JP5057169B2 - 減衰又はフィルタ回路を持つ逆相信号伝送用電気多導体システム - Google Patents

Description

本発明は、２つの信号導線及び共通な基準導線を持ちかつ逆相モードで信号を伝送する電気多導体システムであって、各信号導線が、それぞれの信号導線にある分岐接続点と基準導線との間に延びる接続分枝を持つ減衰又はフィルタ回路を含み、それぞれの信号導線の減衰又はフィルタ回路が、公称的に同じ大きさに設定されているものに関する。

このような多導体システムは例えばデータ伝送バスにおいて使用される。典型的な使用分野は、データ技術、設備技術又は自動車部門にある。多導体システムを介して、信号が送信機から受信機へ伝送される。信号は通常同相モード及び逆相モードを含み、情報は特に逆相モードにより伝送される。

各信号導線の出力側及び／又は入力側に設けられる減衰又はフィルタ回路は、接続される送信機又は受信機を、例えば伝送路区間において多導体システムへ入り込むことがある妨害に対して保護するのに役立つ。減衰又はフィルタ作用は、逆相モードで伝送される信号情報を誤らせないようにするため、各信号導線において同じであるようにする。従って減衰又はフィルタ回路は、同じ構造に構成されている。しかし同相モードから逆相モードへの望ましくない過結合が起こり、その程度換言すればその回避は、同相抑圧（同相減衰）によって示される。

本発明の課題は、公知の多導体システムに比べて改善された同相抑圧を持つ最初にあげた種類の多導体システムを提示することである。

この課題を解決するため、請求項１の特徴に応じた多導体システムが提示される。同相モードから逆相モードへの望ましくない過結合のかなりの部分は、減衰又はフィルタ回路を実現するために使用される素子の公差に帰せられることがわかった。減衰又はフィルタ回路は、通常受動部品で構成される周波数フィルタである。例えば一次の低域フィルタとしてのＲＣ回路が慣用されている。しかし高次の低域フィルタも、帯域フィルタ又は高域フィルタとしての構成と同様に可能である。同様に複数の周波数フィルタの縦続接続も可能である。リアクタンスを実現するために使用されるコンデンサ及び／又はコイルは、オーム抵抗より著しく大きい公差を持っているので、減衰又はフィルタ回路の容量又はインダクタンスの値における公差による偏差が、同相モードから逆相モードへの過結合をかなりひき起こすことがわかった。

本発明によれば、ただ１つのリアクタンス即ち第２の部分分枝に設けられる第２のリアクタンスがすべての減衰又はフィルタ回路の均一な構成部分であることによって、同相抑圧のために重要なリアクタンス公差の影響が著しく少なくされる。この減衰又はフィルタ回路は１回設けられているだけなので、第２のリアクタンスの公差は問題にならない。最初に各減衰又はフィルタ回路の接続分枝に設けられているリアクタンスを、少なくとも２つのリアクタンスを持つ直列回路に代え、基本リアクタンスとしてすべての減衰又はフィルタ回路に付属させる、という本発明による方策は、著しい改善即ち同相抑圧の上昇を生じる。

リアクタンスは、請求項２及び３によれば、なるべくキャパシタンス又はインダクタンスとして構成可能である。両方のリアクタンス形式の組合わせから成る混合形式も可能である。リアクタンスの選択は、そのつどの使用により必要とされる周波数応答に合わされる。リアクタンスの構造に応じて、減衰又はフィルタ回路は原理的に任意の次数の低域フィルタ、帯域フィルタ又は高域フィルタのように挙動する。

請求項４によるキャパシタンスの大きさ設定では、全キャパシタンス及び直列回路の全公差も、小さい方のキャパシタンス即ち第２のキャパシタンスにより決定されている。しかし第２のキャパシタンスの公差は、前述したように問題にならない。なぜならば第２のキャパシタンスはすべての減衰又はフィルタ回路に均一に付属しているからである。

請求項５による実施形態は、低域フィルタの形の特に簡単に構成される減衰又はフィルタ回路である。

分岐接続点の両側に設けられた直列抵抗を持つ請求項６による実施形態は、特に高い周波数において安定性を改善する。このことは、特に減衰又はフィルタ回路が差動増幅器の入力回路として設けられている場合に当てはまる。

