Agilent EEsof 3D EM 高速差動伝送ライン Application series Advaced PPmLの評価 アジレント・テクノロジー 第3営業統括部 EDAアプリケーション・エンジニアリング EDAアプリケ ション・エンジニアリング Agilent Technologies Japan Page 1 アプリケーション概要 高速差動伝送路の特性評価 伝送レートの高速化に伴い、分布定数の考え方による伝送線路特性の評価が重要となると共に、伝送線路の高密度 伝送レートの高速化に伴い 分布定数の考え方による伝送線路特性の評価が重要となると共に 伝送線路の高密度 化により、伝送路の正確な電磁界結合も視野に入れた設計も必要となってきています。 実際の製造の前に、これらの特性を正確に把握しておくことは、開発コストの低減、製品化までの期間の短縮の為に は不可欠となってきています。 主な対象となるアプリケーション 各種高速差動伝送路の設計・検証 今回は、ルネサス エレクトロニクス様のご協力のもと、Advanced PPmLを題材として解析を実施します。 最適な解析ソリューション 電磁界シミ レ タ 伝送路の正確なモデル化 電磁界シミュレータ： Momentum ( ３次元プレナー電磁界シミュレータ） 回路シミュレータ： 電磁界モデルを用いた高速アイダイヤグラム解析 Advanced Design System 上のTransient / Convolution シミュレータ、チャネル・シミュレータ Agilent Technologies Japan Page 2 ルネサス エレクトロニクス Advanced PPmL 独自技術 「Advanced Advanced-PPmL PPmL」 」により大画面・高画質(高精細)ＴＶの システムコスト低減と安定伝送を実現！ ■ システムコスト低減 ■ 安定伝送 従来miniLVDS (Multi-Drop) Full HD 10bit 倍速（120Hz 倍速（ 120Hz）） ： 配線本数減によりPCB/FPCコスト低減 タイミングコントローラのポート数減によりピン数削減 ： クロックエンベデッド技術、Point to point接続により、差動信号１組で 高速データ転送（2Gbps）と、ＥＭＩ低減を実現 Advanced-PPmL 400Mbps 2000Mbps (Point-to-Point) Sift to Point to Point 信号線：76 76本 本 Full HD 10bit 倍速（120Hz 倍速（ 120Hz）） 信号線：16 16本 本 A-PPmL信号 : 8pair ・ mini mini--LVDS信号 : (Data:8pair + CLK:1pair) x 4Link TCON TCON ・ソースドライバIC制御信号 : ((POL + STB)) x R/L Agilent Technologies Japan Page 3 設計上の問題点 問題点 今回、取り上げるAdvanced PPmLのようなDisplay用の信号の場合、伝送路を通過した信号が直接画面に表示され るため 伝送後の信号品質は そのまま製品性能に直結する重要なファクタとなります したがって 伝送路特性の確 るため、伝送後の信号品質は、そのまま製品性能に直結する重要なファクタとなります。したがって、伝送路特性の確 保は不可欠となります。 任意パターンにおける伝送路のモデル化には、電磁界シミュレーションによる解析が有効な手段となりますが、活用す るソルバの選択や解析の設定により、得られる解析精度や解析スピードが異なってきます。 電磁界解析は考慮する 項目を過度に取り込むと、不要な解析に莫大な時間を要することになり、最適な選択、設定が重要となります。 最終的に問題になるのは、信号を入力した際の出力信号の品質となるため、電磁界モデルを用いた効率的な伝送特 性評価（アイダイヤグラム解析）が必要となります。 解決に向けた考察 電磁界解析ソリューションとして 形状データの読み込みから必要となる設定の確認 電磁界解析の設定の効果、考慮するレイアウトの範囲の効果を検証 電磁界解析で求めた伝送路モデルに信号を入力した際のアイパターンを検証 Agilent Technologies Japan Page 4 形状データのImport ADSレイアウト (3次元プレナー電磁界シミュレータMomentum解析用）に解析する形状の (3次元プレナ 電磁界シミ レ タM t 解析用）に解析する形状の データ・ファイルをインポート 今回はDXFファイルにてADSにファイルをImportします。 （他にも図研CR‐5000 Cadence AllegroなどのCADデータのImportも可能です） （他にも図研CR‐5000, AllegroなどのCADデ タのImportも可能です） Fig. 1 DXFファイルのImport Agilent Technologies Japan Page 5 Momentumの設定 解析形状の選択 Fig. 1 の基板全体を電磁界解析を実行するのは、解析メモリや解析時間から、現実的ではありません。 そこで今回は、高速伝送路の部分の抜き出して解析を行います。抜き出すパターンは、高速伝送路部分のみ (Fig 2 a))と、高速伝送路＋周辺パタ (Fig. a))と、高速伝送路＋周辺パターン ン (Fig. (Fig 2 b)) の2パタ の2パターンで検証を行いました。 ンで検証を行いました。 a) 高速伝送路のみ b) 高速伝送路＋周辺パターン Fig.2 Sパラメータ解析結果 Agilent Technologies Japan Page 6 Momentumの解析精度 M Momentumの精度の向上 t の精度の向上 ・ Momentum は、3Dプレーナ (2.5次元) の電磁界シミュレータですが、金属に厚みを持たせた解析を 行うことができます。 ・ さらに金属壁面 (側面) を垂直 を垂直・水平に流れる電流も考慮することができます。 