【LTSpice】つぶれたアイパターンがキレイに改善？「イコライザ」の効果を確認してみよう！

「イコライザって、ほんとに波形をキレイにできるの？」そう思ったことはありませんか？

この記事では、前回作成した「CTLEモデル～AC解析～」を使って、「イコライザ」の波形改善効果をLTSpice上で実際に確認していきます。

結果を先にちょっとだけ話すと、つぶれたアイパターンが「イコライザ」のおかげでなんと見違えるほどキレイになったんです！

思わず「おおっ」と声が出るほど、その効果にはほんとおどろきました。

>>Step6：アイパターンを比較する（イコライザ有り vs 無し）

信号波形をキレイにしてくれるこの「イコライザ」は、ギガビットの高速デジタル伝送には必要不可欠です。オーディオ分野でも音を良くするのにイコライザが使われてますが、電気の世界でも、おなじくらい大事な技術なんです。

この記事では、初めての方でもわかりやすいように、LTSpiceの回路図作成からシミュレーションの実行まで、一つひとつ手順を画像と一緒にくわしく説明しています。

そして後半部分では、LTSpice上でイコライザの信号改善効果を実際に目で見て確認していきます。イコライザを通過した前と後のアイパターンを比較することで、その変化を体験できると思います。

さらに、この記事の中で使っているサンプル回路（LTSpice）をダウンロードできます。興味がわいたらぜひ試してみてください。

ダウンロード

eye_usb3_5Gbps_ctle_on_01

情報を提供する人

LTSpiceでアイパターンを表示する方法はかんたんです。

回路図に「.OPTIONS BAUDRATE」を書けばOKです！

1 作成する回路図とシミュレーション画面
2 CTLEモデルで、アイパターンを表示してみよう
3 参考文献
4 サンプル回路をダウンロードする
5 まとめ：【LTSpice】イコライザの効果を確認しよう

作成する回路図とシミュレーション画面

LTSpiceの動作環境

LTSpice XVII
Windows10 (64bit)

作成する回路図（アイパターン表示）

↓ 下図が、USB3.2（5Gbps）の差動信号のアイパターン（Eye Diagram）を表示する回路です。この回路図を作っていきます。

（USB Super Speedの場合、本来は、送信IC側に「ACカップリング・コンデンサ」の挿入が必要ですが、この回路では省略してます。）

情報を提供する人

LTSpiceでアイパターンを表示するには、回路図の左下にある「.OPTIONS BAUDRATE ={BR} 」を書けばOKです！

本サンプル回路のビットレート

ビットレート：5Gbps
USB3.2 Super Speedを想定。
LTSpice上では「.param BR=5G」でビットレートを定義。
1UI：200psec
1ビットあたりの時間幅（Unit Interval）。5Gbpsの逆数。
周波数：2.5GHz
ビットレートの半分が、周波数。
周期：400psec
周波数の逆数。

アイパターン表示画面（CTLE使用前／後）

↓ 下図は、CTLE使用前／後のアイパターン比較です。（赤：CTLE使用前、青：CTLE使用後）

イコライザを使う方（下段：青）が、アイがキレイに開いてる！

作業するネコ

波形シミュレーション画面（CTLE使用前／後）

↓ 下図は、CTLE使用前／後の波形比較です。（赤：CTLE使用前、青：CTLE使用後）

アイパターンのような”重ね書き”ではなく、時間的に連続した波形の一部分を表示したものです。

イコライザあり・なしで波形比較すると、イコライザーの効果が良くわかる！

作業するネコ

CTLE 使用前／後の波形比較

CTLE使用”前”の波形（赤）は、立ち上り・立ち下りがなまっている。また、パルス幅が狭い信号のときは、電圧振幅が上がり切ってない。

一方、CTLE使用”後”の波形（青）は、立ち上り・立ち下りが「キリッ」としていて、かつ、電圧振幅もほぼ同じレベルで安定してます。

この波形の違いが、アイパターンの開口の違いに表れてますね！

情報を提供する人

ではこれから、回路図の作成方法と、シミュレーションの実行方法を説明していきます。

CTLEモデルで、アイパターンを表示してみよう

新しい回路図を作成する

新しい回路図を作成します。

LTSpiceを起動 ⇒ ツールバーの「File」⇒「New Schematic」⇒ 新しい回路図が開きます ⇒ もう一度「File」⇒「Save as」でファイル名をつけて保存します。

ファイルの保存忘れがないように、はじめに保存しておきます。

>>完成成回路図を見ながら、各部品を回路図上に配置して、部品同士をつないでいきます。

「部品」を設定する

部品を設定します。サンプル回路の設定画面を見ながら同じように設定していきます。

PRBS発生器のクロック信号用「電圧源」

「電圧源V1」を”右”クリック ⇒ 設定画面が表示 ⇒ 「PULSE」をチェック ⇒ 下記画面のように入力 ⇒ 「OK」ボタン。

電圧源V1の設定内容

Vinitial:　０
Von:　1
Tdelay:　0
Trise:　{1/BR/20}
Tfall:　{1/BR/20}
Ton:　{1/BR/2-1/BR/20}
Tperiod:　{1/BR}
Ncycles:　空欄