請求項７により行われる第１の減衰オーム抵抗との直列接続は、逆相モード及び同相モードにおいてもＱを低下するので、振動傾向従って望ましくない電流又は電圧のピークの形成が少なくされる。

請求項８により行われる第２の減衰オーム抵抗との並列接続は、同相モードにおけるＱを低下し、特に低い周波数範囲において同相減衰を増大させる。

本発明の別の課題は、公知の多導体システムに比べて改善された同相抑圧を示す多導体システムを持つデータ伝送バスを提示することである。

この課題は、本発明によれば、請求項９の特徴を持つデータ伝送バスによって解決される。本発明によるデータ伝送バスでは、本発明による多導体システムに関連して既に説明したのとほぼ同じ利点が生じる。

請求項１０によるデータ伝送バスの実施形態では、データ伝送が逆相モードで行われるので、本発明による多導体システムは、有利な同相抑圧で特に有利に使用される。

本発明のそれ以外の特徴、利点及び詳細は、図面による実施例の以下の説明から明らかになる。図において、互いに一致する部分は同じ符号を付けられている。

図１には、信号伝送のために設けられる多導体システム１の実施例が示され、例えば送信機の形の少なくとも１つの信号又はデータ源２、及び受信機３の形のデータシンクが、多導体システム１に接続されている。多導体システム１は３つの導線即ち２つの信号導線５，６及び共通な基準導線を含み、基準導線は実施例ではアース導線７として構成されている。原則的には２つより多い信号導線を設け、基準導線の代わりに多導体システムの種々の個所に、共通な基準導線例えばアース電位への接続接点を設けることができる。

信号又はデータ源２は概略的にのみ示され、しかも同相信号Ｖｃｍを供給する同相電圧源８及び極性を別としてそれぞれ１つの等しい逆相信号Ｖｄ／２を供給する２つの逆相電圧源９及び１０を持つ著しく簡単化した等価回路として示されており、これら逆相電圧源９，１０のうち一方は第１の信号導線５に接続され、他方は第２の信号導線６に接続されている。これに反し同相電圧源８は両方の信号導線５及び６に給電する。信号又はデータ源２は一般的に解釈すべきである。それは多導体システム１内の特定の場所に制限されていない。むしろそれは、多導体システム１内で信号が伝搬するあらゆる場所、特に受信機３の入力端に置かれてもよい。

受信機３は、概略的に示す差動増幅器１１及び差動増幅器１１の出力側に接続される負荷のほかに、低域フィルタ１３及び１４の形の２つの減衰又はフィルタ回路を含み、これら低域フィルタのそれぞれ１つが、差動増幅器１１の入力側で信号導線５又は６に挿入されている。大体においてＲＣ回路から構成される低域フィルタ１３及び１４は、多導体システム１の構成部分である。原則的に別の対比可能な低域フィルタを、多導体システム１の他の個所例えば信号又はデータ源２の出力側に設けることもできる。

低域フィルタ１３及び１４は、それぞれの信号導線５又は６とアース導線７との間に延びる接続分枝１５及び１６を持ち、これらの接続分枝は特別な部分分枝１７又は１８と共通な部分分枝１９との直列回路から構成されている。特別な部分分枝１７及び１８は、分岐接続点２０又は２１により信号導線５又は６に接続され、共通な中立点２２に終わり、この中立点から共通な部分分枝１９がアース導線７へ延びている。特別な部分分枝１７及び１８には、公称的に同じ容量値を持つ特別なキャパシタンス２３及び２４が設けられている。共通な部分分枝１９は共通なキャパシタンス２５を含んでいる。低域フィルタ１３及び１４は更にそれぞれ１つのオーム直列抵抗２６及び２７を含み、これらの直列抵抗は、信号流れ方向に見て分岐接続点２０及び２１の前で信号導線５及び６に挿入されている。直列抵抗２６及び２７も公称的に同じ抵抗値を持っているので、低域フィルタ１３及び１４は全体として同じ大きさに設定されている。

