JP6520824B2 - リンギング抑制回路 - Google Patents

Description

本発明は、差動信号を伝送する伝送線路を分岐する分岐点に設けられ、その差動信号の伝送に伴い発生するリンギングを抑制するリンギング抑制回路に関する。

一対の通信線からなる伝送線路を介してデジタル信号を伝送する場合、受信側においては、信号レベルが変化するタイミングで信号エネルギーの一部が反射することで、オーバーシュートやアンダーシュートのような波形の歪み、すなわちリンギングが生じる問題がある。従来、このような波形歪みを抑制するため、様々な技術が提案されている。

例えば、上記伝送線路を分岐する分岐点でのリンギング抑制やリンギング防止の技術として、特許文献１、２に記載の技術を挙げることができる。特許文献１には、バス分岐点での反射ノイズを低減するために、メインバスとスタブバスとの間にインピーダンスを変更可能なＭＯＳトランジスタを介在させた構成のインピーダンス整合回路を設けることが記載されている。また、特許文献２には、バス分岐点での反射ノイズの周波数低域の信号を減衰させる抵抗およびコイルの並列回路からなるフィルタ回路を設けることが記載されている。

特開平１０−１２６４２５号公報 特開２００７−２０１６９７号公報

インピーダンス整合回路を設ける従来技術では、接続点におけるインピーダンス整合が送信時または受信時にて行われるため、車載ＬＡＮの一つであるＣＡＮ通信のようなバスの状態による反射ノイズを低減することはできない。また、抵抗およびコイルの並列回路からなるフィルタ回路を設ける従来技術では、特に通信速度と反射ノイズの周波数が近くなるような高速通信において、本来減衰させてはならない通信時の信号をも減衰させてしまうため、結果的に通信安定性が低下するおそれがある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、通信安定性を良好に維持しつつ、分岐によって形成されるスタブ内の反射により生じるリンギングを抑制することができるリンギング抑制回路を提供することにある。

請求項１に記載のリンギング抑制回路（５、２１、３１）は、差動信号を伝送する伝送線路（３）を分岐する分岐点（４）に設けられ、差動信号の伝送に伴い発生するリンギングを抑制するもので、インピーダンス素子（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ２１、Ｒ２２、Ｒ３１〜Ｒ４２）および切替部（８、２２、３２）を備える。切替部は、インピーダンス素子を分岐によって形成されるスタブ側の経路に直列に介在させる接続状態と、インピーダンス素子をスタブ側の経路に介在させない非接続状態とを切り替える。そして、切替部は、差動信号の信号レベルがドミナントからレセッシブに変化したことを検出すると一定期間だけ接続状態に切り替え、その一定期間を除く期間には非接続状態に切り替える。

このような構成によれば、差動信号の信号レベルがドミナントからレセッシブに変化したとき、つまりリンギングが生じ得るときには、スタブ側の経路に直列にインピーダンス素子が介在することで、スタブ側の反射ノイズによるリンギングが抑制される。また、差動信号の信号レベルがドミナントのときなど、リンギングが生じ難いときには、スタブ側の経路にインピーダンス素子が介在しないため、その経路を通過する差動信号を減衰させることはなく、通信安定性が低下することがない。したがって、上記構成によれば、通信安定性を良好に維持しつつ、分岐によって形成されるスタブ内の反射により生じるリンギングを抑制することができる。

第１実施形態に係るリンギング抑制回路の構成を模式的に示す図 通信ネットワークの構成を模式的に示す図 各部の信号波形および動作状態を模式的に示すタイミングチャート 回路動作のシミュレーションに用いた通信ネットワークモデルを模式的に示す図 回路動作のシミュレーション結果を示す図 第２実施形態に係るリンギング抑制回路の構成を模式的に示す図 第３実施形態に係るリンギング抑制回路の構成を模式的に示す図

以下、本発明の複数の実施形態について図面を参照して説明する。なお、各実施形態において実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１〜図５を参照して説明する。

