パスコンって何？　　2006.04.29

基板上の電子回路を動かす 「電源」 はどこにあるのか？　スイッチング電源です！って？・・・　でも、スイッチング電源が自分で発電しているわけではなく、家の壁の AC100V コンセントから電気を得ています。結局、電子回路は発電所からの電気で動いているわけです。（まぁ当然ではありますが…） 京都市内にある我家の場合ですと、例えば、若狭湾（日本海）の発電所（原発？）から電気が送られてくるわけで、おおよそ 100Km 近い距離があります。 こんなに 「いい家」 じゃないやろ！　…というのは…まぁ置いといて… でも、本当はここで問題が発生します。というのは 『電気を送るには時間がかかる』 からです。 でも 「電気は光と同じスピードやから充分速いやろ？」 と考えてはマズイのでしょうか？ （本当は色々あって光速より少し遅くなるのですが…、まっ、細かいことは無視しましょう）

でも、電源ユニットから基板までの 「せいぜい数十ｃｍのケーブル」 の長さが問題になるのでしょうか？　念のために調べてみます。 ケーブルが３０ｃｍ（３００ｍｍ）とすると、電気の移動時間は 　　300mm ÷ 300000Km = 0.000000001…秒　かかります。　（１ｎＳ） これは 20MHz で動作する CPU の時間単位 50nS 〜 100nS に対して充分に小さい値です。が、本当に大丈夫なのか？ CPU の出力波形を確認してみます。 以下は、秋月電子の基板 AKI-3694 で H8/3694-CPU の出力 (P87：無負荷) 波形を観測したものです。水平（時間軸）は 2.5nS （オシロは 2G サンプル/秒）なので、プローブは注意して当てたのですが、どこまで信用できる波形なのか？ちょっと辛いところです。でも、おおよその雰囲気は解るのでは？という事でご了承下さい。 　　H8/3694 I/O ポート動作波形　　2.5nS/div, 1V/Div 　　 　　 これで見ると、 Ｌ→Ｈ は約 5nS 、 Ｈ→Ｌ は約 2.5nS で変化しています。これに対して 30cm の電源ケーブルでの「遅れ」 1ns は厳しい値ではありますが、何とか動くレベルに思えます。仮に問題があった場合、 30cm のケーブルをなるべく短くする…のではなくて、実際に電気を消費している IC のすぐ近くへコンデンサを追加すればいいわけです。（段々と 「パスコン」 の話題になってきました：笑） 電子回路への電気はコンデンサが供給 しているわけですから、より電子回路に近い場所へコンデンサをつければ、電源ケーブルは多少長くなっても問題無いことになります。 それにしても、 電子回路（ H8 ）の動作って 「速い！」 と思いませんか？ Ｈ→Ｌ の変化時間 約 2.5nS というのは 『光が１ｍ進む時間』 より短いんですから！

	やっと 「供給時間の問題」 には見通しがついてきましたが、これで一息…というわにはいきません。 CPU に供給されている電源は　ほぼ一定電圧の直流 5V ですが、その電流は CPU 内部の動作状態とか負荷の駆動状態により絶えず変化しています。イメージとしては下図のような感じでしょうか。時間の経過で変化する電子回路の消費電流から、一定レベルの直流成分を引いてやると 「変化ぶん」 （交流成分）が残ります。
	例えば H8-CPU が動作している場合、5V の電源から常に一定の電流が流れているわけでは無く、その動作内容によって瞬時にその増減を繰り返しています。負荷を駆動する場合、それまで 5mA だった電流が急に（数nS後に） 10mA になったりするわけです。また CPU のように内部が 「クロック同期」 で動いている IC は、 「クロックの変化エッジ毎に瞬間的に大電流を消費」 します。この時、電源供給がその変化（ nS 単位）に追従できないと回路は正常に動けないことになります。 実際にはこの消費電流の急激な変化に対して、電源ユニットのコンデンサから電流が供給されるわけですが、ここでコンデンサが 「理想通りに動作してくれない…」 事が問題となります。（まっ、世の中、理想通りなんてまず無いわけですが…）