次に多導体システム１特に低域フィルタ１３及び１４の作用を以下に説明する。

情報伝送は多導体システム１において逆相モードで行われる。これは、伝送すべきデータ信号Ｓ１が両方の信号導線５及び６へ同じに分割されるので、一方の信号導線５において部分データ信号−１／２Ｓ１が導かれ、他方の信号導線６において部分データ信号１／２Ｓ１が導かれることを意味している。これらの部分データ信号に、信号導線５及び６において、情報を含まない同じ同相信号Ｓ０が重畳される。

データ信号Ｓ１（逆相信号）及び同相信号Ｓ０は、それぞれＤＣ信号又はＡＣ信号として存在することができ、両方の信号Ｓ０及びＳ１は全く同じ周波数範囲にあってもよい。

同相信号Ｓ０は特にＤＣ動作電圧により決定されていてもよい。自動車の分野で使用する場合、これは自動車蓄電池の電位従って１２Ｖ又は２４Ｖである。しかし低Ｖ範囲例えば１Ｖの振幅値を持つ交流電位も可能である。これに対しデータ信号Ｓ１のレベルはしばしば著しく小さい。その振幅値は特にｍＶ範囲例えば２００ｍＶの所にある。全体としてその場合信号導線５及び６から、高い同相電位及びそれに重畳される低い逆相電位が取出し可能である。

受信機側でデータ信号Ｓ１の情報内容を取出すため、信号導線５及び６から取出し可能なレベルが差動増幅器１１へ供給される。差形成のため、情報のない同相信号Ｓ０が消去される。これに反し部分データ信号は求めるデータ信号Ｓ１となるように加算される。

差動増幅器１１の前に接続された低域フィルタ１３及び１４は、作用範囲に応じて周波数内容の限定を行う。それにより受信機３の後続の構成要素は、信号導線５及び６へ入る妨害に対して保護される。更に周波数限定は、差動増幅器１１における望ましくない妨害効果を回避する。

逆相信号伝送の原理は、両方の信号導線５及び６における精確に同じ値の部分データ信号｜１／２Ｓ１｜に基いている。これからの偏差は情報及び／又はデータの損失を生じることがある。従って信号導線５、６及び低域フィルタ１３及び１４のような接続される構成要素は、それぞれ同じに設計されている。

同じ種類即ち名目上同じ大きさを持つ素子を使用しても、常に存在する素子公差のため、少し異なる伝送性能を生じることがある。その場合同相モードと逆相モードとの間の部分的過結合が起こり、受信機３においてデータ信号Ｓ１が多分不完全にしか回復されないことがある。この望ましくない同相−逆相伝送は、特に高い同相電位において注意すべきである。

図１の実施例とは異なりアース導線７に対してただ１つのキャパシタンスのもを持つそれぞれ１つの接続分枝を持つ従来のＲＣ回路の形の低域フィルタを基礎にしていると、素子の公差のため著しい過結合が起こる。これは次式による理想的ＲＣ回路の伝達関数から求められ、

公差を持つＲＣ回路の伝達関数は次式から求められ、

でカットオフ角周波数が、ｆ_ｇで角周波数又は限界周波数が、Ｒで直列抵抗２６及び２７の公称抵抗値が、Ｃでアース導線７への接続分枝にある公称並列容量値が、またＴｏｌ_Ｒ及びＴｏｌ_Ｃで抵抗又はキャパシタンスの公差が示されている。

自動車部門でキャパシタンスを実現するために通常使用されるセラミックコンデンサは、１０％の公差を持っている。これに反し著しく小さい公差を持つ抵抗が適切な費用で利用可能である。整合したアレイの抵抗が使用されると、０．１％の公差Ｔｏｌ_Ｒが得られる。従って逆相モードにおいて公差により生じる過結合は、まず第１のコンデンサによって生じる。最も不利な場合各素子は公差間隔の縁にあり、個別公差が加算されるので、約２０％の全公差から出発することができる。ここでなお考察されている両方の従来のＲＣ回路は、全部で２つの抵抗及び２つのキャパシタンスを持ち、抵抗の公差はキャパシタンスの公差に対して実際上無視することができる。

周波数ｆ＝ｗ／２πについて式（１）及び（２）の評価は、最大の偏差従って逆相モードにおける最大の過結合が限界周波数ｆ_ｇの範囲において現れることを示す。同相信号Ｓ０から変形される逆相成分の最大に達成可能な減衰又は抑圧は、従って限界周波数ｆ_ｇにおける値によって決定されている。同相抑圧とも称されるこの減衰は次式により求めることができる。

