WO2010087184A1 - 差動伝送回路及びそれを備えた電子機器 - Google Patents

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岩佐正治
山田智浩
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パナソニック株式会社
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H7/00Multiple-port networks comprising only passive electrical elements as network components
    • H03H7/01Frequency selective two-port networks
    • H03H7/0107Non-linear filters
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H7/00Multiple-port networks comprising only passive electrical elements as network components
    • H03H7/42Networks for transforming balanced signals into unbalanced signals and vice versa, e.g. baluns
    • H03H7/425Balance-balance networks
    • H03H7/427Common-mode filters

Definitions

  • the present invention relates to a differential transmission circuit used for the purpose of protecting an electronic device having a high-speed signal transmission circuit such as High-Definition Multimedia Interface (HDMI) from static electricity and an electronic device including the same.
  • HDMI High-Definition Multimedia Interface
  • a protective diode is provided immediately after an input / output terminal of an LSI, and the internal circuit is protected from an external electrostatic pulse or the like by this function.
  • the protection diode is instantly turned on when a voltage of a certain value or more is applied, and bypasses the current to the ground. By connecting these in multiple stages, the amount of current that can be passed through the LSI is increased, thereby ensuring a predetermined electrostatic breakdown voltage.
  • these protective diodes have a capacitance component due to their configuration, when they are connected in multiple stages, they have a large capacitance value, which adversely affects signals in the high frequency band. Therefore, in an LSI used for a high-speed transmission line or the like, protective elements that can be incorporated are limited, and as a result, resistance to electrostatic breakdown is weakened.
  • a conventional electrostatic breakdown protection circuit 100 used for these applications includes a first transmission line 103 connected to a first input / output terminal 101, and a second input / output terminal. 102, a second transmission line 104 connected to 102, a first ESD (ElectroStatic Discharge) protection element 105 connected between the first transmission line 103 and the ground, and between the second transmission line 104 and the ground. And a second ESD protection element 106 connected to the.
  • ESD ElectroStatic Discharge
  • a conventional differential transmission circuit includes a first inductor element 107 connected in series between a first transmission line 103 and a third transmission line 110 connected to a third input / output terminal 118, and a second There is further provided a common mode filter 109 in which the second inductor element 108 connected in series between the transmission line 104 and the fourth transmission line 111 connected to the fourth input / output terminal 119 is magnetically coupled to each other. .
  • an ESD suppressor or the like is used for the first and second ESD protection elements 105 and 106.
  • An ESD suppressor has a capacitance value as low as about 0.1 to 0.3 pF compared to, for example, a varistor or a Zener diode, so that even if it is used for a high-speed transmission line, the specified characteristic impedance is not disturbed. The adverse effect on the can be minimized. (For example, see Patent Document 1)
  • the conventional differential transmission circuit uses only a low-capacity protective element such as an ESD suppressor as the protective element, the size of the electrostatic pulse that can be suppressed is limited.
  • the capacitance component added to the transmission line can be minimized, but on the other hand, since the value of the clip voltage immediately after the start of discharge is large, the protection element incorporated in the LSI is used.
  • the flowing current increases.
  • Electrostatic tests for general AV (Audio Visual) devices are stipulated in IEC61000-4-2, but in-vehicle devices etc. require tests under more severe conditions according to individual standards (ISO-TR-10164). Has been.
  • the present invention is intended to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a differential transmission circuit capable of realizing a high electrostatic withstand voltage without degrading a transmission signal and an electronic device including the differential transmission circuit.
  • a differential transmission circuit includes a first ESD protection element connected between a first transmission line and the ground, and a connection between the second transmission line and the ground. Between the second ESD protection element, the first inductor element connected in series between the first transmission line and the third transmission line, and the second transmission line and the fourth transmission line.
  • the values of the first and second resistors are 10 to 15 ohms, respectively, and the capacitance values of the first and second ESD protection elements are smaller than 0.3 pF, respectively.
  • the clip voltage of the protective diode is set to a value smaller than 10V.
  • an electronic device includes the differential transmission circuit.
  • a part of the current of the electrostatic pulse applied to the first and second transmission lines is the first and second ESD protection. Bypassed to ground by element.
  • the current of the electrostatic pulse that cannot be dropped by the first and second ESD protection elements is bypassed to the ground by the first and second ESD protection diodes provided at the subsequent stage, and further the first current provided at the subsequent stage.
  • the first and second resistors can suppress a current flowing into a load (for example, an LSI) connected to the first and second resistors.
  • the schematic diagram which shows the structure of the differential transmission circuit 80 of one Embodiment of this invention Schematic diagram showing the usage environment of the differential transmission circuit 80 shown in FIG. Schematic diagram showing the equivalent circuit of the discharge device used in the ESD test The figure which illustrates the value of each element in the equivalent circuit shown in FIG. The figure which shows the discharge waveform in the equivalent circuit shown in FIG.
  • the schematic diagram which shows the detailed structure of the 1st ESD protection element 5 shown in FIG. The figure which shows the suppression waveform by the ESD protection elements 5 and 6 and the ESD protection diodes 12 and 13 of FIG.
  • the figure which shows the waveform of the TDR measurement in case the 1st resistance 14 is inserted The internal block diagram of the vehicle-mounted display monitor provided with the differential transmission circuit of this invention.
  • the figure which shows the simple equivalent circuit when ESD countermeasure components are attached to the differential transmission circuit of this invention The figure which shows the TDR simulation waveform at the time of changing a capacitance value in the equivalent circuit shown in FIG.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a differential transmission circuit 80 according to an embodiment of the present invention.
  • the differential transmission circuit 80 is accommodated in a first transmission / reception device 22 such as a digital TV, and includes a first transmission line 3 connected to the first input / output terminal 1.
  • the second transmission line 4 connected to the second input / output terminal 2, the first ESD protection element 5 connected between the first transmission line 3 and the ground, the second transmission line 4, And a second ESD protection element 6 connected between the grounds.
