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コモン・モード電圧の発生メカニズム


プリント基板EMC Q＆A

マイクロストリップとツイスト・ペアを接続したときの放射ノイズ

図1　マイクロストリップ線路とツイスト・ペア線の結合部に生じる同相電圧は，差動モード電圧にインターフェース部での両線路の不平衡率の変化を乗じたもの．画像クリックで動画を見る．または記事を読む．［著］櫻井秋久
詳細：［Book/pdf］デシベルから始めるプリント基板EMC即答200

3.3V，100Mbpsのディジタル信号がプリント基板上のマイクロストリップ状のパターンを流れ，基板端でツイスト・ペア線に接続されています．マイクロストリップ線路とツイスト・ペア線の特性インピーダンスはどちらも100$\Omega$で，信号終端は整合されています．この条件下で，ツイスト・ペア線を駆動するコモン・モード電圧が基板に対してどの程度発生するかが問題です．

コモン・モード電圧の発生メカニズム

不平衡の差異モデルから，マイクロストリップ線路とツイスト・ペア線の結合部に発生するコモン・モード電圧は，ディファレンシャル・モード電圧にインターフェース部での両線路の不平衡率の変化を乗じたものです．この例では，マイクロストリップ線路はほぼ完全な不平衡線路，ツイスト・ペア線はほぼ完全な平衡線路です．そのため，不平衡率の変化は約0.5で，発生するコモン・モード電圧は信号電圧の半分，すなわち$1.65\mathrm{V}$になります．

電圧分布と電流分配

プリント基板からツイスト・ペアにシグナルを送る場合，両者とも100$\Omega$で終端されており，反射が発生しない条件になっています．このとき，終端部から生じる電圧$V_C$は，リボン・ケーブル2本に分配されるコモン・モード電圧を決定します．

マイクロストリップ線路は完全な不平行線路で電流分配率が不均等です．ツイスト・ペアは完全な平行線路で電流分配率は1/2です．この条件下で，各線路に発生する電圧は差分で与えられ，結果として$V_{cm}$が発生します．

放射ノイズへの影響

$V_{cm}$は，ツイスト・ペア線から放射されるアンテナ構造の電磁波に影響します．発生電圧の大きさは信号電圧の半分で，マイクロストリップ線路とツイスト・ペア線の接続条件や不平衡率に依存します．理想条件下では，電圧の半分がアンテナ構造を形成することで放射ノイズが生じます．

理解のポイント

  1. マイクロストリップ線路は不平衡線路で，ツイスト・ペア線は平衡線路
  2. 両線路の特性インピーダンスを整合させることで反射を抑制
  3. コモン・モード電圧$V_{cm}$はディファレンシャル電圧に不平衡率を乗じた値
  4. 理想条件下では$V_{cm}$は信号電圧の半分
  5. $V_{cm}$が放射ノイズの原因となるアンテナ構造を形成
〈著：ZEPマガジン〉

動画を見る，または記事を読む

著者紹介

  • 櫻井 秋久
  • 1982年　九州大学大学院総合理工学研究科修了
  • 1982年　日本アイ・ビー・エム株式会社入社．通信端末の製品開発，数値シミュレーションを応用したEMC 製品設計技術の研究，開発に従事
  • 2005年　IBM ディスティングイッシュド・エンジニア，技術開発センター長
  • 2010年　数値気象予測などIBMの基礎研究成果を活用したソリューション開発に従事
  • 2020年　同社退社
  • 2021年　株式会社システムデザイン研究所・顧問，山形大学ナスカ研究所教授．iNARTE EMCマスタ・デザイン・エンジニア
  • クレムソン大学の電気・コンピュータ工学の名誉教授，LearnEMCの社長．MITでBSEE，パデュー大学でMSEE，ノースカロライナ州立大学でPh.D.を取得．IBMで7年間エンジニアを務め，ミズーリ大学ローラ校で17年間教員を務めた後，2006年にクレムソン大学に入社
  • クレムソン大学の車両エレクトロニクスのミシュラン教授として，クレムソン車両エレクトロニクス研究所を設立し，車両エレクトロニクス，電磁適合性，ディジタル・シグナルインテグリティの研究プロジェクトを監督し，授業を担当．
  • 同氏が運営するウェブサイト“LearnEMC”では，自動車，航空宇宙，民生用電子機器の各業界で働くエンジニアを対象に，EMCに関する指導，コンサルティング，設計支援を行っている．
  • 電気電子学会(IEEE)フェロー，Applied Computational Electromagnetics Societyフェロー，IEEE Electromagnetic Compatibility Society Past-President．

著書

  1. ［Book/PDF］デシベルから始めるプリント基板EMC 即答200，ZEPエンジニアリング．

参考文献

  1. ［PDF］デシベルから始めるプリント基板EMC 即答200，ZEPエンジニアリング株式会社．
  2. ［VOD/KIT］ポケット・スペアナで手軽に！基板と回路のEMCノイズ対策 10の定石，ZEPエンジニアリング株式会社．
  3. ［VOD］Gbps超 高速伝送基板の設計ノウハウ＆評価技術，ZEPエンジニアリング株式会社．
  4. ［VOD/KIT］3GHzネットアナ付き！RF回路シミュレーション＆設計・測定入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
  5. ［VOD/KIT］3GHzネットアナ付き！初めてのIoT向け基板アンテナ設計，ZEPエンジニアリング株式会社．
  6. ［VOD］Pythonで学ぶ マクスウェル方程式 【電場編】＋【磁場編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  7. ［VOD］Pythonで学ぶ やりなおし数学塾1【微分・積分】，ZEPエンジニアリング株式会社．
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  9. Pythonではじめる 数値解析入門 [Vol.1 Pythonの開発環境をインストールする]，ZEPエンジニアリング株式会社．
  10. Pythonではじめる 数値解析入門[Vol.2 グラフ描画ライブラリ“Matplotlib”で2次元のグラフを描く]，ZEPエンジニアリング株式会社．
  11. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室，ZEPエンジニアリング株式会社．