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CMLとLVDSの送信回路の共通点と違い


計測のためのA-Dコンバータ実装術

CMLとLVDSの回路

図1　高速A-Dコンバータの送信回路の代表は，CML（Current Mode Logic）とLVDS（Low Voltage Differential Signaling）．両者は，高速性と低ノイズ特性を備える差動伝送方式．画像クリックで動画を見る．または記事を読む．［著］藤森 弘己
詳細：［VOD］高速＆エラーレス！5G×EV時代のプリント基板＆回路設計 100の要点

A-Dコンバータを用いた高速計測システムでは，信号伝送における送信回路の設計が重要です．CML（Current Mode Logic）とLVDS（Low Voltage Differential Signaling）は，その代表的な方式です．どちらも差動伝送方式を採用しており，高速性と低ノイズ特性を備えています．

LVDSは電圧ロジックと呼ばれるものの，内部構造は電流スイッチによって動作しています．これは，電流出力が終端抵抗によって電圧信号へと変換されるしくみです．一方，CMLは電流モードロジックとして明示的に電流の向きで1と0を判別する方式です．

ターミネーションと特性インピーダンス

CMLとLVDSのいずれにおいても，信号線には差動終端が必要です．終端抵抗は一般的に100$\Omega$が用いられます．これはシングルエンドの50$\Omega$特性インピーダンスと対応関係にあります．信号はこの差動終端によって電圧信号へと変換され，受信側で処理されます．

両方式において共通する特徴は以下のとおりです．

  1. 差動100$\Omega$で終端される
  2. 電流出力を電圧信号に変換して伝送する
  3. 信号の向きで論理値を表現する
  4. コモン・モード電圧の設定回路が内蔵されている場合が多い

コモン・モード電圧は内部回路により設定されている場合がありますが，実装上は明示されないこともあります．これは仕様書に記載が省略されていることもあり，設計時には注意が必要です．

制御信号とシステム・リファレンス

CMLおよびLVDSによる信号伝送とは別に，システムの同期にはマスタ・クロックや制御信号が用いられます．特に重要なのが，SYSREF（システム・リファレンス）と呼ばれる信号です．これはサブクラス1のJESD204仕様で使われ，A-Dコンバータの同期動作に不可欠です．

制御信号には以下の2種類があります．

  1. マスタ・クロック（システム全体の基準タイミング）
  2. システム・リファレンス（同期制御のための信号）

これらの信号はデータ線とは独立して配線される必要があります．マスタ・クロックは送信側と受信側の両方に対して等しく供給され，SYSREFはそのタイミングを補助する役割を果たします．

総合的な設計上の注意点

CMLとLVDSはいずれも差動信号を扱う点では類似していますが，電流の駆動レベルやコモン・モード電圧の設計に違いが見られます．実装の際には，終端抵抗の設定や基板上の配線インピーダンスを正確に見積もることが求められます．

A-Dコンバータの性能を最大限に引き出すためには，信号線・クロック線・制御線のそれぞれに対する最適な設計が必要です．特に高速動作時には，CMLとLVDSの特性を正確に把握し，適切な回路構成とレイアウト設計を行うことが重要です．

動画を見る，または記事を読む

著者紹介

  • 1979年　芝浦工業大学　通信工学科卒業
  • 同年　Analog Devices of Japan Inc に入社（後にアナログ・デバイセズ株式会社）同社にてアナログ・モジュール開発，Mixedシグナル・テスタのテスト・モジュール開発、高速リニア・カスタム集積回路の開発サポート，汎用リニア製品マーケティング等を担当．

著書

  1. OPアンプ増幅回路の2つのゲイン，ZEPエンジニアリング株式会社．
  2. ［VOD］高速＆エラーレス！5G×EV時代のプリント基板＆回路設計 100の要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
  3. ［VOD］アナログ・デバイセズの電子回路教室【差動信号とその周辺回路設計技術】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  4. ［VOD］アナログ・デバイセズの電子回路教室【A-D/D-Aコンバータの使い方】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  5. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．

参考文献

  1. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  2. ［VOD］高精度アナログ計測回路＆基板設計ノウハウ，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］事例に学ぶ放熱基板パターン設計 成功への要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
  5. ［VOD/KIT］GPSクロック・ジッタ・クリーナ，ZEPエンジニアリング株式会社．
  6. ［Book］電子回路とプリント基板のノイズ解決 即答200，ZEPエンジニアリング株式会社．