  • the capacitance values of the first and second ESD protection elements 5 and 6 are selected to be approximately 0.3 pF or less.
  • the differential transmission circuit 80 further includes a first inductor element 7 connected in series between the first transmission line 3 and the third transmission line 10, and the second transmission line 4 and the fourth transmission line 11.
  • a common mode filter 9 is provided which is magnetically coupled to a second inductor element 8 connected in series therebetween.
  • the third transmission line 10 and the cathode are connected to the differential transmission circuit 80, the first ESD protection diode 12 whose anode is connected to the ground, the fourth transmission line 11 and the cathode are connected, and the anode And a second ESD protection diode 13 connected to the ground.
  • the differential transmission circuit 80 further includes a first resistor 14 having one terminal connected to the third transmission line 10, and a second resistor 15 having one terminal connected to the fourth transmission line 11.
  • a fifth transmission line 16 connected to the other terminal of the first resistor 14 and connected to the third input / output terminal 18, and a fourth input / output terminal connected to the other terminal of the second resistor 15. 19 and a sixth transmission line 17 connected to 19.
  • the values of the first resistor 14 and the second resistor 15 are selected in the range of about 10 to 15 ohms.
  • the third input / output terminal 18 and the fourth input / output terminal 19 are connected to an LSI 20 as an example of a load, and the first input / output terminal 1 and the second input / output terminal 2 are connected to the external connector 21. It is connected to the.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a use environment of the differential transmission circuit 80 shown in FIG.
  • one external connector 21 connected to the first transmission / reception device 22 is connected to the second transmission / reception device 25 via the other external connector 24 connected to the transmission cable 23.
  • the first transmission / reception device 22 and the second transmission / reception device 25 are, for example, a digital TV and a DVD player
  • the transmission cable 23 is, for example, an HDMI cable.
  • the differential transmission circuit 80 of the present embodiment is provided as a part of the input / output circuit of the first transmission / reception device 22 and prevents destruction of the device due to the electrostatic pulse added along the transmission cable. It is. Similarly, the second transmission / reception device 25 can be provided with a similar circuit.
  • FIG. 10 is an internal configuration diagram of an in-vehicle display monitor provided with the HDMI connector 48.
  • 10 includes a display device 65, an audio output device 66, and a receiving device 64.
  • the receiving device 64 includes an HDMI connector 48, a differential transmission circuit 49, an HDMI receiving circuit 50, a digital video signal processing circuit 51, an LVDS transmission circuit 52, a video input terminal 56, An audio input terminal 58, a video AD conversion circuit 57, and an audio DA conversion circuit 59 are provided.
  • the audio output device 66 includes an analog audio processing circuit 60, an audio amplification circuit 61, a speaker 62, and a headphone terminal 63.
  • the display device 65 includes an LVDS receiving circuit 53, a display control circuit 54, and a liquid crystal panel 55.
  • the differential transmission circuit 49 corresponds to the differential transmission circuit 80 of the present embodiment.
  • a video signal and an audio signal are input to the HDMI connector 48 from an external connection device such as a DVD player or a Blu-ray disc player.
  • This signal is an encrypted differential signal called TMDS, and is input to the HDMI receiving circuit 50 via the differential transmission circuit 49.
  • the HDMI receiving circuit 50 decrypts the encryption of the input TMDS signal, then separates the digital video signal and the digital audio signal, and outputs them to the digital video signal processing circuit 51 and the audio DA conversion circuit 59 at the next stage, respectively.
  • the digital video signal is subjected to image processing by the digital video signal processing circuit 51, converted to an LVDS signal by the LVDS transmission circuit 52, and sent to the display device 65.
  • the LVDS signal is received by the LVDS receiving circuit 53 and displayed on the liquid crystal panel 55 by the display control circuit 54.
  • the digital audio signal output from the HDMI receiving circuit 50 is converted to analog audio by the audio DA conversion circuit 59 and input to the audio output device 66.
  • the audio processing is performed by the analog audio processing circuit 60 and output to the audio amplifying circuit 61 for output from the headphone terminal 63 or the speaker 62.
  • the receiving device 64 further includes a video input terminal 56 and an audio input terminal 58 as external input terminals.
  • An analog video signal is input to the video input terminal 56 from the outside, is digitally converted by the video AD conversion circuit 57, and is input to the digital video signal processing circuit 51 described above.
  • This signal is digitally processed together with the video from the HDMI connector 48 described above and output to the subsequent stage.
  • an analog audio input is input from the outside to the audio input terminal 58 and input to the analog audio processing circuit 60.
  • test standard is defined on the assumption that the human body touches the device, and the test method specified in the international standard IEC61000-4-2 is generally used. There are also individual standards established based on this.
  • FIG. 3 shows an equivalent circuit of a discharge device used for the ESD test.
  • the DC voltage generated by the high voltage source 31 is stored in the energy storage capacitor 32 via the switch 33 and the charging resistor 34.
  • the switch 36 since the switch 36 is open, no current flows to the discharge resistor 35.
  • the switch 33 is opened and the switch 36 is turned on, the electric charge stored in the energy storage capacitor 32 flows to the discharge terminal 37 via the discharge resistor 35 and the switch 36. Since the discharge terminal 37 is in contact with an external non-measurement object or close to it via air, the discharged electric charge flows into the non-measurement object.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating values of each element used in the ESD test.
  • the value of each element differs in the value of the energy storage capacity
  • the horizontal axis of the graph represents the time from the start of discharge, and the vertical axis represents the current value of the discharge current.
  • Current starts to flow at the start of discharge, and rise time 38 from the point of 10% to the point of 90% with respect to the peak value 39 of the discharge current, and 30 nS after the point of 10% with respect to the peak value 39 of the discharge current.
  • the value of the current value 42 of the discharge current 60 nS after the point of 10% with respect to the current value 41 of the discharge current and the peak value 39 of the discharge current is standardized.
  • the electrostatic pulse having such a discharge waveform 40 is applied to the first input / output terminal 1 via the transmission cable 23 and one external connector 21 (see FIG. 2).
