Last Update 2021/06/29
USB3.1，PCI Express，LVDS...10Gbps超までバッチリ受け渡し
TRSP No.128 Gビット時代の高速データ伝送技術[シミュレーションCD付き]
B5判 144(4C:16,2C:94)ページ
CD-ROM 1枚付き
定価2,750円(税込)
JAN9784789849289
2014年10月1日発行
好評発売中！
![TRSP No.128 Gビット時代の高速データ伝送技術[シミュレーションCD付き]](49281l.jpg)
■見本PDF(3.2MB) PCまわりで広く使われるUSBが最高5Gbpsを超え，10Gbpsの規格も出てきました．実際に銅線に沿って10Gbpsという超高速信号が通っているわけです．一般の回路設計者もギガビット・クラスの回路を扱う場面も出てきています．そのために伝送回路(あるいは分布定数回路)さらにそれらがディジタルの差動線路になっている場合を取り扱える必要があります．本書ではギガビット回路の基本と応用さらに計測方法について説明しています．また付属CD-ROMにはLTspiceとLTspiceの活用回路を収録し，シミュレーションを通して伝送回路のふるまいが理解できるようにしました．またLC結合でない差動線路部品をその作成法とともに収録し，クロストークなどのシミュレーションもできるようになっています．マトリクス演算ソフトFreeMatと活用ソフトも収録しています．
※本書は，トランジスタ技術2008年1月号〜2009年2月号に連載された，「ディジタル信号の性質と高速伝送技術」全12回に基づき，大幅な加筆・修正を行い，再編集したものです．
※本書は，トランジスタ技術2008年1月号〜2009年2月号に連載された，「ディジタル信号の性質と高速伝送技術」全12回に基づき，大幅な加筆・修正を行い，再編集したものです．
目 次
本書のナビゲーションと活用法 高速データ伝送超入門
Introduction カラーで見るギガビット伝送波形の評価技術
第1部 ギガビット伝送の基本をマスタしよう
電線を伝わる電気信号の実体は?
第1章 電気信号は電子の流れでなく電磁波で伝わる
■電気信号は先端オープンの電線でも伝わる
■負荷との間の線が切れていても電気信号は線路を進んでいく
■1本の電線だけではディジタル信号はうまく伝えられない
■基板パターンを伝わる電気信号
■電気信号が伝わる速度銅線を流れる電子の速度は0.07mm/sと超スロー
■周波数ドメインと時間ドメインがある電磁界シミュレーション
高速信号から見ると伝送線路は純抵抗に見える!!
第2章 特性インピーダンスについて徹底的に理解しよう
■線路端のスイッチによるばたつき波形の原因と対策
■線路を進む電気信号の電界と磁界の関係
■特性インピーダンスとは何か
■特性インピーダンスは線路の断面形状によって決まる
■基板パターン線路の特性インピーダンス
■表皮効果，表皮厚さ
線路端をショートしても電気信号は消えてなくならない
第3章 ディジタル伝送回路の反射とメカニズム
■ICの出力に線路をつなぐと立ち上がり波形に段付きが生じる
■ICの出力に線路をつないで終点をショートしても出力ピンに電圧が生じる
■線路に印加された信号は終点に到達すると始点に戻る
■線路の終点がショートされていると信号は反転する
■終点がオープンの線路はコンデンサが延びたものと見なされる
■いったん線路に出ていった電気信号は電源とは無関係に線路を進む
■線路端の状態と位相の関係
■階段状波形の信号を線路に加えたときの動作
■リンギングの対策
電気信号は電磁波，だから線路間で結合するのは当たり前
第4章 線路間の信号干渉・クロストークを理解しよう
■フラット・ケーブルで安易にデータを送ると誤動作
■クロストークのメカニズム
■内層パターンでは遠端ノイズが消える
■クロストークを減らすには
■クロストークのシミュレーション
Appendix 1 高速信号を正しく観測するプロービング
■クロストークの波形は線路や信号の条件によって異なる
小振幅でも安定に高速に送るには
第5章 ギガビット伝送では差動伝送が主流
■ギガビット・ディジタル伝送では差動伝送が使われる
■差動伝送ならノイズがあっても小振幅で信号を送ることができる
■差動インピーダンスとは
■差動インピーダンスをきちんと理解する
■差動信号とコモン・モード成分の両方を終端する必要がある
■n本線路への拡張
■差動線路シミュレーション用パーツ
第2部 ギガビット伝送を実現する様々な技術
シリアル伝送の技術がオンパレードでギガビット化
第6章 安定したギガビット伝送を実現するシリアル差動伝送技術
■パラレル伝送の速度限界
■シリアル・ディジタル伝送が高速化する過程で差動伝送化
■LVDSは産業機器などで広く使われている
■パラレル・データをシリアル・データに変換・逆変換
■データにクロックを埋め込む技術
■ISIと8B10B変換
■プリエンファシスとイコライザ
■ACカップリング
■高速差動伝送回路は電流ロジック回路が基本
■ケーブル・ロスをコネクタ部のアンプで補償する方法
■シリアル・データ伝送規格の種類と根要
シングルエンド伝送がギガビットでも生き残っているわけは?