Ｔｏｌ_Ｃに対して前記の公差値を仮定すると、減衰は例えば２０ｄＢの所にある。これは多くの使用にとって小さすぎ、自動車部門にとっても小さすぎる。使用される制御回路に対する精度の要求は著しく厳しく、従って特に５０ｄＢ以上の要求される高い同相抑圧を生じる。

この一層厳しい精度要求を基礎にすると、式（２）及び（４）により、０．３％の最大許容全公差が生じて、０．１％の抵抗全公差と０．２％のコンデンサ全公差とに分割される。従来のＲＣ回路及び慣用のコンデンサによっては、この条件は満たされない。既に述べたように、約２０％の全公差が生じるであろう。

従って図１による多導体システム１は、従来のＲＣ回路の変わりに、低域フィルタ１３及び１４を含んでいる。特にアース導線への結合分枝１５及び１６は、従来のＲＣ回路による解決策におけるのとは異なるように構成されている。キャパシタンスの代わりに、特別なキャパシタンス２３又は２４と共通なキャパシタンス２５との直列回路が設けられている。それにより中立点２２に関してキャパシタンス２３，２４及び２５の星形結線が生じる。こうして低域フィルタ１３及び１４はＲＣ星形フィルタとなるように相互接続されている。

２つのキャパシタンスを直列に接続すると、小さい方の容量値を持つキャパシタンスが優勢である。従って大きい方の容量値を持つコンデンサの公差の影響も、直列回路の全容量へのその影響と同じように低下する。図１によりキャパシタンス２３〜２５を相互接続すると、全容量は公称的に次のようになる。

ここでＣ_１で共通なキャパシタンス２５の公称容量値が、Ｃ_２で特別なキャパシタンス２３及び２４の公称容量値が示されている。

公差δを持つ公称値の形で全容量値Ｃ_Ｇを示すと、次のようになる。

ここでΔ刃特別なキャパシタンス２３又は２４の公差を示している。キャパシタンス２３及び２４と２５との値の差を示す容量係数ｎ＝Ｃ_２／Ｃ_１の導入により、公差δは次のようになる。

特殊なキャパシタンス２３及び２４が共通なキャパシタンス２５より非常に大きく、従ってｎ＞＞１が成立するものと仮定すると、式（７）から容量係数ｎに対して次の関係が誘導される。

式（８）によれば、容量係数ｎは、良い近似において、大きい方の容量値を持つコンデンサの公差Δ、及びキャパシタンス２３又は２４及び２５の直列接続の公差δのみに関係している。

これに反し低い値の共通なキャパシタンス２５を実現するために使用されるコンデンサの公差は、無視することができる。これはもっともらしさの考察によって説明される。キャパシタンス２５は、両方の信号導線５及び６において、低域フィルタ１３及び１４の限界周波数の移動を同じように行うので、この公差は同相−逆相変換には寄与しない。

直列装置の公差δとして使用事例により規定される前記のコンデンサ全公差の０．２％の規定により、また値の大きい方のコンデンサの公差Δとしてセラミックコンデンサの普通１０％の公差により、式（８）から、特別なキャパシタンス２３及び２４と共通なキャ

更に限界周波数ｆ_ｇの所定値により、低域フィルタ１３及び１４の素子の大きさ設定が行われる。低域フィルタ１３及び１４は同相成分を減衰させるだけでなく、逆相成分も減衰させる。しかし両方の場合、次式により別の限界周波数ｆ_{ｇＧｌｅｉｃｈｔａｋｔ}又はｆ_{ｇＧｅｇｅｎｔａｋｔ}が互いに組合わされる。

ｎ＞＞１に対して同相限界周波数ｆ_{ｇＧｌｅｉｃｈｔａｋｔ}が次のようになる。

実際にはまず逆相限界周波数ｆ_{ｇＧｅｇｅｎｔａｋｔ}が、機能的要求に応じて例えば受信機３において求められる。それから要求される同相抑圧を算入しながら式（８）及び（９）に従って、同相限界周波数ｆ_{ｇＧｌｅｉｃｈｔａｋｔ}が決定され、最後に式（１０）を考慮しながら残りの大きさ設定が行われる。