  • the first ESD protection element 5 has a configuration as shown in FIG. 6, and is a region where one electrode 26 a and the other electrode 26 b are covered with the voltage-dependent resistance material 28 on the insulator 27. It has an opposing structure.
  • the inputted electrostatic pulse is applied to one electrode 26 a of the first ESD protection element 5 through the first transmission line 3.
  • one electrode 26a and the other electrode 26b are opposed to each other at a very narrow interval of about 10 ⁇ m, discharge starts between the electrodes 26a and 26b when a voltage of a certain value or more is applied. As a result, a current due to the electrostatic pulse flows toward the ground, and a voltage sufficiently lower than the input voltage is generated in the subsequent circuits.
  • the first ESD protection element 5 has a very low capacitance (about 0.1 pF) in structure, it has little influence on the impedance of the transmission line, and signal degradation can be minimized.
  • the suppressed electrostatic pulse at this time is shown as a waveform 44 in FIG.
  • FIG. 11 shows a simple equivalent circuit when an ESD countermeasure component is attached to the differential transmission circuit 67.
  • capacitors 68a and 68b indicate capacitive impedances of ESD countermeasure components, and function as capacitance components when no ESD pulse is applied.
  • 69a and 69b are 50 ohm termination resistors.
  • FIG. 12 shows a TDR simulation waveform when the values of the capacitors 68a and 68b are varied in this equivalent circuit.
  • the vertical axis in FIG. 12 indicates the value of differential impedance [ ⁇ ]
  • the horizontal axis in FIG. 12 indicates time [nS].
  • a straight line 70a indicates the upper limit value [ ⁇ ] of the HDMI impedance standard value
  • a straight line 70b indicates the lower limit value [ ⁇ ] of the HDMI impedance standard value.
  • FIG. 12 shows a TDR waveform simulation value when the total value of the capacitor 68a and the capacitor 68b is changed to 0.1 pF, 0.3 pF, 0.5 pF, and 0.75 pF.
  • the TDR waveform represents the characteristic impedance of each part on the transmission line on the time axis, and is a waveform seen from the external connector 21 in FIG. 1 toward the load 20.
  • the impedance of the transmission line actually configured on the printed circuit board varies greatly depending on the manufacturing conditions of the printed circuit board, and an allowable value of about 5 to 6% of the design value is expected unless special management is performed. There is a need. Therefore, the allowable capacitance value that satisfies the HDMI standard in actual use is about 0.3 pF.
  • the ESD protection diode 12 has a cathode connected to the third transmission line 10 and an anode connected to the ground.
  • the impedance of the first ESD protection diode 12 rapidly decreases. As a result, a current due to the electrostatic pulse flows toward the ground, and a voltage sufficiently lower than the input voltage is generated in the subsequent circuits.
  • the voltage threshold (clip voltage) at this time is generally defined as a Zener voltage at a point where a current of 1 mA flows when a reverse bias is applied to the diode, as indicated by 43 in FIG. Needs to be lower than the maximum voltage that can be input to the load (LSI) 20 (see FIG. 1) and higher than the bias voltage applied to the transmission line.
  • the transmission line has a fixed bias of 3.3 V, and the maximum voltage of the internal circuit of the load (LSI) 20 is generally about 10 V. Therefore, the Zener voltage of the first ESD protection diode 12 is Needs to be in the range of 3.3V to 10V.
  • the waveform of the electrostatic pulse suppressed here is shown as a waveform 45 in FIG.
  • the first ESD protection diode 12 shown in FIG. 1 has a capacitance of several pF (about 1 to 3 pF) between the third transmission line 10 and the ground.
  • the characteristic impedance is lowered. Therefore, by inserting the first resistor 14 immediately after that, it is possible to prevent the characteristic impedance from being lowered.
  • the first resistor 14 prevents the input electrostatic pulse energy from flowing into the load (LSI) 20 and at the same time, the operation start timing of an ESD protection circuit (not shown) built in the load 20. In this state, the internal protection element functions in a state where the electrostatic pulse is sufficiently suppressed by the external protection element, but the impedance of the transmission line is increased by the resistance value.
  • FIG. 9 shows this as a waveform of TDR (Time Domain Reflectometry) measurement.
  • the TDR waveform represents the characteristic impedance of each part on the transmission line on the time axis, and is a waveform seen from the external connector 21 of FIG.
  • the characteristic impedance of the TDR waveform 29 when the resistor is inserted is close to 100 ohms due to the effect of the resistance compared to the TDR waveform 30 before the resistor is inserted. It can be seen that the deterioration due to the capacitance component of the protection element is compensated.
  • FIG. 13 is a schematic diagram illustrating a differential transmission method between the HDMI transmitting device and the receiving device.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating an eye pattern of a differential signal at the output end of the HDMI transmission device.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating a voltage waveform of a single end output at the output end of the HDMI transmission device.
  • FIG. 16 is a diagram illustrating an eye pattern of the minimum voltage input to the HDMI receiving device.
  • FIG. 17 is a diagram showing an equivalent circuit of the transmission cable in the present embodiment.
  • the transmitting device 72 alternately draws a signal current through the terminal resistors 71a and 71b, the terminal voltages of the terminal resistors 71a and 71b change and a signal is input to the receiver circuit 74.
  • the waveform of the differential signal output from the transmission device 72 is defined as a minimum of ⁇ 200 mV or more and a maximum of ⁇ 780 mV or less as shown in the eye pattern of FIG.
  • the transmission cable 75 can be represented by an equivalent circuit as shown in FIG. 17, but the series resistance components 77a and 77b in the equivalent circuit are the terminal resistances 71a and 71b of the receiving device 76 when viewed from the transmitting device 72.
  • the transmitting device 72 draws current through a larger value load.
  • the minimum reception level of the receiving device is defined as ⁇ 150 mV or more as shown in the eye pattern of FIG. 16, but in the case of a receiving device assuming an in-vehicle device, the receiving device considers the applicable temperature range and the like. It is designed so that it can be received correctly even with a signal amplitude of ⁇ 100 mV or less.
