ランダムなビット列を生成する回路：Design Ideas 信号源とパルス処理

従来のビット列発生器は、帰還をかけたシフト・レジスターを使って疑似ランダム・ビット列（PRBS）を得ていたため、有限長で同じパターンを繰り返すという問題を抱えていた。今回はこうした問題を打破できる、ランダム雑音を使って出力データ列を発生する回路を紹介する。

[Przemyslaw Krehlik / Lukasz Sliwczynski（ポーランド Mining and Metallurgr大学），EDN Japan]

　データ伝送システムの開発/評価において、ランダム・ビット列の発生器は必須である。この発生器を使えば、ビット誤り率や、ビット・パターンに依存する基線ゆらぎ、データ・ジッター、再生したクロック信号のジッターを測定できる。

　従来のビット列発生器では、帰還をかけたシフト・レジスターを使って疑似ランダム・ビット列（PRBS）を得ていた。このため、このビット列は有限長で同じパターンを繰り返すという問題を抱えていた。

　図1に示す回路を使えば、こうした問題を打破できる。ランダム雑音を使って出力データ列を発生する回路である。この回路は「ECLinPS」シリーズの標準論理ICを使う^＊1）。まずレシーバーIC「MC10EL16」で、入力した雑音信号をデジタル信号に変換する。次に最初のフリップフロップIC「MC10EL31」において、クロック信号の立ち上がりエッジで、デジタル信号をサンプリングしてランダムな出力信号を生成する。理想的には、これでランダムなビット列が得られる。

図1：1GHzまでのランダム・ビット列発生器 （クリックで拡大）

　ところがこの方法では、フリップフロップへの入力データとクロック信号の立ち上がりエッジが同時に変化すると、フリップフロップがメタステーブル状態^＊2）に陥ってしまうという問題が生じる。この結果、出力が不確定になり、伝搬遅延時間が長くなってビット列にジッターが発生する^＊3）。

　そこで、この問題を回避するために2番目のフリップフロップIC「MC10EL31」を用意した。1GHzまでのクロック信号を使った実験では、出力のアイ・パターンや周波数分布に異常は見られなかった。ECLinPSシリーズの標準論理ICは、超高速で動作するのでボード設計には注意が必要だ。回路の入出力は必ず50Ωで終端し、配線は最短距離で行う。それぞれのICには個別にバイパス・コンデンサーを接続する。

　雑音源には、脚注4の参考文献の回路を使うことができる。雑音源の出力電圧は100mVrms〜1Vrms程度が必要。さらに、雑音源の周波数分布は少なくともクロック周波数まで必要になる。

＊1）High Performance ECL Data、Motorola、1995.

＊2）フリップフロップ回路のノードが、長期間、しきい値付近の電位にとどまってしまう現象。メタステーブル状態が発生すると、誤作動が起こるだけでなく、素子が劣化する原因にもなる。

＊3）Metastability and the EC LinPS Family, Motorola Application Note AN1504.

＊4）Sliwczynski、Lukasw、"Zener diode and MMICs produce true broadband noise,"EDN、p.158、Oct.14,1999.

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※本記事は、2008年7月29日にEDN Japan臨時増刊として発刊した「珠玉の電気回路200選」に掲載されたものです。著者の所属や社名、部品の品番などは掲載当時の情報ですので、あらかじめご了承ください。
「珠玉の電気回路200選」：EDN Japanの回路アイデア寄稿コラム「Design Ideas」を1冊にまとめたもの。2001〜2008年に掲載された記事の中から200本を厳選し、5つのカテゴリに分けて収録した。