	コンデンサを交流（成分）で使う場合、インピーダンスというものが出てきます。 「インピーダンスってなんじゃい？」 ということですが、簡単に言えば 「交流に対する抵抗値」 という事です。 えっ、 CPU の電源は 「直流」 5V なのに、なんで交流に対する抵抗値が問題になるんや？ それは、前の項にあったように電子回路の動作によって高速に変動する消費電流の 「変化ぶん」 は 「交流」 と見なせるからです。というより、実際に 「交流」 としても振舞うわけです。 じゃ、実際にコンデンサは交流に対してどう振舞うのか？　パスコンとして一般的に使われる 104 (0.1uF) のインピーダンスを見てみます。（詳しくは web でムラタ製作所などのデータシートをご覧下さい） 104 (0.1uF) 黒：チップタイプ 青：リードタイプ
	このグラフ、周波数の変化でコンデンサの抵抗値（インピーダンス）が変わる様子を示しています。 オレンジ色の線は 「理想的な 0.1uF のインピーダンス」 です。 理想的なコンデンサのインピーダンス（高校で習った？）は　Ｚ＝１／２πｆＣ　ですので、周波数が高くなるとともに限りなくゼロに近づくハズなのですが・・・実際にはそうなりません。 これはコンデンサに寄生するインダクタの影響です。教科書では 「等価回路なるモノ」（右図）で説明されていますが、ほんのわずかな長さの配線でも確実に 「インダクタ」（コイル）になりますので、この影響から逃れることは出来ません。
	で、上のインピーダンスのグラフですが、同じ容量（ 104 : 0.1uF ）で外形が異なる２種類の代表的な特性です。青色は足が出ているリードタイプで、黒色がチップタイプです。 両タイプとも波形が下へ落ち込んで（ディップして）いる部分がコンデンサ（と寄生インダクタ）の 「共振点」 になります。大ざっぱですが、この 「共振点」 より左側（周波数が低い方）では本来のコンデンサとして動作しますが、右側ではインダクタ（コイル）としての動作が強くなり、周波数の上昇と共にコンデンサとしての働きは失われていきます。 リードタイプは 「リード線が即インダクタ」 になるので、足の無いチップタイプに比べて、周波数的にはだいぶ劣る結果となっています。それでも、 20MHz 時には 1Ω 程度であり 200MHz でも 10Ω弱 と思われますので、大電流でなければ何とかなりそうです。 （というか、一般的には 104 のリードタイプでちゃんと？動いている現実があります） チップタイプは流石に優秀？です。共振点が 20MHz を超えていて、まず問題無さそうです。 ・ ・ ・ と思いきや、実は上のグラフには 「ちょっとしたトリック？」 が隠れていました。

	私がいつも使っているパスコンです。→ あっ 104 の後に付いている 「 K 」（±10%）ってのは、ちょっと見栄を張ってしまいました…すみません。いつも使っているのは 「 Z 」（-20%〜+80%） です。 (汗)
	ここで疑問点が一つ・・・　上のインピーダンスのグラフで 「 リードタイプ 」 がありましたが、その 「 リード線 」 は　何 mm　で計測したものなのでしょう？　（まさかカットして無い状態で…　なんて事はあり得ませんよね。きっと）　　多分、ＪＩＳとかで決まっているのかも知れませんが、想像では 「足は極力短くカットして」 だと思います。でも確証が無かったので、ちょっと調べてみました。 コンデンサの足を短くカットして足の先端どうしを半田付けし、足を 「ループコイル」 にして、共振周波数が６ＭＨｚ付近に合う足の長さを探してみました。で、その結果は 「やっぱり！」 というものでした。 右の写真は　約 ５．８ＭＨｚ　で共振した現物の写真です。 大きさの比較のため、ＤＩＰの０４とスケールを入れていますが、なんと短い足になったことでしょう。 前のインピーダンスのグラフの「計測条件」って、足の長さは 約１０ｍｍ と想像できます。足の長さが１０ｍｍって、両方の足を伸ばすと「ＤＩＰパッケージの電源ピン間の距離とほぼ同じ」です。
	で、この 10mm （２本で 20mm ）の足のインダクタンスを　ｆ＝１／２√ＬＣ　から計算すると、約 7.5nH となり、「理想的なインダクタンス 7.5nH 」の特性を前のインピーダンスのグラフへ重ね書きすると、下の図で水色のラインになります。　104 のコンデンサは、20MHz 付近より周波数が高くなると 「コイルとしての振舞い」 が強くなり、コンデンサとしての役割（回路へ電源を供給する働き）は少しづつ弱くなるわけです。
	でも、「 100MHz で数Ωなら問題ないじゃん！」…　とはなりません。何故なら、実際に配線した場合、コンデンサからＩＣの回路（シリコンのダイ）までの 「距離」 はこのグラフの計測条件よりもっと長くなるからです。