全体として図１による低域フィルタ１３及び１４により、キャパシタンス２３〜２５が公差を持つ普通のコンデンサで実現されても、高度の同相抑圧が行われる。

図２には、少し修正されているが再び３導体の多導体システム２８の別の実施例が示されている。図１の実施例に対して僅かな相違しか存在しない。即ち図１に概略的にのみ示した差動増幅器１１は、図２の実施例では、帰還抵抗３０を介して帰還される演算増幅器３１としての具体的な実現に代えられている。

演算増幅器３１の入力側に減衰又はフイルタ回路として信号導線５及び６に挿入される低域フィルタ３２及び３３も、低域フィルタ１３及び１４に比較して少し変更されている。オーム直列抵抗２６及び２７が、低域フィルタ３２及び３３において、２つの別個のオーム直列抵抗３４，３５及び３６，３７に分割され、これらの直列抵抗のうちそれぞれ一方が信号流れ方向において分岐接続点２０及び２１の前に設けられ、他方が信号流れ方向において分岐接続点２０及び２１の後に設けられている。この分割は、高い周波数においてゲインの限定を行い、それにより多導体システム２８の安定性を高める。減衰性能及び有利な同相抑圧は、抵抗の分割によってあまり変化を受けない。

３導体の多導体システム３８の別の実施例が図３に示されている。減衰又はフィルタ回路として、低域フィルタ１３及び１４に対して変更された低域フィルタ３９及び４０が設けられている。

しかし低域フィルタ３９及び４０も、それぞれの信号導線５及び６とアース導線７との間に延びる結合分枝４１及び４２を持ち、これらの結合分枝は特別な部分分枝４３及び４４と共通な部分分枝４５から成る直列回路から構成されている。特別な部分分枝４３及び４４において、それぞれ１つの減衰オーム抵抗４６及び４７がキャパシタンス２３及び２４と直列に接続されている。抵抗４６及び４７は同じ公称抵抗値を持っている。共通な部分分枝４５において、減衰オーム抵抗４８が共通なキャパシタンス２５に並列接続されている。付加的に設けられる抵抗４６〜４８は、形成される共振回路のＱを減衰し、それにより電圧又は電流の過度の上昇を制限する。この有利な作用は、同相モードにおいても逆相モードにおいても示される。これは純オーム直列抵抗２６及び２７の代わりにＥＭＶフェライト又はインダクタンスが設けられている図示しない別の実施例についても当てはまる。

図４には減衰又はフイルタ回路４９の別の実施例が示され、前の実施例とは異なり、低域フィルタとしてではなく帯域フィルタとして構成されている。この回路４９は、再び信号導線５とアース導線７との間に延びる接続分枝５０を含み、この接続分枝は特別な部分分枝５１と共通な部分分枝５２の直列回路から構成されている。特別な部分分枝５１において、特別なインダクタンス５３が特別なキャパシタンス２３に並列接続されているので、全体として特別な組合わせリアクタンスが生じる。共通な部分分枝５２において、共通なインダクタンス５４が共通なキャパシタンス２５に並列接続されているので、全体として共通な組合わせリアクタンスが生じる。

付加的に設けられるインダクタンス５３及び５４のため、低い周波数に対して、アース導線７に対する低オーム接続が行われる。その結果全体として帯域フィルタ性能が生じる。先にキャパシタンスについて行われた公差の考察は、インダクタンス５３及び５４にも同じように転用され、その際特別なインダクタンス５３は、共通なインダクタンス５４より小さい公称インダクタンス値を持っている。多導体システム１，２８及び３８に関して説明したように、減衰又はフイルタ回路４９の形のそれぞれ１つの減衰又はフイルタ回路が各信号導線５及び６に挿入される時、両方の部分分枝５１及び５２へのこの分割が同相抑圧を改善する。