図２に示す通信ネットワーク１は、車両に搭載される複数の通信ノード２（以下、単にノード２と呼ぶ）間の制御通信のために、それらのノード２がツイストペア線で構成される伝送線路３を介して接続されたネットワークである。各ノード２は、それぞれ車両の状態を検出するためのセンサ類やセンサからの情報に基づいてアクチュエータをコントロールする電子制御装置である。

各ノード２には、それぞれ図示しない通信回路が設けられており、伝送線路３での通信プロトコル、例えばＣＡＮプロトコルに従って送信データや受信データを通信信号に変換し、他のノード２との通信を行う。伝送線路３の途中には、適宜、伝送線路３を分岐する分岐点に相当する分岐コネクタ４が設けられている。なお、図２において、長方形内に「Ｔ」と記載した２つのノード２は、終端抵抗付きのノードを示し、それら以外のノード２は、終端抵抗無しのノードを示している。そして、本明細書では、終端抵抗付きのノード間の伝送線路３を「幹線」と呼び、それ以外の伝送線路３を「スタブ」と呼ぶ。

図１に示すリンギング抑制回路５は、図２に示すような伝送線路３を分岐する分岐コネクタ４のうち、幹線から終端抵抗を備えない１つのノード２へと伝送線路３を分岐するものに設けられる。端子Ｈ＿１、Ｌ＿１、Ｈ＿２、Ｌ＿２は、幹線側の伝送線路３を接続する接続端子である。また、端子Ｈ＿３、Ｌ＿３は、スタブ側の伝送線路３を接続する接続端子である。分岐コネクタ４の内部において、端子Ｈ＿１、Ｈ＿２の間には、高電位側信号線３Ｐ（以下、信号線３Ｐと省略する）が接続され、端子Ｌ＿１、Ｌ＿２の間には、低電位側信号線３Ｎ（以下、信号線３Ｎと省略する）が接続されている。

コンパレータ６は、伝送線路３、つまり通信バスを介して伝送される差動信号の信号レベルを検出するもので、検出回路に相当する。コンパレータ６の各入力端子は、それぞれ信号線３Ｐ、３Ｎに接続されている。また、コンパレータ６および信号出力回路７には、電源端子ＶＤＤおよびグランド端子ＧＮＤを介して電源電圧（例えば５Ｖ）が供給されている。

コンパレータ６は、信号線３Ｐ、３Ｎ間の差電圧がレセッシブを表す電圧（例えば０Ｖ）であるとき、ハイレベル（例えば５Ｖ）の信号を出力する。また、コンパレータ６は、信号線３Ｐ、３Ｎ間の差電圧がドミナントを表す電圧（例えば２Ｖ以上）であるとき、ロウレベル（例えば０Ｖ）の信号を出力する。つまり、コンパレータ６の出力信号Ｓａは、差動信号の信号レベル、つまり通信バスがレセッシブを表すレベルのときにハイレベルとなり、通信バスがドミナントを表すレベルのときにロウレベルとなる。コンパレータ６の出力信号Ｓａは、信号出力回路７に与えられている。

信号出力回路７は、ワンショットマルチ出力回路として構成されており、コンパレータ６の出力信号Ｓａがロウレベルからハイレベルに変化すると一定期間だけハイレベルとなる切替信号Ｓｂを出力する。つまり、信号出力回路７は、通信バスがドミナントからレセッシブに変化したことが検出されると一定期間だけハイレベルとなる切替信号Ｓｂを出力する。なお、この場合、ハイレベルが第１レベルに相当し、ロウレベルが第２レベルに相当する。

信号線３Ｐと端子Ｈ＿３の間には、抵抗Ｒ１およびスイッチＳＷ１の並列回路が接続されている。信号線３Ｎと端子Ｌ＿３の間には、抵抗Ｒ２およびスイッチＳＷ２の並列回路が接続されている。スイッチＳＷ１、ＳＷ２は、例えばＭＯＳトランジスタなどの半導体スイッチング素子により構成されており、そのオンオフは信号出力回路７から出力される切替信号Ｓｂにより制御される。

