島根県産業技術センター研究報告第50号(2014)

技術レポート

28Gビット/s超電気伝送における放射ノイズ防止と伝送距離延長を同時に実現する振幅補正機能付きコモンモードフィルタの開発
大峠

１. 目

忍＊・亀谷 雅明＊＊

いうものも存在するが, 放射自体は防止不可能であり, ま的た放射後のノイズを完全に吸収するものではなく, 取り付
2010年６月に100Gイーサネット規格が米国電気電子学

け位置や量産性にも難がある.

会 (IEEE) によって承認されて以降, 10Gビット/s (以下また25G〜28Gbpsはデータ伝送速度が非常に速く, デーbpsと略記する) 及び25Gbpsの高速伝送が加速度的に普及

タ０や１が１ビットだけ発生する最小パルス幅波形, すなしつつある. 100Gbps伝送の実現手段としては10Gbpsの信わち１ユニットインターバル (以下1UIと略記する) 波形

号線×10本とする他, より低消費電力化の為に25G〜28Gbはパルス幅40p〜35.7ps, データが２ビット分連続する2UIpsの信号線×４本も規格化されている. 日本でも平成21年

波形でもパルス幅80p〜71.4psときわめて狭い. 差動信号

度に総務省によりイーサネット向け超高速省電力光伝送技

間にスキューが発生するとパルス幅が小さいほど1UI波形術の実現手段として, 電気インターフェースの伝送速度をに振幅減少が生じ, そのような信号をコモンモードフィル28Gbps級に向上させる事が計画された. しかしながら,タに通すとコモンモードフィルタでの損失も加わる. 特に

図１に示す25Gbps超の光−電気変換回路においては高速

25G〜28Gbpsでは, 1UI信号だけが大きく振幅減少し, パ

シリアル差動伝送が使われ, 差動信号にわずかでも非対称ルス幅の広いビットパターン信号との振幅差がますます発性が発生すると, 10GHz超えの周波数領域にスパイク状の生しやすくなり, さらに配線部の伝送ロスも加わり振幅差コモンモードノイズが発生し, その対策に苦労している事はより顕著になる. このようなビットパターンによって振例が報告されている. コモンモードノイズは線路をアンテ幅差をもつ場合, 多数波形の重ね合わせであるアイパター

ナとして放射され易く, 他の装置や自身の回路を誤動作さンは良好なパターンとならず, 振幅の不一致によりその開せる原因となる. また, 25Gbps超の高速伝送ではわずか口面積が小さくなり, ビットエラーを起こす原因となる.

なスキュー (差動信号のズレによる非対称性) がノイズのこのような状況に対応するため, 松江エルメック (株)発生と同時に信号の振幅を減衰させ, 伝送距離短縮の原因

では自社の保有する超高速遅延線技術を応用して, 磁気結になり得る為その対策が必要である.

合に依存しない方式で新規なコモンモードフィルタ (製品

高速シリアル差動伝送における現状のコモンモードノイ名CDLDシリーズ, 対応速度16Gbps, 差動信号通過帯域15ズ対策では, コモンモードチョークコイルを差動伝送線路GHz) を既に開発している２),３). 本レポートでは, これを内に挿入するか, 電磁波吸収シート等を回路周囲に貼り付もとに, 28Gbpsが通過できる周波数帯域21GHz以上で,けてノイズを装置筐体から出さない手法が使われている.

コモンモードノイズ除去帯域４G〜21GHzを確保し, 伝播コモンモードチョークコイルは磁性体を使用する為, 磁性遅延特性の周波数依存性が少なく20psスキューによる振幅体損失にて対応速度は10Gbps未満であること, ８GHz以差を補正できるイコライザ機能を有した, さらに高機能な上では磁気結合の低下と線路内結合容量によりコモンモーコモンモードフィルタの開発に取り組んだので, その結果ドノイズの通り抜けの可能性があること, および遮断されについて報告する.

