 0.2 V，
TnR = 1.5 ns，TnF = 2.0 ns
50Ω
－図１１-３Ａ２列目ｸﾛｽﾄｰｸﾉｲｽﾞ観測写真－
－図１２電源ノイズ測定回路図－
Ｃ点
【結果】
ａ. パスコン無の場合
Ｂ２点
Ｘ = 10 ns / div，Ｙ= 1 V / div
Ｂ点
VfR = 0.1 V，VfF = 0.1 V，
TfR = 2.0 ns，TfF = 1.0 ns
－図１１-３Ｂ２列目ｸﾛｽﾄｰｸﾉｲｽﾞ観測写真－
Ｃ点
⑥ 電源ノイズ
【測定方法】
図１２の回路にて素子の同時スイッチング
本数８本の時、パスコンの有無によってどの
ように電源電圧が変動するのかを観測する。
条件：Vcc = 5.0 ns，ViL = 0.4 V，ViH = 2.4 V，
CL = 50 pF，Ta = 室温，
ﾊﾟｽｺﾝ = 無 / 0.33μF / 15μF，
同時スイッチング本数=８本
Ｘ = 10 ns / div, Ｙ = 1 V / div
－図１３-１Ａ電源ノイズ観測写真－
ｂ. パスコン０.３３μＦの場合
Ａ点
Ｂ点
Ｂ点
Ｃ点
Ｃ点
Ｘ = 5 ns / div, Ｙ = 1 V / div
GND
－図１３-１Ｂ電源ノイズ観測写真(TpHL) －
Ｘ = 10 ns / div, Ｙ = 1 V / div
－図１３-２Ａ電源ノイズ観測写真－
Ａ点
Ａ点
Ｂ点
Ｂ点
C点
Ｃ点
Ｘ = 5 ns / div, Ｙ = 1 V / div
GND
－図１３-１Ｃ電源ノイズ観測写真(TpLH) －
GND
Ｘ = 5 ns / div, Ｙ = 1 V / div
－図１３-２Ｂ電源ノイズ観測写真(TpHL) －
Ａ点
Ｂ点
Ｃ点
Ｘ = 5 ns / div, Ｙ = 1 V / div
GND
－図１３-２Ｃ電源ノイズ観測写真(TpLH) －
ｃ. パスコン１５μＦの場合
ＶｐＨＬ
ＶｐＬＨ
無
０.９Ｖ
３.０Ｖ
０.３３ｐＦ
０.７Ｖ
１.４Ｖ
１５ｐＦ
０.６Ｖ
２.０Ｖ
Ｂ点
－表２ ±ピーク電圧値－
Ｃ点
⑦ 同時スイッチングノイズ
Ｘ = 10 ns / div, Ｙ= 1 V / div
【測定方法】
図１４の回路にて素子の同時スイッチング
－図１３-３Ａ電源ノイズ観測写真－
本数を２／４／７本と変化させ、同ＩＣ中の
素子１本を固定出力したとき、固定出力素子
にどのような影響を与えているのかを観測す
Ａ点
る。
条件：Vcc = 5.0 V，ViL = 0.4 V，ViH = 2.4 V，
CL = 50 pF，Ta = 室温，
Ｂ点
同時スイッチング本数 = 2 / 4 / 7 本
Vcc
Ｃ点
Ｘ = 5 ns / div, Ｙ = 1 V / div
GND
－図１３-３Ｂ電源ノイズ観測写真(TpHL) －
74AS240
Ｂ点
74AS240
50Ω
50pF
Ｃ点
50pF
2/4/7本
Ａ点
Ｂ点
50Ω
Ｃ点
GND
Ｘ = 5 ns / div, Ｙ= 1 V / div
－図１３-３Ｃ電源ノイズ観測写真(TpLH) －
74AS240
50pF
－図１４同時スイッチングノイズ測定回路図－
【結果】
Ｘ = 10 ns / div, Ｙ = 1 V / div
Ｘ = 10 ns / div, Ｙ = 1 V / div
VswFHL = 0.4 V
VswFHL = 0.2 V
VswFLH = 0.3 V
VswFLH = 0.7 V
同時スイッチング本数＝７本
同時スイッチング本数＝２本
－図１５Ａ同時ｽｲｯﾁﾝｸﾞﾉｲｽﾞ観測写真－
－図１５Ｃ同時ｽｲｯﾁﾝｸﾞﾉｲｽﾞ観測写真－
ｽｲｯﾁﾝｸﾞ本数
ＶｓｗＦＬＨ
ＶｓｗＦＨＬ
７本
０.７Ｖ
０.４Ｖ
４本
０.５Ｖ
０.４Ｖ
２本
０.３Ｖ
０.２Ｖ
－表３同時スイッチングノイズピーク電圧値－
⑧ 容量性負荷
【測定方法】
Ｘ = 10 ns / div, Ｙ = 1 V / div
0 / 50 / 100 / 150 / 200 pF と変動させ、負荷
VswFHL = 0.4 V
容量に応じてどのような現象となるかを観測
VswFLH = 0.5 V
同時スイッチング本数＝４本
－図１５Ｂ同時ｽｲｯﾁﾝｸﾞﾉｲｽﾞ観測写真－
図５の回路にて、素子出力の負荷容量値を
する。
条件：Vcc = 5.0 V，ViL = 0.4 V，ViH = 2.4 V，
CL=0～200pF，Ta=室温，
Ｐ･Ｇの出力 Tr / Tf = 2.0 ns
【結果】
Ｘ = 5 ns / div, Ｙ = 1 V / div
－図１６容量性負荷の観測写真－
４. まとめ
以上のように実装系ディジタル回路には教科
このような事態に遭遇した場合、半田付け不良
書に記述されている理論値では想像がつかない
や結線ミスを疑い、確認しても問題ないにもか
現象がおきています。
かわらず、動作不良を起こしていることが不思
冒頭で述べたように、ディジタル信号の中にも
議で仕方がないのです。
アナログ的な要因があることを理解していただ
これからは上記の出来事を考慮して設計すれば、
いたのではないでしょうか。
より良い物づくりができると思います。
このようなことはないでしょうか。
『作成した制御回路が理論的には正しいのに動
かない』
、
『動作途中で誤動作を起こす』などと
いったことを経験していると思います。
最後に、時間が不足していたため、細かな結
論などを文章化できないことをお詫びします。
上側写真Ａ１点のクロストークノイズ
下側写真Ｂ１点のクロストークノイズ
上側写真Ａ２点のクロストークノイズ
下側写真Ｂ２点のクロストークノイズ
平行配線長を 30 ㎝のとき
素子は CMOS ｹﾞｰﾄｱﾚｲ(汎用 LSI)

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