なお、抵抗Ｒ１、Ｒ２は、スタブ側のインピーダンス整合を図るためのインピーダンス素子に相当し、その抵抗値は、伝送線路３の特性インピーダンスや伝送線路３の長さなどに応じて設定されている。また、スイッチＳＷ１、ＳＷ２はインピーダンス素子の両端を開閉するスイッチに相当する。

スイッチＳＷ１、ＳＷ２は、切替信号Ｓｂがロウレベルのときにオンされ、切替信号Ｓｂがハイレベルのときにオフされる。このような構成によれば、コンパレータ６により通信バスがドミナントからレセッシブに変化したことが検出されると、一定期間だけ抵抗Ｒ１、Ｒ２がスタブ側の経路に直列に介在する状態（以下、接続状態と呼ぶ）になる。そして、上記一定期間を除く期間には、抵抗Ｒ１、Ｒ２の両端がスイッチＳＷ１、ＳＷ２によりショート（短絡）された状態、つまり抵抗Ｒ１、Ｒ２がスタブ側の経路に介在しない状態（以下、非接続状態と呼ぶ）になる。このような構成において、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、コンパレータ６および信号出力回路７により、切替部８が構成される。

次に、上記構成のリンギング抑制回路５の動作について、図３のタイミングチャートに沿って説明する。図３に示すように、信号線３Ｐ、３Ｎ間の差電圧Ｖdiffがドミナントを表すレベルからレセッシブを表すレベルに変化した時点で、コンパレータ６の出力信号Ｓａがロウレベルからハイレベルに転じる。また、これに伴い、信号出力回路７から出力される切替信号Ｓｂがロウレベルからハイレベルに転じ、その後一定期間だけハイレベルが保持される。

切替信号Ｓｂがハイレベルである一定期間、スイッチＳＷ１、ＳＷ２はオフ（ＯＰＥＮ）となる。そのため、抵抗Ｒ１、Ｒ２がスタブ側の経路に直列に介在する「接続状態」となり、スタブ側のインピーダンス整合が図られる。このような一定期間を除く期間、つまり切替信号Ｓｂがロウレベルである期間、スイッチＳＷ１、ＳＷ２はオン（ＣＬＯＳＥ）となる。そのため、抵抗Ｒ１、Ｒ２の両端がショートされた状態、つまり抵抗Ｒ１、Ｒ２がスタブ側の経路に介在しない「非接続状態」となる。この場合、スタブ側の伝送線路３は通常と同様の状態であり、差動信号が減衰することはない。

続いて、このようなリンギング抑制回路５の回路動作をシミュレーションした結果について図４および図５を参照して説明する。本シミュレーションでは、図４に示した通信ネットワークモデルを使用している。この場合、例えば１２０Ωの終端抵抗を備えたノードＮ１、Ｎ２間に、３つの分岐コネクタＪＣ１〜ＪＣ３が設けられている。分岐コネクタＪＣ１、ＪＣ２の間と、分岐コネクタＪＣ２、ＪＣ３の間とは、それぞれ１ｍの伝送線路で接続されている。

分岐コネクタＪＣ１と、ノードＮ１および終端抵抗を備えないノードＮ３との間は、それぞれ４ｍの伝送線路で接続されている。分岐コネクタＪＣ２と、終端抵抗を備えないノードＮ４との間は、４ｍの伝送線路で接続されている。分岐コネクタＪＣ３と、ノードＮ２および終端抵抗を備えないノードＮ５との間は、それぞれ４ｍの伝送線路で接続されている。

ここで、分岐コネクタＪＣ１〜ＪＣ３の全てにリンギング抑制回路５を設けた場合と、分岐コネクタＪＣ１〜ＪＣ３の全てにリンギング抑制回路５を設けない場合とにおける伝送線路３の差電圧の波形は図５に示すような波形となる。なお、この場合、ノードＮ３が送信側のノードであり、ノードＮ４、Ｎ５が受信側のノードである。

