終端電圧の条件：Signal Integrity

[Howard Johnson，EDN]

　混み合ったバーで2人の男が出会った。2人とも平均的な身長だ。2人は握手を交わした。1人はさらに時間をかけて、握手した手を上下に動かした。それを受け、もう1人の男もその動きに合わせて手を上下に動かした。心のこもった握手が、床から80cmほどの高さで行われたのであった。

　ここで、2人のうち1人が、プロバスケットボールのYao Ming選手（Houston Rocketsに所属）だったならどうなっただろうか。彼の身長は、世界で最も高い部類に当たる229cm（7フィート6インチ）だ。握手は同じように行われるだろうが、両者の手の位置は、80cmよりも少し高いところになるだろう。では、2人のうち1人が小柄なハリウッド俳優のDanny DeVito氏ならどうなるか。もう1人の男は少し低い姿勢で構えるはずだ。このように、背の高さに大きな差がある2人が握手を交わすときには、その差を互いに吸収しようとするであろう。

図1　ドライバと負荷の条件　　

　ドライバ回路が負荷を駆動するときも同様の状況になる。図1に示すドライバは、出力に静的な負荷を接続しており、その状態で出力をハイ、ローに変化させる。その波形は、図2のようになる。ここで、ドライバの負荷としては、50Ωの抵抗と可変電圧源V_Tを接続している。ロジック素子の出力段には、通常、トーテムポール型のドライバが使われているが、それがどのようなタイプであれ、出力はすべて同様のものとなる。この図に示した波形の違いを詳細に検討すれば、ドライバについての理解を深められる。

図2　出力信号と終端電圧の関係　終端電圧V_Tを上げると出力電圧が高くなる。終端電圧を下げれば、出力電圧は低くなる。

　まずは終端電圧V_Tが0Vのケースについて考える。図2では、一番下にある赤色の波形がこのときの出力信号に当たる。この波形を見ると、ハイにドライブしたときの電圧は定格レベルのV_OH（緑の破線）に達していない。これはなぜか。その理由は、この条件では、負荷に流すべき電流量が、ドライバが供給可能な電流量を超えているからである。このことは、出力電流を計算してみれば容易に理解できる。出力電流の値は、抵抗R_Tの両端の電位差をその抵抗値で割ることで得られる。例えば、赤色の波形が0.8Vまで上昇したとすると、終端電圧が0Vであることから、出力電流は（0.8V−0V）/50Ω＝16mAとなる。実は、16mAという電流がこのドライバの限界値なので、この条件では、定格であるV_OHのレベルまで出力を引き上げることはできないのである。ほとんどのトーテムポール型ドライバでは、50Ωの負荷に対して出力電圧をV_OHまで引き上げることはできない。この条件だと、例外的に高い駆動能力を備えたドライバでなければ、定格レベルを満たすことはできないのである。Yao Ming選手は例外的に背が高く、力の強い人だ。彼がDeVito氏と握手するのであれば、DeVito氏の肩の関節が外れるくらい、相当強く腕を引っ張り上げることができるだろう。

　続いては、終端電圧V_Tが0Vの場合のロー側の電圧レベルに注目してみよう。図2の赤色の波形を見ると、こちらは正確に0Vになっている。その際流れる電流の値は、当然0mAとなる。ドライバは、電流を流し出す（ソース）ことにより出力電圧をV_Tより高くする。一方、出力電圧をV_Tより低くするには、電流を吸い込む（シンク）。そして、出力電圧がV_Tに等しくなれば、ドライバは何もしなくてよいのである。

　次は、Yao Ming選手の身長に、DeVito氏の身長を合わせてみよう。DeVito氏に、はしごに登ってもらうのだ。この場合、Yao Ming選手は姿勢を低くする必要がなく、握手は高い位置で行われる。同様に、電気の世界では、終端電圧V_Tを上げれば、出力波形の電圧レベルが高くなる。一方、V_Tを下げれば反対のことが起きる。

　ここに終端条件の設計上のコツがある。すなわち、終端電圧V_Tは、ドライバが出力をV_OHまで引き上げられる程度に高く、同時にV_OLまで引き下げられる程度に低くする。加えて、その際に流れる電流がドライバの能力を超えることなく、また終端抵抗を焼き切らないような条件に設定するとよい。図1に示すドライバであれば、V_Tを0.75Vに設定すれば、これらの条件を満たすことができる。その場合の電流値は、ハイにドライブする場合で9mA、ローにドライブする場合で−9mAとなる。

＜筆者紹介＞

Howard Johnson

Howard Johnson氏はSignal Consultingの学術博士。Oxford大学などで、デジタルエンジニアを対象にしたテクニカルワークショップを頻繁に開催している。ご意見は次のアドレスまで。www.sigcon.comまたは[e-mail]。