水平に流れる電流も考慮する とができます。 水平上面・下面電流 垂直側面電流 水平側面電流 GND 隣接する金属間の側面の結合を解析可能 Vi 間の結合 (mutual)も精度よく解析 Via間の結合 ( l)も精度よく解析 Agilent Technologies Japan Page 7 Momentumの解析 解析範囲の違いによる結果の差異 析範 結 差 Fig. 2 のパターンを、導体厚みを持たせた設定で解析した結果をFig. 3に示します。 高速伝送路のみでの解析と比較してある程度の帯域までは、高速伝送路のみの解析でも十分精度が得ら れることが分かります またTable 1に解析時間を示します れることが分かります。またTable 1に解析時間を示します。周辺パターンも含めるとMomentumのMesh 周辺パターンも含めるとMomentumのMesh 数がかなり増大するため、解析時間が大幅に増大するため、解析時間が大幅に増大します。 Table 1 解析時間 グラフ赤 (高速伝送路＋周辺パターン) (高速伝送路＋周辺パタ ン) グラフ青 (高速伝送のみ) 19 h 41 min 17 sec 14 min 11 sec 解析時間 赤 : 高速伝送路+周辺パターン 青 : 高速伝送路のみ a) 反射特性 b) 通過特性 Fig.3 Sパラメータ解析結果 Agilent Technologies Japan Page 8 Momentumでの解析結果 3D 画面での電流密度分布表示 Momentumでは、解析後、パターンの電流密度分布を表示することができます。ここでは、2 GHz 差動信号を入 力した場合の高速伝送路＋周辺パターンにおける電流密度分布を、Fig. 4 に示します。 Fig 4 3D 電流密度分布表示 Fig.4 Agilent Technologies Japan Page 9 Momentumでの解析結果比較 3D 画面での電流密度分布表示 Fig. 5 に周辺パターンの有無による電流密度との比較を示します。両者とも、信号線とGNDラインに電流が 集中していることがわかります。 a) 高速伝送路 b) 高速伝送路＋周辺パターン Fig.5 3D 電流密度分布の比較 Agilent Technologies Japan Page 10 ADS Channel SimによるEyeパターンの解析 回路シミュレーションと協調解析 ADSでは、Momentumで解析した結果を簡単に回路シミュレータで利用できます。今回は、差動伝送線路に、 2 Gbps のPRBS信号を100000 bit 入力した際の時間軸解析を行いました。Fig.6は、高速伝送路のみの 入力した際の時間軸解析を行いました。Fig.6は、高速伝送路のみのパ ターンに信号が入力した場合の、解析設定を示します。 信号受信側 シミュレーション設定 100000 bit分の解析 Momentum の解析結果 信号入力側 信号源 2 Gbps PRBS23 クロストーク解析 用信号源 2 Gbps PRBS23 Fig.6 Schematic ウィンドウ（高速伝送路のみ） Agilent Technologies Japan Page 11 ADS Channel SimによるEyeパターンの解析2 回路シミュレーションと協調解析 Fig.7 では、高速伝送路＋周辺パターンにおける時間軸のEyeパターンの解析例を示します。 信号受信側 シミュレーション設定 100000 bit分の解析 Momentum の解析結果 信号入力側 信号源 2 Gbps PRBS23 クロストーク解析 用信号源 2 Gbps PRBS23 Fig.7 Schematic ウィンドウ（高速伝送路＋周辺パターン） Agilent Technologies Japan Page 12 ADS Channel SimによるEyeパターンの解析の比較 解析結果 Fig. 8にEyeパターンの解析結果を示します。高速伝送路のみの場合と、高速伝送路＋周辺パターン の場合の結果と比較しましたが、ほぼ同じEyeパターンの結果が得られました。これは、Sパラメータの 結果からも推測できる結果です。従いまして、高速伝送路のみの解析でも十分精度が得られることが 分かります。解析時間で比較すると、約84倍もの速度向上が実現できました。 a) 高速伝送路＋周辺パターン b) 高速伝送路のみ Fig.8 Eyeパターンの解析結果 電磁界解析の条件を最適化することにより、効率的で精度良い解析を行うことが可能 Agilent Technologies Japan Page 13 まとめ 高速伝送路のモデル化には、３次元プレナー電磁界シミュレータMomentumを 使用して 効率的で精度のよい解析を行うことができます 使用して、効率的で精度のよい解析を行うことができます。 ADS回路シミュレータとADS Momentumは、簡単に協調解析を行うことができ るため、時間軸解析（Transient / Convolution / Channel Sim.）でのアイ・ダイ アグラムの伝送特性の検証が行え、設計している要素を組み込んだ際の特性 が容易に検証可能です。 アジレントでは、Momentum以外にも、FEM、FDTD法の電磁界シミュレータも アジレントでは M t 以外にも FEM FDTD法の電磁界シミ レ タも 準備しており、コネクタなど、３次元プレナー電磁界シミュレータでの対応ができ ないものに対してもお応えいたします。 更に、計測による検証も含めたお手伝いも可能です。 Agilent Technologies Japan Page 14 謝辞 最後に今回、基板データ、ADS Momentumの解析の検証結果をご提供 いただきました ルネサス エレクトロニクス株式会社 アナログ＆パワー事業本部 アナログ＆パワ 事業本部 表示システム事業部 の皆様に感謝申し上げます。 Agilent Technologies Japan Page 15