図５に示すように、分岐コネクタＪＣ１〜ＪＣ３にリンギング抑制回路５を設けた場合のほうが、設けない場合に比べ、通信バスがドミナントからレセッシブに移行した後の電圧波形の振動が小さく且つより早く収束している。つまり、本シミュレーションの結果から、本実施形態のリンギング抑制回路５を分岐コネクタＪＣ１〜ＪＣ３に設けることにより、差動信号の伝送に伴い発生するリンギングが抑制されることが分かる。

以上説明した本実施形態によれば、次のような効果が得られる。
本実施形態では、伝送線路３の分岐コネクタ４にリンギング抑制回路５が設けられている。そして、リンギング抑制回路５では、通信バスがドミナントからレセッシブに変化したことが検出されると一定期間だけ抵抗Ｒ１、Ｒ２がスタブ側の経路に直列に介在する接続状態となる。このようにすれば、差動信号の信号レベルがドミナントからレセッシブに変化したとき、つまりリンギングが生じ得るときには、スタブ側の経路に直列にインピーダンス素子である抵抗Ｒ１、Ｒ２が介在することで、スタブ側の反射ノイズによるリンギングが抑制される。

また、リンギング抑制回路５では、上記一定期間を除く期間には、抵抗Ｒ１、Ｒ２がスタブ側の経路に介在しない非接続状態となる。このようにすれば、差動信号の信号レベルがドミナントのときなど、リンギングが生じ難いときには、スタブ側の経路にインピーダンス素子が介在しないため、その経路を通過する差動信号を減衰させることはなく、通信安定性が低下することがない。したがって、本実施形態によれば、通信安定性を良好に維持しつつ、分岐によって形成されるスタブ内の反射により生じるリンギングを抑制することができる。

切替部８は、抵抗Ｒ１、Ｒ２の両端を開閉するスイッチＳＷ１、ＳＷ２のオンオフにより「接続状態」および「非接続状態」の切り替えを行うという比較的簡単な回路構成となっている。したがって、本実施形態によれば、大幅な回路規模の増加を招くことなく、上述したような効果を得ることができる。

また、切替部８は、通信バスがドミナントからレセッシブに変化したことを検出するコンパレータ８と、そのコンパレータ８の出力信号Ｓａがロウレベルからハイレベルに転じると一定期間だけハイレベルとなる切替信号Ｓｂを出力する信号出力回路７とを備えた構成となっている。そして、切替信号ＳｂによりスイッチＳＷ１、ＳＷ２がオンオフされることで、「接続状態」および「非接続状態」の切り替えが行われる。

このような構成によれば、通信バスがドミナントからレセッシブに変化した際に生じるリンギングの発生を確実に抑制することができる。さらに、そのリンギングを抑制する期間については、信号出力回路７における一定期間の設定により、適宜変更することが可能となる。

（第２実施形態）
以下、第２実施形態について図６を参照して説明する。
図６に示す本実施形態のリンギング抑制回路２１は、幹線から終端抵抗を備えない２つのノード２へと伝送線路３を分岐する分岐点に設けられる。

図６に示すように、リンギング抑制回路２１は、第１実施形態のリンギング抑制回路５に対し、インピーダンス素子に相当する抵抗Ｒ２１、Ｒ２２およびスイッチＳＷ２１、ＳＷ２２が追加されている。この場合、端子Ｈ＿４、Ｌ＿４は、端子Ｈ＿３、Ｌ＿３と同様、スタブ側の伝送線路３を接続する接続端子である。