  • the upper limit value of the series resistance value is set to 15 ⁇ .
  • the operation of the differential transmission circuit when the ESD suppressor, the ESD protection diodes 12 and 13 and the resistors 14 and 15 as the ESD protection elements 5 and 6 are used at the same time will be described.
  • the difference between the time difference 46 between the peak points of each waveform in FIG. 7 and the clip voltage 47 after the peak is the difference between the time difference 46 between the peak points of each waveform in FIG. 7 and the clip voltage 47 after the peak. That is, the ESD suppressor responds fast but the clip voltage is high, and the ESD protection diode responds slowly but the clip voltage is low.
  • the difference in reaction time is about 1 nS.
  • the clip voltage the ESD suppressor has a value of about 10V or less, while the ESD suppressor has a value of about 70V.
  • the ESD suppression effect is higher in the ESD protection diode, and the ESD suppressor has the effect of suppressing the rise of the peak.
  • a higher level differential transmission circuit is formed by combining these elements and further combining the above-described effect of suppressing the current flowing into the LSI by the resistor.
  • This element has a structure in which the first inductor element 7 and the second inductor element 8 are magnetically coupled, and has a function of reducing common mode noise superimposed on the differential signal. Further, the inductance component of the first inductor element 7 and the capacitance component of the ESD protection element connected to both ends function as a ⁇ -type low-pass filter, thereby suppressing the harmonic component of the input electrostatic pulse. is there.
  • the differential transmission circuit according to the present invention has an effect of ensuring a high electrostatic withstand voltage while minimizing the deterioration of a transmission signal in a high-speed transmission circuit, and is suitable for a severe use environment such as an in-vehicle device. It is useful as a differential transmission circuit.

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Abstract

差動伝送回路にて、伝送信号を劣化させずに高い静電耐圧を実現すること。差動伝送回路は、伝送線路(3,4)とグランドの間に接続されたESD保護素子(5,6)と、伝送線路(3)と伝送線路(10)との間に直列接続されたインダクタ素子(7)と伝送線路(4)と伝送線路(11)の間に直列接続されたインダクタ素子(8)とが互いに磁気結合されたコモンモードフィルタ(9)と、伝送線路(10,11)にカソードが接続され、アノードがグランドに接続されたESD保護ダイオード(12,13)と、伝送線路(10,11)に一方の端子が接続され、伝送線路(16,17)に他方の端子が接続された抵抗(14,15)とを備える。ここで、抵抗(14,15)の値はそれぞれ10~15オームとし、ESD保護素子(5,6)の静電容量の値はそれぞれ0.3pFより小さく、ESD保護ダイオード(12,13)のクリップ電圧は10Vより小さい値とする。

Description

差動伝送回路及びそれを備えた電子機器
 本発明は、HDMI(High-Definition Multimedia Interface)等の高速信号伝送回路を有する電子機器を、静電気から保護する目的で使用される、差動伝送回路及びそれを備えた電子機器に関する。
 近年、デジタル機器の高性能化、高機能化に伴い、データ伝送速度の高速化、広帯域化が急速に進んでいる。これに対応するため、HDMIをはじめとした高速データ伝送のための規格が急速に普及してきている。