更に減衰又はフイルタ回路を純粋な高域フィルタとして構成し、それに応じて部分分枝に誘導性リアクタンスのみを設ける、図示しない実施例も可能である。

前述したすべての実施例は、種々に使用することができる。例えば高い同相電位で電流測定に使用することが可能であり、その際逆相モードにおいて測定並列回路を介して行われる電圧降下が、後に接続される差動増幅器により求められる。別の使用分野はデータバス技術に関する。若干のデータ伝送バスは３導体システムを使用し、かつ逆相モードで情報伝送を行うので、多導体システム１，２８及び３８の１つが直ちに前記の利点をもって使用可能である。これに対する例はＣＡＮバス及びＦｌｅｘ Ｒａｙバスである。

減衰又はフイルタ回路を持つ多導体システムの実施例を示す。 変更された減衰又はフイルタ回路を持つ多導体システムの第２実施例を示す。 変更された減衰又はフイルタ回路を持つ多導体システムの第３実施例を示す。 変更された減衰又はフイルタ回路の別の実施例を示す。

Claims (6)

1. ２つの信号導線（５，６）及び共通な基準導線（７）を持ちかつ逆相モードで信号を伝送する電気多導体システムであって、
   ａ）第１及び第２の信号導線（５，６）が、それぞれの信号導線（５，６）にある第１及び第２の分岐接続点（２０，２１）と基準導線（７）との間に延びる第１及び第２の接続分枝（１５，１６；４１，４２）を持つ第１及び第２の減衰又はフィルタ回路（１３，１４；３２，３３；３９，４０；４９）を含み、
   ｂ）第１及び第２の信号導線（５，６）の第１及び第２の減衰又はフィルタ回路（１３，１４；３２，３３；３９，４０；４９）が、同じ容量値に設定されており、
   ｃ）第１及び第２の減衰又はフィルタ回路（１３，１４；３２，３３；３９，４０；４９）の第１及び第２の接続分枝（１５，１６；４１，４２）が、第１のリアクタンス（２３，２４；５３）を持つ第１の部分分枝（１７，１８；４３，４４）と第２のリアクタンス（２５；５４）を持つ第２の部分分枝（１９；４５；５２）との直列回路を含み、
   ｄ）第２のリアクタンス（２５；５４）を持つ第２の部分分枝（１９；４５）が、第１及び第２の減衰又はフィルタ回路（１３，１４；３２，３３；３９，４０；４９）の共通な構成部分であり、
   ｅ）第１及び第２の接続分枝（１５，１６；４１，４２）の第１の部分分枝（１７，１８；４３，４４）にある第１のリアクタンスが第１のキャパシタンス（２３，２４）として構成され、第２の部分分枝（１９；４５）にある第２のリアクタンスが第２のキャパシタンス（２５）として構成され、
   ｆ）第１及び第２の接続分枝（１５，１６；４１，４２）の第１の部分分枝（１７，１８；４３，４４）にある第１のキャパシタンス（２３，２４）が、第２の部分分枝（１９，４５）にある第２のキャパシタンス（２５）より大きい容量値を持っている
   多導体システム。
2. 第１及び第２の接続分枝の第１の部分分枝（５１）にある第１のキャパシタンス（２３）に第１のインダクタンス（５３）が並列接続され、第２の部分分枝（５２）にある第２のキャパシタンス（２５）に第２のインダクタンス（５４）が並列接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の多導体システム。
3. 第１及び第２の減衰又はフィルタ回路（１３，１４；３２，３３；３９，４０）が、信号流れ方向において第１及び第２の分岐接続点（２０，２１）の前で第１及び第２の信号導線（５，６）に挿入されたオーム直列抵抗（２６，２７；３４，３６）を含んでいることを特徴とする、請求項１に記載の多導体システム。
4. 第１及び第２の減衰又はフィルタ回路（３２，３３）が、信号流れ方向において第１及び第２の分岐接続点（２０，２１）の後で第１及び第２の信号導線（５，６）に挿入されたオーム直列抵抗（３５，３７）を含んでいることを特徴とする、請求項３に記載の多導体システム。
5. 第１及び第２の接続分枝（４１，４２）の第１の部分分枝（４３，４４）が、第１のキャパシタンス（２３，２４）と直列に接続されている第１の減衰オーム抵抗（４６，４７）を含んでいることを特徴とする、請求項１に記載の多導体システム。
6. 第２の部分分枝（４５）が、第２のキャパシタンス（２５）と並列接続されている第２の減衰オーム抵抗（４８）を含んでいることを特徴とする、請求項１に記載の多導体システム。

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