信号線３Ｐと端子Ｈ＿４の間には、抵抗Ｒ２１およびスイッチＳＷ２１の並列回路が接続されている。信号線３Ｎと端子Ｌ＿４の間には、抵抗Ｒ２２およびスイッチＳＷ２２の並列回路が接続されている。スイッチＳＷ２１、ＳＷ２２のオンオフは、信号出力回路７から出力される切替信号Ｓｂにより制御される。なお、この場合、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ２１、ＳＷ２２、コンパレータ６および信号出力回路７により、切替部２２が構成される。

伝送線路３を分岐する分岐点としては、幹線から終端抵抗を備えない複数のノード２へと伝送線路３を分岐するものも存在する。本実施形態のリンギング抑制回路２１は、このような分岐点に設ける用途として好適である。なお、本実施形態の構成は、分岐数が「２」の場合に対応した構成となっているが、分岐数が「３」以上である場合には、それに対応した分だけのインピーダンス素子およびスイッチをスタブ側の経路に設ければよい。

（第３実施形態）
以下、第３実施形態について図７を参照して説明する。
図７に示す本実施形態のリンギング抑制回路３１は、伝送線路３を分岐する分岐点のうち、スター型の分岐点に設けられる。この場合、端子Ｈ＿３１、Ｌ＿３１、Ｈ＿３２、Ｌ＿３２、Ｈ＿３３、Ｌ＿３３、Ｈ＿３４、Ｌ＿３４、Ｈ＿３５、Ｌ＿３５、Ｈ＿３６、Ｌ＿３６は、いずれもスタブ側の伝送線路３を接続する接続端子である。

差動信号を伝送するための信号線３Ｐと端子Ｈ＿３１の間には抵抗Ｒ３１およびスイッチＳＷ３１の並列回路が接続され、差動信号を伝送するための信号線３Ｎと端子Ｌ＿３１の間には抵抗Ｒ３２およびスイッチＳＷ３２の並列回路が接続されている。信号線３Ｐと端子Ｈ＿３２の間には抵抗Ｒ３３およびスイッチＳＷ３３の並列回路が接続され、信号線３Ｎと端子Ｌ＿３２の間には抵抗Ｒ３４およびスイッチＳＷ３４の並列回路が接続されている。

信号線３Ｐと端子Ｈ＿３３の間には抵抗Ｒ３５およびスイッチＳＷ３５の並列回路が接続され、信号線３Ｎと端子Ｌ＿３３の間には抵抗Ｒ３６およびスイッチＳＷ３６の並列回路が接続されている。信号線３Ｐと端子Ｈ＿３４の間には抵抗Ｒ３７およびスイッチＳＷ３７の並列回路が接続され、信号線３Ｎと端子Ｌ＿３４の間には抵抗Ｒ３８およびスイッチＳＷ３８の並列回路が接続されている。

信号線３Ｐと端子Ｈ＿３５の間には抵抗Ｒ３９およびスイッチＳＷ３９の並列回路が接続され、信号線３Ｎと端子Ｌ＿３５の間には抵抗Ｒ４０およびスイッチＳＷ４０の並列回路が接続されている。信号線３Ｐと端子Ｈ＿３６の間には抵抗Ｒ４１およびスイッチＳＷ４１の並列回路が接続され、信号線３Ｎと端子Ｌ＿３６の間には抵抗Ｒ４２およびスイッチＳＷ４２の並列回路が接続されている。

スイッチＳＷ３１〜ＳＷ４２のオンオフは、信号出力回路７から出力される切替信号Ｓｂにおり制御される。なお、この場合、抵抗Ｒ３１〜Ｒ４２がインピーダンス素子に相当し、スイッチＳＷ３１〜ＳＷ４２、コンパレータ６および信号出力回路７により切替部３２が構成される。

伝送線路３を分岐する分岐点としては、スター型の分岐点も存在する。本実施形態のリンギング抑制回路３１は、このような分岐点に設ける用途として好適である。なお、本実施形態の構成は、スター型の分岐点のうち分岐数が「６」の場合に対応した構成となっているが、分岐数が「５」以下の場合や「７」以上である場合には、それに対応した分だけのインピーダンス素子およびスイッチをスタブ側の経路に設ければよい。