第7章 ギガビットでも使われるシングルエンド伝送
■シングルエンド伝送が使われている高速メモリ回路
■PCIはTTLをそのままつないだだけに近いシングルエンド伝送
■AGPは信号伝送を1：1に送ることで高速化したシングルエンド伝送
■CPUの周辺回路の高速化
■SDRAMの回路方式SSTL
■SDRAMの高速化
■回路の分岐部分の対処方法
■DDR2 SDRAMのクロックとデータの波形を観測
■メモリ・モジュール内部の高速化対応
■DDR2では終端抵抗がチップ内に入っている
■DDR3に高速化するための技術
■DDR4高速化のポイント
■DDR3，DDR4のパターン設計
1mmの無駄なパターンも無視できない
第8章 ギガビット回路のパターン設計
■内外層パターンの信号速度の違い
■ビアを信号が通過するときのべた層間の状態
■差動パターンの設計ポイント
■ロジック・アナライザのプローブの当て方
電源系もギガビット領域での動作に対応する必要がある
第9章 ギガビット回路のパワー・インテグリティ
■同時スイッチング・ノイズSSN
■グラウンド層が共振して誤動作を起こす
■電源系のインピーダンスとターゲット・インピーダンス
■内層共振を抑えるためのコンデンサの付け方
■パワー・インテグリティ対策ソフト
■EMI対策とパワー・インテグリティ対策の兼ね合い
第3部 ギガビット伝送を計測・シミュレーションする
オシロプローブでは測れない!?
第10章 ギガビット信号波形を観測するにはテクニックがいる
■ギガビット信号をオシロプローブで見るテクニック
■差動プローブの使い方
■同軸コネクタにも周波数上限がある
■さらに高い周波数用の同軸コネクタ
■パッケージされたICのチップ内部波形を見る
1兆回の伝送に1回のエラーも許さない
第11章 データ伝送のジッタ測定と対策
■頻度の少ないエラーも高速伝送では対応が必要
■ジッタとは時間方向の信号の変動
■ビット・エラー・レートと測定
■アイ・ダイアグラムとバスタブ曲線
■ビット・エラーの見積もりと対策
■ジッタ耐性テスト
基板の中の見えないパターンを測る
第12章 線路の特性インピーダンスと周波数特性を測定する
■12-1 特性インピーダンスを実測する
■12-2 伝送損失の周波数特性を評価する
付属CD-ROMのLTspiceとFreeMatを活用する
第13章 シミュレーションで高速ディジタル回路を体験しよう
■収録プログラムの紹介
■LTspiceの活用
■LTspice回路図作成入門
■伝送線路回路のシミュレーション
■クロストークのシミュレーション
■アイ・ダイアグラムをLTspiceで描かせる
■マトリクス演算をフリー・ソフトで容易に実行[FreeMat]
■FreeMatプログラム例
Appendix 2 モード分解 = 結合線路の結合を分離し単線の計算に置き換える =
Appendix 3 結合線路のキャパシタンス行列とインダクタンス行列の計算
高速LVDS回路をシミュレーションしてみる
第14章 ギガビットADC基板の実際を見てみよう
■LVDSの実際…デバイスと波形
■確実に伝送できる差動回路を設計するには
Supplement ギガビット用コモン・モード・フィルタの動作
CD-ROMの内容と使い方
本書のナビゲーションと活用法 高速データ伝送超入門
Introduction カラーで見るギガビット伝送波形の評価技術
第1部 ギガビット伝送の基本をマスタしよう
電線を伝わる電気信号の実体は?
第1章 電気信号は電子の流れでなく電磁波で伝わる
■電気信号は先端オープンの電線でも伝わる
■負荷との間の線が切れていても電気信号は線路を進んでいく
■1本の電線だけではディジタル信号はうまく伝えられない
■基板パターンを伝わる電気信号
■電気信号が伝わる速度銅線を流れる電子の速度は0.07mm/sと超スロー
■周波数ドメインと時間ドメインがある電磁界シミュレーション
高速信号から見ると伝送線路は純抵抗に見える!!