たコモンモードノイズは全反射し装置内に残留するといっ

２. 方

た課題がある１). 電磁波吸収シートは対応速度が28Gbpsと2.1法

回路定数設計と回路シミュレーションによる検証

既に開発済みの遅延線応用回路方式による16Gbps対応のコモンモードフィルタを28Gbps対応可能とする回路定数設計を行った. その等価回路と回路定数を図２に示す.
図２の等価回路と回路定数で回路シミュレーションを行い,差動信号通過特性Sdd21およびコモンモード信号通過特性Scc21を求めた. なお, 両特性値の回路シミュレーション
は, ANSYS社製高周波回路シミュレータAnsoft Designer
図１＊

高速シリアル差動伝送でのノイズ放射イメージ

電子・電気技術科,により行った.
回路シミュレーションにより得られた特性値を, 予め設＊＊

松江エルメック株式会社― 64 ―

大峠・亀谷：28Gビット/s超電気伝送における放射ノイズ防止と伝送距離延長を同時に実現する振幅補正機能付きコモンモードフィルタの開発

図４

検査治具の外観写真改良型で, よりインピーダンス整合を図り, 低損失化したものである. さらに基板材料に液晶ポリマーを使用することにより, 治具損失の最小化を図った. このような治具の図２工夫に加え, アジレント・テクノロジー社製ソフトウェア

コモンモードフィルタ等価回路

PLTS (物理層テストシステム) を用いて, シミュレーショ定した技術目標値と比較することにより, 回路定数の妥当ンにより治具の影響をさらに除去した.

性を検証した. なお, 技術目標値は今までの開発製品及び2.3

コモンモードフィルタの試作と機能検証

市場要求から, コモンモードノイズ除去特性の指標である2.1の設計結果をもとに, コモンモードフィルタ試作品A

Scc21について4GHz〜21GHzの帯域において15dB以上,を作製し, Sdd21およびScc21の周波数特性を実測した.

また差動信号通過特性の指標であるSdd21について通過帯実測にあたっては, 2.2項により検査治具の損失を除去し域21GHz以上とした.

た. なお, 得られた実測値は, 電磁界シミュレータ

さらに, 図２のコモンモードフィルタのコモンモードノ

ANSYS社製Ansoft HFSSによる実構造の解析シミュレー

イズ除去能力を確認するために, スキューが発生した25Gション結果と比較して妥当性を確認した. また, 回路の通bpsの信号線に対し, 本コモンモードフィルタの有無で,過・反射特性を示すSパラメータをアジレント・テクノロ

コモンモードノイズがどこまで除去可能かを回路シミュレー

ジー社製ネットワークアナライザ (E5701C) により実測ションで評価した. この際に用いた評価用回路を図３に示した. この実測Sパラメータを図3の評価回路に代入してAす. コモンモードノイズ除去能力の回路シミュレーション

nsoft Designerを用いた回路シミュレーションにより, 25には同じくAnsoft Designerを用いた.

Gbpsのノイズスペクトラムを求め, その状況を検証した.

2.2

検査治具およびシミュレーションと連携した

さらに20ps相当のスキューをネットワークアナライザ28Gbps, 21GHz超帯域の実測技術(E5701C) で作成した上で, アジレント・テクノロジー社

高速伝送における高周波数帯域のコモンモードノイズの除去能力を, 実測により検証するにあたっては, いくつか製PLTSソフトウェアによりアイパターンを実測・描画し,アイパターン品質を確認した.の工夫が必要となる. 特にコモンモードフィルタを設置す

続いて, イコライザを内蔵したコモンモードフィルタ試

る検査治具による接触損失を可能な限り除去する必要があ

作品Bの作製を行い, 特性を評価した. 抵抗負荷と容量負る. このため専用の検査治具を開発した. 図４は, 従来か荷から構成されるイコライザにより, 低周波数信号の振幅ら松江エルメック (株) が独自に開発していた検査治具のを減衰させるとともに, 高周波数信号の振幅は維持させ,

図３

25G〜28Gbpsコモンモードフィルタ評価用回路― 65 ―島根県産業技術センター研究報告第50号(2014)

全周波数帯域で振幅の均一化を図り, アイパターンの開口面積を広げることを意図したものである. このような発想の妥当性を検証するため, 事前にアジレント・テクノロジー
社製オシロスコープ (86100D) 内シミュレータにより,レシーバに1pFの容量性負荷を接続させた場合の25GbpsのPRBS波形に対する応答波形を求め, アイパターンの変化を検証した. また, イコライザ内蔵コモンモードフィルタの実試作品Bについて, 25Gbps, スキュー10psの差動信号に対するコモンモード波形とノイズスペクトラムを実測した. 実測ノイズスペクトラムについて, 試作品Aの評価の
図５

際の, 実測Sパラメータと回路シミュレーションにより得差動信号通過特性Sdd21られたノイズスペクトラムと比較検証した.