 また、ポータブル機器、携帯電話又は車載機器等に代表されるように、これらの機器が使用される場所も屋内外を問わずあらゆる場所に広がってきており、これらの電子機器には従来以上に高い信頼性が要求されている。しかしながら、これらの機器に使用されるIC(Integrated Circuit)、LSI(Large Scale Integration)等の半導体部品は、小型化、高速動作の実現のため、年々回路の微細化が進んでおり、外部から進入する静電気に対する耐性が低下してきている。これは、半導体そのものの耐性の低下に加え、内蔵できる保護素子の規模が減少してきていることも大きく影響している。
 一般にLSIの入出力端子直後には保護ダイオードが設けられており、この働きによって内部の回路は外来の静電パルス等から保護されている。この保護ダイオードは、一定値以上の電圧が印加されると瞬時にオンし、グランドへ電流をバイパスする。これを多段に接続することでLSIに流せる電流量を増やし、これによって、所定の静電破壊耐圧が確保されている。しかしながら、これらの保護ダイオードはその構成上、容量成分を持っているため、多段に接続した場合は大きな容量値となり、高周波帯域の信号に対して悪影響を及ぼすことになる。よって、高速伝送線路等に用いられるLSIでは、内蔵できる保護素子が限られ、結果的に静電破壊耐性が弱くなっている。
 これらの用途に用いられている従来の静電破壊保護回路100は、図18に示すように、第1の入出力端子101に接続された第1の伝送線路103と、第2の入出力端子102に接続された第2の伝送線路104と、第1の伝送線路103とグランドの間に接続された第1のESD(ElectroStatic Discharge)保護素子105と、第2の伝送線路104とグランドの間に接続された第2のESD保護素子106とを備えている。従来の差動伝送回路は、第1の伝送線路103と第3の入出力端子118に接続された第3の伝送線路110の間に直列接続された第1のインダクタ素子107と、第2の伝送線路104と第4の入出力端子119に接続された第4の伝送線路111の間に直列接続された第2のインダクタ素子108とが互いに磁気結合されたコモンモードフィルタ109をさらに備えている。
 この構成において、第1および第2のESD保護素子105,106はESDサプレッサ等が用いられる。ESDサプレッサは例えばバリスタやツェナーダイオード等と比較して容量値が0.1~0.3pF程度と低いため、高速伝送線路に用いても規定の特性インピーダンスを乱すことがないため、高周波帯域の信号に対しての悪影響を最少限にすることが出来る。(例えば、特許文献1参照)
日本国特開2008-28214号公報(第8頁、第9図)
 しかしながら、従来の差動伝送回路では、保護素子としてESDサプレッサ等の低容量の保護素子のみが用いられているため、抑制できる静電パルスの大きさが限られていた。
 また、従来の差動伝送回路によれば、伝送線路に付加される容量成分は最小限に抑えられるが、反面、放電開始直後のクリップ電圧の値が大きいため、LSIに内蔵された保護素子に流れ込む電流が大きくなる。上記のごとく高速伝送線路等に用いられるLSIでは、内蔵できる保護素子が限られているため、従来以上の強い静電パルスに対しては、より効果的な外部保護回路の追加が必要となってくる。一般的なAV(Audio Visual)機器の静電気試験は、IEC61000-4-2に規定されているが、車載機器等には、個別規格(ISO-TR-10164)により更に厳しい条件での試験が要求されている。
 本発明は、上記の問題を解決するためのもので、伝送信号を劣化させること無く、高い静電耐圧を実現できる差動伝送回路及びそれを備えた電子機器を提供することを目的とする。
 上記目的を達成するために、本発明に係る差動伝送回路は、第1の伝送線路とグランドの間に接続された第1のESD保護素子と、第2の伝送線路とグランドの間に接続された第2のESD保護素子と、第1の伝送線路と第3の伝送線路との間に直列接続された第1のインダクタ素子と、第2の伝送線路と第4の伝送線路の間に直列接続された第2のインダクタ素子とが互いに磁気結合されたコモンモードフィルタと、第3の伝送線路にカソードが接続され、アノードがグランドに接続された第1のESD保護ダイオードと、第4の伝送線路にカソードが接続されアノードがグランドに接続された第2のESD保護ダイオードと、第3の伝送線路に一方の端子が接続され、第5の伝送線路に他方の端子が接続された第1の抵抗と、第4の伝送線路に一方の端子が接続され、第6の伝送線路に他方の端子が接続された第2の抵抗とを備える。ここで、第1及び第2の抵抗の値はそれぞれ10~15オームとし、第1及び第2のESD保護素子の静電容量の値はそれぞれ0.3pFより小さく、第1及び第2のESD保護ダイオードのクリップ電圧は10Vより小さい値とする。
 また、本発明に係る電子機器は、上記差動伝送回路を備える。
 上記のような構成の差動伝送回路及びそれを備えた電子機器によれば、第1及び第2の伝送線路に加えられた静電パルスの電流の一部は第1及び第2のESD保護素子によって、グランドへバイパスされる。また、第1及び第2のESD保護素子で落としきれない静電パルスの電流は、後段に設けられた第1及び第2のESD保護ダイオードによって、グランドへバイパスされ、更に後段に設けられた第1及び第2の抵抗により、第1及び第2の抵抗に接続される負荷(例えば、LSI)へ流れ込む電流を抑制することが出来る。
 上記のような作用により、高速伝送回路における伝送信号の劣化を最小限に抑えつつ、高い静電耐圧を確保できる差動伝送回路及びそれを備えた電子機器を提供することができる。
本発明の一実施形態の差動伝送回路80の構成を示す模式図 図1に示す差動伝送回路80の使用環境を示す模式図 ESD試験に用いられる放電装置の等価回路を示す模式図 図3に示す等価回路における各素子の値を例示する図 図3に示す等価回路における放電波形を示す図 図1に示す第1のESD保護素子5の詳細な構造を示す模式図 図1のESD保護素子5,6とESD保護ダイオード12,13とによる抑圧波形を示す図 図1に示す第1のESD保護ダイオード12のツェナー電圧を示す図 第1の抵抗14を挿入した場合におけるTDR測定の波形を示す図 本発明の差動伝送回路を備えた車載用ディスプレイモニタの内部構成図 本発明の差動伝送回路にESD対策部品が取り付けられたときの簡略な等価回路を示す図 図11に示す等価回路において容量値を変化させた場合のTDRシミュレーション波形を示す図 HDMI送信機器および受信機器の差動伝送方式を示す模式図 HDMI送信機器の出力端での差動信号のアイパターンを示す図 HDMI送信機器の出力端でのシングルエンド出力の電圧波形を示す図 HDMI受信機器に入力される最小電圧のアイパターンを示す図 本実施の形態における伝送ケーブルの等価回路を示す図 従来の差動伝送回路100の構成を示す模式図
 以下、本発明の実施形態に係る差動伝送回路について、図1~図9を用いて説明する。