第2章 特性インピーダンスについて徹底的に理解しよう
■線路端のスイッチによるばたつき波形の原因と対策
■線路を進む電気信号の電界と磁界の関係
■特性インピーダンスとは何か
■特性インピーダンスは線路の断面形状によって決まる
■基板パターン線路の特性インピーダンス
■表皮効果，表皮厚さ
線路端をショートしても電気信号は消えてなくならない
第3章 ディジタル伝送回路の反射とメカニズム
■ICの出力に線路をつなぐと立ち上がり波形に段付きが生じる
■ICの出力に線路をつないで終点をショートしても出力ピンに電圧が生じる
■線路に印加された信号は終点に到達すると始点に戻る
■線路の終点がショートされていると信号は反転する
■終点がオープンの線路はコンデンサが延びたものと見なされる
■いったん線路に出ていった電気信号は電源とは無関係に線路を進む
■線路端の状態と位相の関係
■階段状波形の信号を線路に加えたときの動作
■リンギングの対策
電気信号は電磁波，だから線路間で結合するのは当たり前
第4章 線路間の信号干渉・クロストークを理解しよう
■フラット・ケーブルで安易にデータを送ると誤動作
■クロストークのメカニズム
■内層パターンでは遠端ノイズが消える
■クロストークを減らすには
■クロストークのシミュレーション
Appendix 1 高速信号を正しく観測するプロービング
■クロストークの波形は線路や信号の条件によって異なる
小振幅でも安定に高速に送るには
第5章 ギガビット伝送では差動伝送が主流
■ギガビット・ディジタル伝送では差動伝送が使われる
■差動伝送ならノイズがあっても小振幅で信号を送ることができる
■差動インピーダンスとは
■差動インピーダンスをきちんと理解する
■差動信号とコモン・モード成分の両方を終端する必要がある
■n本線路への拡張
■差動線路シミュレーション用パーツ
第2部 ギガビット伝送を実現する様々な技術
シリアル伝送の技術がオンパレードでギガビット化
第6章 安定したギガビット伝送を実現するシリアル差動伝送技術
■パラレル伝送の速度限界
■シリアル・ディジタル伝送が高速化する過程で差動伝送化
■LVDSは産業機器などで広く使われている
■パラレル・データをシリアル・データに変換・逆変換
■データにクロックを埋め込む技術
■ISIと8B10B変換
■プリエンファシスとイコライザ
■ACカップリング
■高速差動伝送回路は電流ロジック回路が基本
■ケーブル・ロスをコネクタ部のアンプで補償する方法
■シリアル・データ伝送規格の種類と根要
シングルエンド伝送がギガビットでも生き残っているわけは?
第7章 ギガビットでも使われるシングルエンド伝送
■シングルエンド伝送が使われている高速メモリ回路
■PCIはTTLをそのままつないだだけに近いシングルエンド伝送
■AGPは信号伝送を1：1に送ることで高速化したシングルエンド伝送
■CPUの周辺回路の高速化
■SDRAMの回路方式SSTL
■SDRAMの高速化
■回路の分岐部分の対処方法
■DDR2 SDRAMのクロックとデータの波形を観測
■メモリ・モジュール内部の高速化対応
■DDR2では終端抵抗がチップ内に入っている
■DDR3に高速化するための技術
■DDR4高速化のポイント
■DDR3，DDR4のパターン設計
1mmの無駄なパターンも無視できない
第8章 ギガビット回路のパターン設計
■内外層パターンの信号速度の違い
■ビアを信号が通過するときのべた層間の状態
■差動パターンの設計ポイント
■ロジック・アナライザのプローブの当て方
電源系もギガビット領域での動作に対応する必要がある
第9章 ギガビット回路のパワー・インテグリティ
■同時スイッチング・ノイズSSN
■グラウンド層が共振して誤動作を起こす
■電源系のインピーダンスとターゲット・インピーダンス
■内層共振を抑えるためのコンデンサの付け方
■パワー・インテグリティ対策ソフト
■EMI対策とパワー・インテグリティ対策の兼ね合い
第3部 ギガビット伝送を計測・シミュレーションする
オシロプローブでは測れない!?
第10章 ギガビット信号波形を観測するにはテクニックがいる
■ギガビット信号をオシロプローブで見るテクニック
■差動プローブの使い方
■同軸コネクタにも周波数上限がある
■さらに高い周波数用の同軸コネクタ
■パッケージされたICのチップ内部波形を見る
1兆回の伝送に1回のエラーも許さない
第11章 データ伝送のジッタ測定と対策
■頻度の少ないエラーも高速伝送では対応が必要
■ジッタとは時間方向の信号の変動
■ビット・エラー・レートと測定
■アイ・ダイアグラムとバスタブ曲線
■ビット・エラーの見積もりと対策
■ジッタ耐性テスト
基板の中の見えないパターンを測る
第12章 線路の特性インピーダンスと周波数特性を測定する
■12-1 特性インピーダンスを実測する
■12-2 伝送損失の周波数特性を評価する
付属CD-ROMのLTspiceとFreeMatを活用する
第13章 シミュレーションで高速ディジタル回路を体験しよう
■収録プログラムの紹介
■LTspiceの活用
■LTspice回路図作成入門
■伝送線路回路のシミュレーション
■クロストークのシミュレーション
■アイ・ダイアグラムをLTspiceで描かせる
■マトリクス演算をフリー・ソフトで容易に実行[FreeMat]
■FreeMatプログラム例
Appendix 2 モード分解 = 結合線路の結合を分離し単線の計算に置き換える =
Appendix 3 結合線路のキャパシタンス行列とインダクタンス行列の計算
高速LVDS回路をシミュレーションしてみる
第14章 ギガビットADC基板の実際を見てみよう
■LVDSの実際…デバイスと波形
■確実に伝送できる差動回路を設計するには
Supplement ギガビット用コモン・モード・フィルタの動作
CD-ROMの内容と使い方