３. 結
3.1

果回路定数の設計

図５および図６に, 図２の等価回路と回路定数により回路シミュレーションから求めた, 差動信号通過特性Sdd21およびコモンモード信号通過特性Scc21の結果を示す. 図には予め設定した技術目標値のラインも併せて示している.
図５のSdd21については, 曲線が0G〜21GHzの帯域において目標値ラインを下回らないこと, 図６のScc21について

図６

コモンモード信号通過特性Scc21

は, 4G〜21GHzの帯域において目標値ラインを上回らないことが要求されるので, 両方の特性ともに設定した技術評価用回路シミュレーションで評価したものである. 20ps

目標値をクリアしていた.のスキューが発生した25Gbpsの信号線に対し, 左がコモ

また, 図７に本コモンモードフィルタのコモンモードノンモードフィルタ未接続 (スルー接続) の時の, 右がコモイズ除去能力の評価結果を示す. コモンモードフィルタのンモードフィルタ接続時のコモンモードノイズのスペクト有無によりコモンモードがどこまで除去可能かを, 図３のラムである. 両者を比較すると, 充分なノイズ除去が達成

図７等価回路でのコモンモードノイズ除去効果 (25Gbps-20psスキュー時)

図８

試作品Aの周波数特性― 66 ―

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図９

図10試作品Aによるノイズスペクトラムとアイパターン

試作品Bの25Gbpsアイパターン (横軸：10ps/div, 縦軸：200mV/div)されていることがわかる. 以上のことから, 図２に示す回が無い場合, 右が１pFの容量性負荷を接続した場合のア路定数は適正であると判断された.

イパターンを示している. 容量性負荷によって閉じたアイ3.2を開かせることに成功しており, 開口部面積が大きくなっコモンモードフィルタ試作品の機能検証

試作品Aの周波数特性を図８に示す. 同図には, 電磁界ている.

シミュレータHFSSによる結果も併載してある. また, 参

試作品Bの25Gbps, スキュー10psに対するコモンモード考のため図中には差動信号の反射特性Sdd11とコモンモー波形とノイズスペクトラムの測定結果は, 特に結果は示さ

ド信号の反射特性Scc11についても実測値とHFSSによるないが試作品Aに対する図９左の結果と一致した傾向であっシミュレーション結果を示してある. なお, これらの結果た. このように, イコライザ内蔵型の試作品Bは試作品A

は, いずれも2.2の手法により検査治具による接触損失をのコモンモードノイズ除去性能を保ったまま, アイパター除去した特性である.

ンの開口部面積を大きくすることができ, より高機能なコ図からわかるように実測とシミュレーションは良い一致

モンモードフィルタであった.

を示しており, 実測値は妥当であると考えられる. また,４. ま通過特性であるSdd21, Scc21に着目すれば3.1の回路定数とめの設計結果と同様に, 技術目標値をクリアしていた. 試作

28Gbps超高速シリアル伝送向けにコモンモードフィル品Aは, 差動信号は通過しやすく, コモンモード信号は通タを開発した. 測定機器を用いて25Gbpsでの実測を行い,過しにくいという, コモンモードフィルタとして良好な特コモンモードフィルタによるスキューの解消およびコモン性を示した.

モードノイズ除去が実現されていることを確認した. さら

図９に試作品Aのノイズスペクトラムとアイパターンを示す. ノイズスペクトラムは25Gbpsの場合, アイパターにイコライザの内蔵により, 振幅の均等化および閉じたアイパターンを開かせる事に成功した.

ンは28Gbpsでスキューが20ps相当の場合である. ネット

文

ワークアナライザの測定周波数帯域が20GHzまでであるため, 20GHz以上のスペクトラムは参考程度であるが, 20GHz以下の帯域では, ノイズ除去機能が有効に働いていることがわかる. 一方でアイパターンにおいては, アイの開口部面積が若干小さくなっており, 改善の余地があった.
開口部が小さくなったのは, 周波数によって振幅差があり振幅の均一性が劣るためと考えられた.
試作品Aにイコライザを内蔵した試作品Bについて, イコライザによる振幅均一化効果に基づく, アイパターンの献

１) 坂本幸夫. ｢図解 コモンモードとEMC・ノイズ対策設計｣.
工業調査会, 2009.
２) 亀谷雅明, 曽田康男, 大峠忍, 吉野勝美. ノイズを吸収消滅
する10Gビット/s超対応コモンモードフイルタ. 電磁環境工学情報EMC. 2011, No. 283, p. 60-82.
３) M. Kameya; Y. Sota; S. Otao; K. Yoshino. Novel Common
Mode Filter for Ultra-High Speed Transmissions
Exceeding 10Gbit/s. Journal of the Society of Electrical
Materials Engineering. 2011, vol. 20, no. 2, p. 109-116.

改善を検証した結果を図10に示す. 左が容量性負荷の接続― 67 ―