JP5300584B2 - 信号等化器 - Google Patents

Description

この発明は、送信側と受信側との間を接続して信号を伝送する主伝送線路を含む信号等化器に関する。

従来の信号等化器は、送信端と受信端との間を接続して信号を伝送する主伝送線路（第１伝送線路）と、主伝送線路の受信端側に、受信端と並列に接続された受信側終端抵抗（第１終端抵抗）と、受信側終端抵抗と並列に接続され、伝送線路（第２伝送線路）および伝送線路とインピーダンスが異なる終端抵抗（第２終端抵抗）の直列回路からなる周波数特性調整用回路とを備えている。周波数特性調整用回路は、主伝送線路の受信端側に、所望の特定周波数帯域での電圧振幅を、他の周波数帯域よりも大きくする周波数特性を与える（例えば、特許文献１参照）。
これにより、高周波信号を伝送する場合に問題となる伝送線路の導体損失および誘電体損失による電圧損失を良好に補償している。

特開２００８−１６０３８９号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
従来の信号等化器では、高周波信号を伝送する場合には、伝送線路における電圧損失（導体損失および誘電体損失）が大きくなるので、信号等化器で発生する反射の影響は小さい。一方、従来の信号等化器で低周波信号を伝送する場合には、信号等化器自身の入力インピーダンスと主伝送線路の特性インピーダンスとの不整合によって発生する反射が大きな影響を及ぼし、伝送特性が劣化するという問題がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、インピーダンス不整合によって発生する反射を抑制して伝送特性の劣化を防止することで、広い周波数帯域で使用可能な信号等化器を得ることを目的とする。

この発明に係る信号等化器は、送信端と受信端との間を接続して信号を伝送する第１伝送線路と、第１伝送線路の受信端側に、受信端と並列に接続された第１終端抵抗と、第１終端抵抗と並列に接続され、第２伝送線路および第２伝送線路とインピーダンスが異なる第２終端抵抗の直列回路からなり、所望の周波数帯域以外の帯域の信号を減衰させる周波数特性調整回路と、第１伝送線路と受信端との間に直列に接続され、自身の入力インピーダンスと第１伝送線路の特性インピーダンスとを整合させる整合抵抗とを備え、整合抵抗の抵抗値Ｒ２は、第１伝送線路の特性インピーダンスをＺ０、第１終端抵抗の抵抗値をＲ３、第２終端抵抗の抵抗値をＲ４とすると、Ｒ２＝Ｚ０−（Ｒ３×Ｒ４）／（Ｒ３＋Ｒ４）で表される値に設定されるものである。

この発明に係る信号等化器によれば、第１伝送線路と受信端との間に直列に接続された整合抵抗は、信号等化器自身の入力インピーダンスと第１伝送線路の特性インピーダンスとを整合させる。
そのため、信号等化器の入力インピーダンスと第１伝送線路の特性インピーダンスとを整合させて、インピーダンス不整合によって発生する反射を抑制することができる。
したがって、インピーダンス不整合によって発生する反射を抑制して伝送特性の劣化を防止することで、広い周波数帯域で使用可能な信号等化器を得ることができる。

この発明の実施の形態１に係る信号等化器を模式的に示す回路図である。 この発明の実施の形態１に係る信号等化器の通過特性を示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係る信号等化器の反射特性を示す説明図である。 従来の信号等化器のアイパターン特性を例示する説明図である。 従来の信号等化器のアイパターン特性を例示する説明図である。 この発明の実施の形態１に係る信号等化器のアイパターン特性を例示する説明図である。 この発明の実施の形態１に係る信号等化器のアイパターン特性を例示する説明図である。 この発明の実施の形態１に係る信号等化器が形成されたプリント基板を示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係る信号等化器が形成された別のプリント基板を示す説明図である。

以下、この発明の信号等化器の好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。
この発明の信号等化器は、ケーブルによる伝送やバックプレーンによる伝送等の運用における伝送波形の改善に用いられる。
なお、高周波および低周波の定義については、信号等化器が適用されるシステムによって適宜変化する。例えば、信号速度が３Ｇｂｉｔ／ｓｅｃのシステムであれば、５００ＭＨｚ以上を高周波とし、５００ＭＨｚ以下を低周波とすることができる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る信号等化器を模式的に示す回路図である。
図１において、送信端１と受信端２との間には、送信側集積回路（送信機）１０と、主伝送線路（第１伝送線路）２０と、整合抵抗３０と、受信側集積回路（受信機）４０とが、直列に接続されている。

また、整合抵抗３０と受信側集積回路４０との間には、受信側終端抵抗（第１終端抵抗）５０が、受信側集積回路４０と並列に接続されている。さらに、整合抵抗３０と受信側終端抵抗５０との接続点には、周波数特性調整回路６０が、受信側終端抵抗５０と並列に接続されている。