 図1は、本発明の一実施形態の差動伝送回路80の構成を示す模式図である。
 図1に示すように、差動伝送回路80は、例えばデジタルTVのような第1の送受信機器22に収容されており、第1の入出力端子1に接続された第1の伝送線路3と、第2の入出力端子2に接続された第2の伝送線路4と、第1の伝送線路3とグランドの間に接続された第1のESD保護素子5と、第2の伝送線路4とグランドの間に接続された第2のESD保護素子6とを備えている。第1及び第2のESD保護素子5,6の静電容量の値は、概ね0.3pF以下に選ばれる。
 差動伝送回路80はさらに、第1の伝送線路3と第3の伝送線路10の間に直列接続された第1のインダクタ素子7と、第2の伝送線路4と第4の伝送線路11の間に直列接続された第2のインダクタ素子8とが互いに磁気結合されたコモンモードフィルタ9を備える。
 差動伝送回路80にはさらに、第3の伝送線路10とカソードが接続され、アノードがグランドに接続された第1のESD保護ダイオード12と、第4の伝送線路11とカソードが接続され、アノードがグランドに接続された第2のESD保護ダイオード13とが備わる。
 差動伝送回路80にはさらに、第3の伝送線路10に一方の端子が接続された第1の抵抗14と、第4の伝送線路11に一方の端子が接続された第2の抵抗15と、第1の抵抗14の他方の端子と接続され第3の入出力端子18に接続された第5の伝送線路16と、第2の抵抗15の他方の端子と接続され第4の入出力端子19と接続された第6の伝送線路17とが備わる。ここで、第1の抵抗14及び第2の抵抗15の値は、おおむね10~15オームの範囲内に選ばれる。
 上記構成において、第3の入出力端子18及び第4の入出力端子19は、負荷の一例としてのLSI20に接続され、第1の入出力端子1及び第2の入出力端子2は外部コネクタ21に接続されている。
 ここで、図2は、図1に示す差動伝送回路80の使用環境を示す模式図である。図2に示すように、第1の送受信機器22に接続された一方の外部コネクタ21は、伝送ケーブル23に接続された他方の外部コネクタ24を介し、第2の送受信機器25に接続されている。
ここで第1の送受信機器22及び第2の送受信機器25は、例えばデジタルTV及びDVDプレーヤーなどであり、伝送ケーブル23は、例えばHDMIケーブルである。
 本実施形態の差動伝送回路80は、第1の送受信機器22の入出力回路の一部として備えられており、上記の伝送ケーブルを伝わって付加される静電パルスによる機器の破壊を防ぐものである。また同様に第2の送受信機器25にも同様な回路を設けることが出来る。
 ここで、図10を用いて本実施形態の差動伝送回路80の使用例について、更に詳細に説明する。図10はHDMIコネクタ48を備えた車載用ディスプレイモニタの内部構成図である。
 図10に示す車載用ディスプレイモニタは、表示装置65と、音声出力装置66と、受信装置64とを備える。
 受信装置64は、HDMIコネクタ48と、差動伝送回路49と、HDMI受信回路50と、デジタル映像信号処理回路51と、LVDS送信回路52と、映像入力端子56と、
音声入力端子58と、映像用AD変換回路57と、音声用DA変換回路59とを備える。
 音声出力装置66は、アナログ音声処理回路60と、音声増幅回路61と、スピーカー62と、ヘッドフォン端子63とを備える。
 表示装置65は、LVDS受信回路53と、表示制御回路54と、液晶パネル55とを備える。
 ここで、図10に示すHDMIコネクタ48を備えた車載用ディスプレイモニタにおいて、差動伝送回路49が、本実施形態の差動伝送回路80に相当する。
 図10において、HDMIコネクタ48にはDVDプレーヤーやブルーレイディスクプレーヤー等の外部接続機器から、映像信号及び音声信号が入力される。この信号はTMDSと呼ばれる暗号化された差動信号であり、差動伝送回路49を介してHDMI受信回路50に入力される。
 HDMI受信回路50は入力されたTMDS信号の暗号を解読した後、デジタルビデオ信号とデジタル音声信号を分離し、それぞれ次段のデジタル映像信号処理回路51と音声用DA変換回路59に出力する。
 このデジタル映像信号はデジタル映像信号処理回路51により画像処理された後、LVDS送信回路52によりLVDS信号に変換され、表示装置65に送られる。
 表示装置65ではLVDS受信回路53によりLVDS信号を受信し、表示制御回路54により液晶パネル55に表示される。
 一方、前述のHDMI受信回路50から出力されたデジタル音声信号は、音声用DA変換回路59により、アナログ音声に変換され、音声出力装置66に入力される。
 音声出力装置66ではアナログ音声処理回路60により音声処理され、ヘッドフォン端子63やスピーカー62から出力するための音声増幅回路61に出力される。
 この受信装置64は更に外部入力端子として、映像入力端子56および音声入力端子58を備えている。
 映像入力端子56には外部からアナログ映像信号が入力され、映像用AD変換回路57によりデジタル変換され、前述のデジタル映像信号処理回路51に入力される。
 この信号は前述のHDMIコネクタ48からの映像と共にデジタル処理され、後段に出力される。
 一方、音声入力端子58には外部からアナログ音声入力が入力され、アナログ音声処理回路60に入力される。
 静電気による破壊に関しては、人体が機器に触れた場合を想定して試験規格が定められており、国際規格のIEC61000-4-2に規定された試験方法を用いるのが一般的であるが、用途に応じこれを元に定められた個別の規格も存在する。
 図3は、ESD試験に用いられる放電装置の等価回路を示している。ここで、高電圧源31により発生した直流電圧は、スイッチ33と充電抵抗34とを介してエネルギー蓄積容量32に蓄えられる。このときスイッチ36はオープンとなっているため、放電抵抗35へは電流は流れない。つぎにスイッチ33をオープンにし、スイッチ36をオンすると、エネルギー蓄積容量32に蓄えられた電荷が、放電抵抗35とスイッチ36を介して、放電端子37に流れる。放電端子37は外部の非測定物に接触又は空気を介して近接させてあるため、放電された電荷は非測定物へ流れ込む。
 また、図4は、上記ESD試験に用いられる各素子の値を例示する図である。なお、各素子の値は、適用する試験規格によって用いるエネルギー蓄積容量Csと放電抵抗Rdの値が異なっており、エネルギー蓄積容量Csが大きいほど、高いエネルギーを加えることが出来る。
