差動信号はスリットを上手に超える

電磁界シミュレータ入門　CST Studioで3次元解析

差動信号におけるスリットの影響

高速伝送においては，信号を差動で送る方式が一般的です．メモリ系などで用いられるシングルエンド伝送では，スリットやグラウンドの不連続による影響が顕著に現れます． スリットをまたぐ経路を通ると，電流のリターン・パスが分断され，信号波形に大きな変化が生じることがあります． このような影響は，観測された波形からも明確に確認できます．

スリット幅と信号速度の関係

スリットによる影響の度合いは，信号速度とスリットの形状に大きく依存します． 幅が広く，かつ短いスリットを用いた場合，30Gbpsといった非常に高速な差動信号では，波形の変化が明確に現れます． この現象は，差動信号の周波数成分が高いため，リターン電流の経路に対して非常に敏感であるためです． 数Gbps程度の信号であれば，スリット部の影響が比較的緩やかになり，マージンの確保が可能に見えることもあります． しかし，30Gbpsのような高速領域では，わずかな不連続性も大きな波形劣化につながります．

差動線路を用いたスリットの通過

スリット部を通過する際，差動伝送を用いると，信号の一部はスリット側に逃げるものの，大部分のエネルギは減衰せずに伝送されます． これは，差動信号が2本の信号線間で対称的に流れるため，リターン電流のルートが自己完結しやすい構造になっているためです． そのため，同じスリット構造でも，差動で送信した場合には波形の劣化が抑制され，信号の強度が維持される傾向があります．

差動伝送が有効となる理由

1. リターン電流の経路が信号ペア間に閉じている
2. グラウンド・プレーンの不連続に対して耐性がある
3. コモン・モード・ノイズの影響を受けにくい
4. 高速信号のアイ・パターンが安定しやすい

このような理由から，30Gbpsといった超高速差動信号を扱う際には，差動線路を適切に設計し，スリットを含む基板構造においても伝送品質を保つことが重要です． 信号品質の劣化を抑えるためには，スリットの位置と形状，リターン・パスの連続性，線路インピーダンスの制御などを総合的に考慮する必要があります．

〈著：ZEPマガジン〉

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著者紹介

• メーカで高速ディジタル回路と高周波回路の開発設計に30年以上従事．高速回路設計，EMC対策回路設計のコンサルタント

著書

1. ［VOD/KIT］Tinyスペアナ×Tinyネットアナで作る6GHz My実験ベンチ，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］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．
4. ［VOD］小型＆高出力！高効率電源設計のためのSiC/GaNトランジスタ活用 100の要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. ［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．

参考文献

1. ［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．
2. ［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．
3. ［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．
4. ［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．
5. ［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．
6. ［KIT］ミリ波5G対応アップ・ダウン・コンバータ，ZEPエンジニアリング株式会社．
7. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室 [Vol.8 初めての28GHzミリ波伝搬実験]，ZEPエンジニアリング株式会社．