送信側集積回路１０は、送信端１に接続された信号源であり、送信側信号源１１と内部インピーダンスである直列抵抗１２とを有している。
主伝送線路２０は、送信側集積回路１０の出力側（受信端２側）に接続され、送信端１と受信端２との間を接続して信号を伝送する。
なお、通常は、主伝送線路２０の特性インピーダンスＺ０と、直列抵抗１２の抵抗値Ｒ１とは、互いに等しい。

整合抵抗３０は、主伝送線路２０と受信側集積回路４０との間に直列に接続され、信号等化器の入力インピーダンスと主伝送線路２０の特性インピーダンスとを整合させる。整合抵抗３０の抵抗値をＲ２とする。
受信側集積回路４０は、受信端２に接続され、入力容量成分４１を有している。入力容量成分４１は、微小容量であるが、どの集積回路においても存在するものである。

受信側終端抵抗５０は、主伝送線路２０の受信端２側に一端が接続され、他端が接地されている。なお、受信側終端抵抗５０は、受信側集積回路４０の入力部に接続されるが、受信側集積回路４０に終端抵抗が内蔵されている場合には、この受信側終端抵抗５０を設ける必要はない。受信側終端抵抗５０の抵抗値をＲ３とする。

周波数特性調整回路６０は、伝送線路（第２伝送線路）６１および伝送線路６１とインピーダンスが異なる終端抵抗（第２終端抵抗）６２が直列接続されて構成されている。伝送線路６１の一端は、整合抵抗３０と受信側終端抵抗５０との接続点に接続され、他端は、終端抵抗６２の一端に接続されている。終端抵抗６２の他端は、接地されている。

また、周波数特性調整回路６０は、伝送線路６１の特性インピーダンスＺ１または長さ、もしくは終端抵抗６２の抵抗値Ｒ４を変化させることにより、所望の周波数帯域以外の帯域の信号を減衰させ、主伝送線路２０の受信端２側に、所望の周波数帯域での電圧振幅を他の周波数帯域よりも大きくする周波数特性を与える。なお、伝送線路６１の特性インピーダンスＺ１は、主伝送線路２０の特性インピーダンスＺ０よりも高い値に設定されている。

ここで、信号等化器の低周波数帯域における挿入損失は、次式（１）で表される。式（１）において、Ｌは低周波数帯域における真値の挿入損失を示し、Ｚはポート基準インピーダンス値を示す。

Ｌ＝（２×Ｒ４×Ｚ）／（２×Ｒ４×Ｚ＋Ｒ２×Ｚ＋Ｒ２×Ｒ４＋Ｚ×Ｚ）・・・（１）

また、伝送線路６１の長さと、挿入損失Ｌが最小となるピーク周波数との関係は、次式（２）で表される。式（２）において、ｄは伝送線路６１の長さを示し、λはピーク周波数における波長を示している。

ｄ＝λ／４・・・（２）

以下、上記構成の信号等化器の動作について説明する。
送信側集積回路１０からの信号は、主伝送線路２０で伝送されて、受信側終端抵抗５０に到達する。このとき、主伝送線路２０における導体損失および誘電体損失によって、高周波になるほど、また伝送距離が長くなるほど信号の減衰が大きくなる。高周波成分が減衰すると、伝送波形に歪みが生じて正しいデータを伝送することができなくなるが、伝送線路６１およびその出力部に接続された終端抵抗６２による周波数特性調整回路６０の作用により、低周波成分が抑制され、平坦な周波数特性を実現することができる。

主伝送線路２０で伝送された信号は、受信側終端抵抗５０に入力されるとともに、周波数特性調整回路６０にも入力される。周波数特性調整回路６０に入力された信号は、伝送線路６１で伝送されて終端抵抗６２に到達し、負の反射となって再び伝送線路６１で伝送されて、受信側終端抵抗５０に入力される。

ここで、受信側終端抵抗５０と伝送線路６１との分岐点からみた伝送線路６１側の入力インピーダンスＺは、次式（３）で表される。式（３）において、ｊは虚数単位を示し、βＬは伝送線路６１の電気長を示しており、電気長βＬは、周波数に応じて変化する。

Ｚ＝Ｚ１×（Ｒ４＋ｊ×Ｚ１×ｔａｎβＬ）／（Ｚ１＋ｊ×Ｒ４×ｔａｎβＬ）・・・（３）

式（３）から、低周波信号については、入力インピーダンスＺ＝Ｒ４となり、終端抵抗６２により減衰が生じる。これに対して、高周波信号については、入力インピーダンスＺが大きな値になるので、終端抵抗６２による減衰が減少する。
特に、電気長βＬ＝π／２の場合には、入力インピーダンスＺがＺ＝Ｚ１×Ｚ１／Ｒ４となり、伝送線路６１の特性インピーダンスＺ１をＺ１≧Ｒ４とすれば、伝送線路６１がハイインピーダンスに見えるので、終端抵抗６２による減衰が大きく減少する。