 次に、図5を参照して、放電波形40について説明する。グラフの横軸は放電開始からの時間を、縦軸は放電電流の電流値を示している。放電開始時に電流が流れ出し、放電電流のピーク値39に対して10%のポイントから90%のポイントに達するまでの立ち上がり時間38、放電電流のピーク値39に対して10%のポイントから30nS後の放電電流の電流値41、及び放電電流のピーク値39に対して10%のポイントから60nS後の放電電流の電流値42の値が規格化されている。
 このような放電波形40の静電パルスは、伝送ケーブル23と一方の外部コネクタ21(図2参照)を介し、第1の入出力端子1に加わる。
 なお第2の入出力端子2に静電パルスが加わった場合も以下と同一の動作をするため、以下には第1の入出力端子1に静電パルスが加わった場合における差動伝送回路80(図1参照)についてのみ説明する。
 ここで、図1に示す第1のESD保護素子5としてはESDサプレッサが用いられている。第1のESD保護素子5は、図6に示すような構成をしており、一方の電極26aと他方の電極26bとが絶縁体27上で、電圧依存性抵抗材料28に覆われた領域で対向した構造となっている。入力された静電パルスは第1の伝送線路3を介し、第1のESD保護素子5の一方の電極26aに印加される。
 ここで、一方の電極26aと他方の電極26bとは10μm程度の非常に狭い間隔で対向しているため、一定値以上の電圧が加わると電極26a,26bの間で放電が開始する。その結果、静電パルスによる電流はグランドに向かって流れ、それ以降の回路には入力された電圧よりも十分に低い電圧が発生する。また第1のESD保護素子5は、構造上非常に低い静電容量(0.1pF程度)しか持たないため、伝送線路のインピーダンスに及ぼす影響は少なく、信号劣化も最小限に抑えられる。このときの抑圧された静電パルスを、図7の波形44に示す。
 図11は差動伝送回路67にESD対策部品が取り付けられたときの簡略な等価回路を示している。図11において容量68aと容量68bはESD対策部品の容量性インピーダンスを示しており、ESDパルスが印加されていない状態では容量成分として働く。また69aおよび69bは50オーム終端抵抗である。
 この等価回路において容量68a及び容量68bの値を可変させた場合のTDRシミュレーション波形を図12に示す。図12の縦軸は、差動インピーダンス[Ω]の値を示し、図12の横軸は、時間[nS]を示す。図中、直線70aは、HDMIのインピーダンス規格値の上限値[Ω]、直線70bは、HDMIのインピーダンス規格値の下限値[Ω]を示す。
 図12では、容量68a及び容量68bの合計値を、0.1pF、0.3pF、0.5pF、及び0.75pFに変化させた場合のTDR波形のシミュレーション値を示す。
 ここで、TDR波形とは、伝送線路上の各部の特性インピーダンスを時間軸上にあらわしたもので、図1の外部コネクタ21から負荷20の方向を見た波形である。
 図12に示されるシミュレーション結果では、付加される容量の値が0.75pF未満であれば、HDMIのインピーダンス規格値の上限70aおよび下限70bの範囲に収まる事がわかる。
 しかしながら実際にプリント基板上に構成される伝送ラインのインピーダンスは、プリント基板の製造条件によって大きなバラツキを持ち、特別な管理をしない限りは設計値に対して約5~6%程度の許容値を見込む必要がある。よって、実使用上においてHDMI規格を満たす許容容量値は0.3pF程度となる。
 次に、図1の第1のESD保護ダイオード12について説明する。ESD保護ダイオード12は、カソードが第3の伝送線路10に接続され、アノードがグランドに接続されている。
 ここに、第3の伝送線路10を介し一定以上の電圧が加わると、第1のESD保護ダイオード12のインピーダンスが急激に低下する。その結果、静電パルスによる電流はグランドに向かって流れ、それ以降の回路には、入力された電圧よりも十分に低い電圧が発生する。
 このときの電圧の閾値(クリップ電圧)は、一般的に図8の43に示すように、ダイオードに逆バイアスをかけた際に1mAの電流が流れ出すポイントをツェナー電圧として規定されており、この値は、負荷(LSI)20(図1参照)に入力可能な最大電圧よりも低く、且つ伝送線路にかかるバイアス電圧よりも高くする必要がある。
 なお、HDMIにおいては伝送線路は3.3Vの固定バイアスがかかっており、負荷(LSI)20の内部回路の最大電圧は一般的に10V程度であるため、第1のESD保護ダイオード12のツェナー電圧は3.3V~10Vの範囲とする必要がある。ここで抑圧された静電パルスの波形を図7の波形45に示す。
 しかしながら、図1に示す第1のESD保護ダイオード12は、第3の伝送線路10とグランドの間に数pF(1~3pF程度)の静電容量を持っており、第3の伝送線路10の特性インピーダンスを下げてしまう。そのため直後に第1の抵抗14を挿入することで、特性インピーダンスの低下を防ぐことが出来る。第1の抵抗14は、入力された静電パルスのエネルギーが負荷(LSI)20の内部へ流入するのを妨げると同時に、負荷20に内蔵されたESD保護回路(図示せず)の動作開始タイミングを遅らせ、静電パルスが外部の保護素子で十分に抑圧された状態で、内部の保護素子が動作開始するように機能するものだが、抵抗値の分だけ伝送線路のインピーダンスは高くなる。そこで、上記のごとく、第1のESD保護ダイオード12の直後に第1の抵抗14を配置することで、上記静電容量によるインピーダンスの低下を抵抗値で補うことができる。これを、TDR(Time Domain Reflectometry)測定の波形で示したものを、図9に示す。
 ここで、TDR波形とは、上述のように、伝送線路上の各部の特性インピーダンスを時間軸上にあらわしたもので、図1の外部コネクタ21から負荷20の方向を見た波形である。
 図9に示すように、抵抗挿入前のTDR波形30に対し、抵抗挿入時のTDR波形29は抵抗の効果により、特性インピーダンスが100オームに近づいており、第1のESD保護ダイオード12などのESD保護素子の容量成分による劣化を補っていることがわかる。
 ここで、この抵抗値について図13~図16を用いて説明する。図13は、HDMI送信機器および受信機器の差動伝送方式を示す模式図である。図14は、HDMI送信機器の出力端での差動信号のアイパターンを示す図である。図15は、HDMI送信機器の出力端でのシングルエンド出力の電圧波形を示す図である。図16は、HDMI受信機器に入力される最小電圧のアイパターンを示す図である。図17は、本実施の形態における伝送ケーブルの等価回路を示す図である。
 図13に示すように、HDMIの試験規格では差動伝送回路の終端負荷として3.3V電源にプルアップされた50オームの終端抵抗71aおよび71bが用いられる。
 送信機器72がこの終端抵抗71aおよび71bを介して差動送信回路73aおよび73bが交互に信号電流を引き込むことで終端抵抗71aおよび71bの端子電圧が変化し受信回路74に信号が入力される。