PRBS発生器のシンボルを呼び出す

PRBS発生器の作り方

【LTSpice】PRBS7擬似ランダムシーケンス発生器を作ってみよう！ (FFT解析あり)

PRBS7のシンボルを呼び出して、回路図に配置します。

ツールバーの「Component」アイコン ⇒ prbs7 を入力 ⇒ OKボタン ⇒ 回路図上で左クリックすると配置されます。

送信IC用「電圧制御電圧源」

送信ICの信号出力を模擬するために、「電圧制御電圧源」を使います。

「電圧制御電圧源」E3、E4を”右”クリック ⇒ 設定画面が表示 ⇒ Value欄に入力 ⇒ 「OK」ボタン。

設定内容

1　←”1” を設定することで、入力信号をそのまま出力するようにします。（インピーダンス変換を想定）

USBケーブル用「tllne（無損失伝送路モデル）」

本サンプル回路図では、USBケーブルを、無損失伝送路モデル「tline」で代用してます。

ツールバーの「Component」アイコン ⇒ 「tline」を入力 ⇒ OKボタン ⇒ 回路図上で左クリックすると配置されます。

つづいて、配置した「tline」を ”右”クリック ⇒ 設定画面が表示 ⇒ Value欄に以下を入力 ⇒ 「OK」ボタン。

tlineの設定内容

Td = 5n Z0 = {R1}

遅延時間を5nsec、特性インピーダンスを45Ωに設定。

{R1}の値は「.param R1=45」で定義してます。

USBケーブルは「tline」を使う

本サンプル回路図では、USBケーブルを、無損失伝送路モデル「tline」で代用してます。

現物のUSBケーブルは、差動信号のプラスとマイナス同士がお互いに結合する構造ですが、LTSpiceには、差動伝送路モデルが見当たらなかったので、シングルエンドの「tline」ｘ2本で代用してます。

この2本の tline に、送信側ICを想定した出力インピーダンス45Ωｘ2個 {R1} を介して差動信号を印可しています。

45Ωは、USBの差動インピーダンス 90Ωの半分の値です。

ビットレートが 5Gbpsの高速デジタル伝送になると、基板業界では「IBIS-AMIモデル」を使ってシミュレーションするのが一般的。ただ、シミュレータソフトがめちゃ高い！

LTSpiceは無料！

IBISやSパラメータを扱えないけど、「こうやればできるかな～？」っていろいろ考えるのが楽しいところ！

作業するネコ

イコライザCTLEモデル用「電圧制御電源」

CTLEモデルの作り方は、↓以下の前回記事に説明があります。

>>【LTSpice】イコライザ（CTLE）を、Laplace関数で作ってみよう～AC解析～

「電圧制御電圧源」E1、E2を”右”クリック ⇒ 設定画面が表示 ⇒ Value欄に、以下の式を入力 ⇒ 「OK」ボタン。

電圧制御電圧源に設定する式

laplace=(({Adc}*{wp1}*{wp2})/{wz}*(s+{wz}))/((s+{wp1})*(s+{wp2}))

アイパターンを表示させるための設定

ツールバーの「.op」アイコン ⇒ 「.OPTIONS BAUDRATE={BR}」を入力 ⇒「SPCIE directive」をチェック ⇒ OKボタン。

（回路図上に、すでに「.OPTIONS BAUDRATE={BR}」がある場合は、”右”クリック ⇒ 「SPCIE directive」をチェック ⇒ OKボタン）

usb3_5Gbps_ctle_tran_01_LTSpice_9_eye_baudrate

Transient解析を設定する

Simulate ⇒ Edit Simulation Command をクリック。

「Edit Simulation Command」画面が表示されるので、Transientタブ ⇒ 下記画面のように入力します。

入力が終わると、Transient解析のSpiceコマンド「.tran 0 {STOP_TIME} 0 10p」が自動的に設定されます。

Transienタブの設定内容

Stop time:　{STOP_TIME}
Transient解析の終了時刻です。
{STOP_TIME}の値は「.param STOP_TIME = 1/{BR} * 500」で、500ビット分の時間です。
Time to start saving data:　0
Maximum Timestep:　10p

ツールバーの「File」⇒ 「Save」で上書き保存します。

情報を提供する人

以上で、回路図が完成です！

Transient解析を実行する

シミュレーションを実行して、アイパターンを表示してみよう。

メニューバーの「RUN」（人が走っているアイコン）をクリック ⇒ シミュレーションが実行されます。

シミュレーション結果を確認する

シミュレーションが完了したら、回路図の配線をクリックして、その配線のアイパターンをグラフに表示させます。

usb3_5Gbps_ctle_tran_01_LTSpice_8_eye_probe

質問する人

アイパターンが表示されない場合は？

回路図にSpiceコマンド「.OPTIONS BAUDRATE={BR}」を書いてますか？
もしない場合は、書くこと。
「.OPTIONS BAUDRATE={BR}」を”右”クリック　⇒ 「SPCIE directive」にチェックが入ってますか？
もし「Comment」の方にチェックが入っている場合は、「SPCIE directive」へ変更すること。