この発明の実施の形態１に係る信号等化器の通過特性を図２に例示する。図２において、横軸は周波数を示し、縦軸は通過特性を示している。
図２より、伝送線路６１の特性インピーダンスＺ１および長さｄ、並びに終端抵抗６２の抵抗値Ｒ４を適切に設定することにより、主伝送線路２０の特性に応じた周波数特性に適合させることができる。すなわち、主伝送線路２０の周波数特性の高周波における信号強度の低下を補償することができる。

続いて、この信号等化器の反射特性について説明する。
主伝送線路２０と整合抵抗３０との間からみた受信端２側のインピーダンスは、低周波信号については、整合抵抗３０、受信側終端抵抗５０および終端抵抗６２の合成インピーダンスＺｎであり、次式（４）で表される。

Ｚｎ＝Ｒ２＋（Ｒ３×Ｒ４）／（Ｒ３＋Ｒ４）・・・（４）

上述したように、送信側集積回路１０の直列抵抗１２の抵抗値Ｒ１、主伝送線路２０の特性インピーダンスＺ０および合成インピーダンスＺｎの関係が、Ｒ１≠Ｚ０≠Ｚｎとなった場合に、インピーダンスが不整合となり、反射が発生する。
そこで、式（４）において、合成インピーダンスＺｎが主伝送線路２０の特性インピーダンスＺ０と一致する（Ｚｎ＝Ｚ０）ように、整合抵抗３０の抵抗値Ｒ２を、終端抵抗５０の抵抗値Ｒ３および終端抵抗６２の抵抗値Ｒ４に合わせて設定することにより、インピーダンスを整合させることができる。

この発明の実施の形態１に係る信号等化器の反射特性を図３に例示する。図３において、横軸は周波数を示し、縦軸は反射特性を示している。また、図中の実線は実施の形態１に係る信号等化器の反射特性を示し、破線は従来の信号等化器の反射特性を示している。
図３より、整合抵抗３０によって、低周波数帯域における反射特性が改善されている。なお、上述したように、高周波数帯域においては、伝送線路６１での電圧損失（導体損失および誘電体損失）が大きくなるので、信号等化器で発生する反射の影響は小さい。

次に、この信号等化器のアイパターン特性について、従来の信号等化器のものと比較しながら説明する。
図４および図５は、従来の信号等化器のアイパターン特性を例示する説明図である。図４および図５において、横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示している。なお、図４は、直列抵抗の抵抗値Ｒ１（例えば、５０Ω）、主伝送線路の特性インピーダンスＺ０および合成インピーダンスＺｎの関係が、Ｒ１＝Ｚ０≠Ｚｎである場合のアイパターン特性を示している。また、図５は、直列抵抗の抵抗値Ｒ１（例えば、１０Ω）、主伝送線路の特性インピーダンスＺ０および合成インピーダンスＺｎの関係が、Ｒ１≠Ｚ０≠Ｚｎである場合のアイパターン特性を示している。
図４と図５とを比較すると、図５のアイパターン特性では、インピーダンス不整合によってアイパターンが閉じ、伝送特性が劣化している。

図６および図７は、この発明の実施の形態１に係る信号等化器のアイパターン特性を例示する説明図である。図６および図７において、横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示している。なお、図６は、直列抵抗１２の抵抗値Ｒ１（例えば、５０Ω）、主伝送線路２０の特性インピーダンスＺ０および合成インピーダンスＺｎの関係が、Ｒ１＝Ｚ０＝Ｚｎである場合のアイパターン特性を示している。また、図７は、直列抵抗１２の抵抗値Ｒ１（例えば、１０Ω）、主伝送線路２０の特性インピーダンスＺ０および合成インピーダンスＺｎの関係が、Ｒ１≠Ｚ０＝Ｚｎである場合のアイパターン特性を示している。
図６と図７とを比較すると、主伝送線路２０の特性インピーダンスＺ０と、合成インピーダンスＺｎとの整合がとれており、反射の発生が抑制されているので、両者ともアイパターンが開き、良好な伝送特性が得られている。

続いて、この信号等化器が適用される機器について説明する。
この発明の実施の形態１に係る信号等化器は、特に高周波回路機器に適用され、信号等化器は、プリント基板上に形成されたストリップ線路やマイクロストリップ線路、または同軸ケーブルにより分布定数回路で形成される。また、少なくとも主伝送線路２０および伝送線路６１は、プリント基板上に形成されたストリップ線路やマイクロストリップ線路、または同軸ケーブルで構成されうる。