 HDMIの規格によれば、送信機器72から出力する差動信号の波形は、図14のアイパターンに示すように最小で±200mV以上、最大で±780mV以下と定められている。
 これをシングルエンドの電圧に置き換えて考えると、図15に示すように、シングルエンドの電圧が3.3Vを基準に、Lレベルが規定値である2.6~2.9Vに収まる様に差動送信回路73aおよび73bの電流引込能力が調整される必要があることがわかる。
 一方、伝送ケーブル75は、図17のような等価回路で示す事ができるが、この等価回路中の直列抵抗成分77a及び77bは、送信機器72から見ると受信機器76の終端抵抗71aおよび71bが加算され、送信機器72がより大きな値の負荷を介し電流を引き込むことになる。
 また本実施の形態のごとく、受信回路の直前に直列抵抗が挿入された場合には、伝送線路の直列抵抗成分に加え、静電気対策用の直列抵抗が作用し、送信機器72のコネクタ端での振幅レベルが抑圧され、受信機器76側での信号振幅が受信可能な最小レベルよりも小さくなる可能性がある。
 HDMIの規格では受信機器の最小受信レベルは図16のアイパターンに示すように±150mV以上と定められているが、車載機器を想定した受信機器の場合、受信機器は適用温度範囲等を考慮し±100mVまたはそれ以下の信号振幅でも正しく受信できる様に設計されている。
 この値は150mVに対して約30%の振幅の減少なので、負荷抵抗の増加分に置き換えると15Ωの増加となる。このことから本実施の形態では直列抵抗値の上限値を15Ωとしている。
 ここで、上記のESD保護素子5,6としてのESDサプレッサ、ESD保護ダイオード12,13及び抵抗14,15を同時に用いた場合の差動伝送回路の動作について説明する。既に述べたように図7の波形44及び波形45は、ESDサプレッサ及びESD保護ダイオードによる抑圧波形である。どちらも図3に示す放電回路でCs=330pF、Rd=2000オームとし、気中放電にて15kVの静電パルスを印加したときの波形である。
 ここで注目すべきは、図7のそれぞれの波形のピーク点の時間差46と、ピーク後のクリップ電圧47の差である。つまり、ESDサプレッサは、応答は速いがクリップ電圧は高く、ESD保護ダイオードは、応答は遅いがクリップ電圧が低くなっている。この反応時間の差は約1nSとなっている。またクリップ電圧についてはESDサプレッサが約70Vであるのに対し、ESD保護ダイオードのそれは10V以下の値となっている。
 このことからESDの抑圧効果はESD保護ダイオードの方が高く、ESDサプレッサはピークの立ち上がりを抑制する効果があるといえる。これらの素子を組み合わせ、更に上記の抵抗によるLSIへ流れ込む電流抑制効果とを合わせることで、より高いレベルの差動伝送回路を形成している。
 次に、図1に示すコモンモードフィルタ9について説明する。この素子は第1のインダクタ素子7と第2のインダクタ素子8が磁気的に結合された構造となっており、差動信号に重畳されたコモンモードノイズを低減する機能がある。また第1のインダクタ素子7のインダクタンス成分と両端に接続されたESD保護素子の容量成分が、π形のローパスフィルタとして機能することにより、入力される静電パルスの高調波成分を抑制する効果がある。
 本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
 本出願は、2009年1月29日出願の日本特許出願(特願2009-017563)、に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
 本発明にかかる差動伝送回路は、高速伝送回路における伝送信号の劣化を最小限に抑えつつ、高い静電耐圧を確保することができるという効果を有し、車載機器等の厳しい使用環境に適合した差動伝送回路として有用である。
1,2,18,19 入出力端子
3,4,10,11,16,17 伝送線路
5,6 ESD保護素子
9 コモンモードフィルタ
12,13 ESD保護ダイオード
14,15 抵抗
80 差動伝送回路

Claims (2)

  1.  第1の伝送線路とグランドの間に接続された第1のESD保護素子と、
     第2の伝送線路とグランドの間に接続された第2のESD保護素子と、
     前記第1の伝送線路と第3の伝送線路との間に直列接続された第1のインダクタ素子と、前記第2の伝送線路と第4の伝送線路の間に直列接続された第2のインダクタ素子とが互いに磁気結合されたコモンモードフィルタと、
     前記第3の伝送線路にカソードが接続され、アノードがグランドに接続された第1のESD保護ダイオードと、
     前記第4の伝送線路にカソードが接続されアノードがグランドに接続された第2のESD保護ダイオードと、
     前記第3の伝送線路に一方の端子が接続され、第5の伝送線路に他方の端子が接続された第1の抵抗と、
     前記第4の伝送線路に一方の端子が接続され、第6の伝送線路に他方の端子が接続された第2の抵抗とを備え、
     前記第1及び前記第2の抵抗の値はそれぞれ10~15オームとし、前記第1及び前記第2のESD保護素子の静電容量の値はそれぞれ0.3pFより小さく、前記第1及び第2のESD保護ダイオードのクリップ電圧は10Vより小さい値とした、差動伝送回路。
  2.  第1の伝送線路とグランドの間に接続された第1のESD保護素子と、
     第2の伝送線路とグランドの間に接続された第2のESD保護素子と、
     前記第1の伝送線路と第3の伝送線路との間に直列接続された第1のインダクタ素子と、前記第2の伝送線路と第4の伝送線路の間に直列接続された第2のインダクタ素子とが互いに磁気結合されたコモンモードフィルタと、
     前記第3の伝送線路にカソードが接続され、アノードがグランドに接続された第1のESD保護ダイオードと、
     前記第4の伝送線路にカソードが接続されアノードがグランドに接続された第2のESD保護ダイオードと、
     前記第3の伝送線路に一方の端子が接続され、第5の伝送線路に他方の端子が接続された第1の抵抗と、
     前記第4の伝送線路に一方の端子が接続され、第6の伝送線路に他方の端子が接続された第2の抵抗とを備え、
     前記第1及び前記第2の抵抗の値はそれぞれ10~15オームとし、前記第1及び前記第2のESD保護素子の静電容量の値はそれぞれ0.3pFより小さく、前記第1及び第2のESD保護ダイオードのクリップ電圧は10Vより小さい値とした、差動伝送回路を備えた電子機器。
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