（その他の実施形態）
なお、本発明は上記し且つ図面に記載した各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で任意に変形、組み合わせ、あるいは拡張することができる。
スタブ側のインピーダンス整合を図るためのインピーダンス素子としては、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ２１、Ｒ２２などの抵抗素子に限らずともよく、例えばＭＯＳトランジスタのオン抵抗であってもよい。

切替部８、２２、３２としては、差動信号の信号レベルがドミナントからレセッシブに変化したことを検出すると一定期間だけ「接続状態」に切り替え、一定期間を除く期間には「非接続状態」に切り替える、という機能を実現できるものであればよく、その具体的な構成などは適宜変更可能である。
通信プロトコルはＣＡＮに限ることなく、一対の通信線を介して差動信号を伝送する通信プロトコルであれば適用が可能である。

３…伝送線路、４…分岐コネクタ、５、２１、３１…リンギング抑制回路、８、２２、３２…切替部、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ２１、Ｒ２２、Ｒ３１〜Ｒ４２…抵抗。

Claims (6)

1. 差動信号を伝送する伝送線路（３）を分岐する分岐点（４）に設けられ、前記差動信号の伝送に伴い発生するリンギングを抑制するリンギング抑制回路（５、２１、３１）であって、
   インピーダンス素子（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ２１、Ｒ２２、Ｒ３１〜Ｒ４２）と、
   前記インピーダンス素子を分岐によって形成されるスタブ側の経路に直列に介在させる接続状態と、前記インピーダンス素子を前記スタブ側の経路に介在させない非接続状態とを切り替える切替部（８、２２、３２）と、
   を備え、
   前記切替部は、前記差動信号の信号レベルがドミナントからレセッシブに変化したことを検出すると一定期間だけ前記接続状態に切り替え、前記一定期間を除く期間には前記非接続状態に切り替えるリンギング抑制回路。
2. 前記切替部は、前記インピーダンス素子の両端を開閉するスイッチ（ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ２１、ＳＷ２２、ＳＷ３１〜ＳＷ４２）を備え、前記スイッチをオフすることで前記接続状態に切り替え、前記スイッチをオンすることで前記非接続状態に切り替える請求項１に記載のリンギング抑制回路。
3. 前記切替部は、前記差動信号の信号レベルを検出する検出回路（６）と、前記検出回路により前記差動信号の信号レベルがドミナントからレセッシブに変化したことが検出されると前記一定期間だけ第１レベルとなる切替信号を出力する信号出力回路（７）と、を備え、前記切替信号が前記第１レベルである期間に前記接続状態に切り替え、前記切替信号が前記第１レベルとは異なる第２レベルである期間に前記非接続状態に切り替える請求項１または２に記載のリンギング抑制回路。
4. 前記分岐点は、終端抵抗を備える２つの通信ノード（２）間を接続する幹線から終端抵抗を備えない１つの通信ノード（２）へと前記伝送線路を分岐するものであり、
   前記インピーダンス素子および前記切替部は、前記分岐点から前記終端抵抗を備えない１つの通信ノード（２）へと至る経路に対応して設けられる請求項１から３のいずれか一項に記載のリンギング抑制回路。
5. 前記分岐点は、終端抵抗を備える２つの通信ノード（２）間を接続する幹線から終端抵抗を備えない複数の通信ノード（２）へと前記伝送線路を分岐するものであり、
   前記インピーダンス素子および前記切替部は、前記分岐点から前記終端抵抗を備えない複数の通信ノード（２）のそれぞれへと至る経路に対応して設けられる請求項１から３のいずれか一項に記載のリンギング抑制回路。
6. 前記分岐点は、スター型の分岐点であり、
   前記インピーダンス素子および前記切替部は、前記分岐点から前記分岐点に接続される複数の通信ノード（２）のそれぞれへと至る経路に対応して設けられる請求項１から３のいずれか一項に記載のリンギング抑制回路。

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