図８は、この発明の実施の形態１に係る信号等化器が形成されたプリント基板１００を示す説明図である。
図８において、主伝送線路２０および伝送線路６１は、プリント基板（ＰＣＢ）１００上の配線パターンで構成されている。なお、図８では、主伝送線路２０および伝送線路６１をプリント基板１００の配線パターンによる伝送線路として具体例を示したが、同軸線路やケーブルを用いてもよい。

図９は、この発明の実施の形態１に係る信号等化器が形成された別のプリント基板１００Ａを示す説明図である。図９は、この信号等化器を差動伝送方式に適用した例を示している。
図９において、送信端１と受信端２との間には、差動信号源１０Ａと、主伝送線路（第１伝送線路）２０Ａと、整合抵抗３０ａ、３０ｂと、差動受信レシーバ４０Ａとが、直列に接続されている。

また、整合抵抗３０ａ、３０ｂと差動受信レシーバ４０Ａとの間には、受信側終端抵抗（第１終端抵抗）５０ａ、５０ｂが、それぞれ差動受信レシーバ４０Ａと並列に接続されている。さらに、整合抵抗３０ａと受信側終端抵抗５０ａとの接続点には、伝送線路（第２伝送線路）６１ａおよび終端抵抗（第２終端抵抗）６２ａが直列接続された周波数特性調整回路６０ａが接続されている。また、整合抵抗３０ｂと受信側終端抵抗５０ｂとの接続点には、伝送線路（第２伝送線路）６１ｂおよび終端抵抗（第２終端抵抗）６２ｂが直列接続された周波数特性調整回路６０ｂが接続されている。

また、図９において、主伝送線路２０Ａは、プリント基板（ＰＣＢ）１００Ａ上の配線パターンで構成された差動伝送線路である。また、伝送線路６１ａ、６１ｂは、プリント基板１００Ａ上の配線パターンで構成されている。なお、差動伝送方式の場合には、この信号等化器は、主伝送線路２０Ａの正極性信号側および負極性信号側の両方に接続される。また、図９では、主伝送線路２０Ａおよび伝送線路６１ａ、６１ｂをプリント基板１００Ａの配線パターンによる伝送線路として具体例を示したが、差動伝送用ケーブルを用いてもよい。

以上のように、実施の形態１によれば、第１伝送線路と受信端との間に直列に接続された整合抵抗は、信号等化器自身の入力インピーダンスと第１伝送線路の特性インピーダンスとを整合させる。
そのため、信号等化器の入力インピーダンスと第１伝送線路の特性インピーダンスとを整合させて、インピーダンス不整合によって発生する反射を抑制することができる。
したがって、インピーダンス不整合によって発生する反射を抑制して伝送特性の劣化を防止することで、広い周波数帯域で使用可能な信号等化器を得ることができる。

１ 送信端、２ 受信端、２０、２０Ａ 主伝送線路（第１伝送線路）、３０、３０ａ、３０ｂ 整合抵抗、５０、５０ａ、５０ｂ 受信側終端抵抗（第１終端抵抗）、６０、６０ａ、６０ｂ 周波数特性調整回路、６１、６１ａ 伝送線路（第２伝送線路）、６２、６２ａ、６２ｂ 終端抵抗（第２終端抵抗）。

Claims (2)

1. 送信端と受信端との間を接続して信号を伝送する第１伝送線路と、
   前記第１伝送線路の前記受信端側に、前記受信端と並列に接続された第１終端抵抗と、
   前記第１終端抵抗と並列に接続され、第２伝送線路および前記第２伝送線路とインピーダンスが異なる第２終端抵抗の直列回路からなり、所望の周波数帯域以外の帯域の信号を減衰させる周波数特性調整回路と、
   前記第１伝送線路と前記受信端との間に直列に接続され、自身の入力インピーダンスと前記第１伝送線路の特性インピーダンスとを整合させる整合抵抗と、
   を備え、
   前記整合抵抗の抵抗値Ｒ２は、前記第１伝送線路の特性インピーダンスをＺ０、前記第１終端抵抗の抵抗値をＲ３、前記第２終端抵抗の抵抗値をＲ４とすると、次式
   Ｒ２＝Ｚ０−（Ｒ３×Ｒ４）／（Ｒ３＋Ｒ４）
   で表される値に設定される
   ことを特徴とする信号等化器。
2. 前記第２終端抵抗の抵抗値Ｒ４は、前記第２伝送線路の特性インピーダンスをＺ１とすると、次式
   Ｒ４≦Ｚ１
   で表される値に設定される
   ことを特徴とする請求項１に記載の信号等化器。

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