	DIP の 74HC04 とパスコンを右の写真のように配置した場合の電源供給について考えてみます。 74HC04 の内部は、２本の電源ピンと中心のチップ（ダイ）がリードフレームで接続されています。
	この状態で、コンデンサから「チップ」（ダイ）までの距離は・・・ 　　コンデンサからICのVccピンまで　　　　　 6 mm 　　Vccピン(ハンダ面からパッケージまで)　　 4 mm 　　パッケージ内部のリードフレーム(Vcc側)　 8 mm 　　　　　　　　　〃　　　　　　　(Gnd側)　 8 mm 　　Gndピン(パッケージからハンダ面まで)　　 4 mm 　　ICのGndピンからコンデンサまで　　　　　21 mm 　　------------------------------------------------- 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 合計　51 mm と、なんとも 「とんでもない？」 長さになってしまいます。

	104 (0.1uF) へ 50mm の足（ループコイル）を付けたものの 「共振周波数」 を調べてみました。次がその写真で、コンデンサの容量値は全て 104 です。左と中のチップタイプ・コンデンサは 3216 と 2012 でやってみました。ループの内側の（オレンジ色の）数字は 「共振周波数」 です。
	チップタイプの方がリードタイプより周波数が下がっているのは、たぶん、容量の誤差ではないか？と想像されます。　というのも、リードタイプの誤差範囲は Ｋ（±10%）ですが、チップタイプは共に Ｚ（-20%〜+80%）だからです。　誤差範囲 Ｚ のものは、+30% 付近へロットの中心値を持ってきているのかも知れません。 ともあれリードタイプを見れば、メーカの公式資料では 6MHz 弱だった共振周波数が 2.6MHz まで落ちているわけです。 50mm のループコイルのインダクタンスを計算すると、約 37nH となります。　ここでネットワークアナライザを持っていない私は、そのインピーダンスカーブは想像するしか無いのですが…、だいたい次（ 赤 ）のようなグラフになりそうです。　（紫色は「理想的な 37nH 」のインピーダンスです）
	周波数が大きくなった場合のインピーダンスは ５倍 高くなっています。これは、急激に変化する電流を回路へ供給するとき、電源ラインの電圧変動が ５倍 になるという事です。（実際の基板では「誘電率」などの影響があるので、空中と同じではないのですが…） そして、パスコンとしての総合特性が悪化するのはチップタイプも変わりません。共振周波数が 2.2MHz というのは、メーカ公表の資料より １桁 も周波数が下がっています。 このグラフから判断できるのは・・・　ＤＩＰタイプのＩＣを使う限り、（特性の優れた）チップタイプでもリードタイプでもパスコンとしての働きに大きな違いは無さそう…　という事のようです。

パスコンならぬパソコンのＣＰＵ（Ｐｅｎ４とか）は、 MHz ではなく GHz の世界で動いていて「パッケージにパスコンが付いて」います。少しでもパスコンとチップの距離を短くしないとパスコンからの電源供給が苦しくなる…という事なのでしょう。（基板上のパスコンからでは距離が離れすぎて無理がある？） 試作とか趣味で「手で組立てる」場合、「パスコンからチップまでの距離を短くする」ために「より小さく組む」というのはとても有効なわけで、ＤＩＰよりＳＯＰ（いやＳＳＯＰ？）の方がいいわけです。 実際に手で組立てられる限界としては、１．２７ｍｍピッチの基板へＳＯＰパッケージを載せてパスコンはチップ部品・・・というあたりだと思われます。ＱＦＰパッケージはピッチ変換基板を使うしか無さそうですが、パスコンを最短距離で実装しようとすると苦しいものがあります。 そういう時のために、こういう感じ（笑）で　　→ 市販のＩＣも、パッケージの上面に「パスコン用のパッド」を出しておいてもらいたいものです。（ついでにパスコンが実装されていればなお良いのですが…） もっとも、最近の CPU などはどんどん省エネになってきて、フルスピードで動いていても数ｍＡしか消費しないものもありますから、あまり神経質にならない方がいいかも知れません。 CPU に外部メモリとかを接続した場合、そちらにも電気は流れるわけで、全体の電気の流れを考える必要があります。ここでも「電気が流れる経路」を短くするのはとても有効です。 ・　・　・　・　・ 電気（電流）が流れると、フレミングの法則にあるように 「 周りの空間へ影響を与える 」 わけですが、電子回路の場合、通常は 「 好ましくない 」 影響がほとんどです。そして、電気（電流）が流れる距離を短くすればその影響を少なくすることができます。本当なら 「 遠くで発電する 」 のではなく、必要な場所で必要な量だけ発電する…のがいいのでしょうが、現在ではまだまだ難しそうです。 ＩＣチップが内部で発電できるようになる（？）まで、実質的にＩＣの電源であるパスコンをできるだけＩＣの近くへ実装する…という日々が続きそうです。（笑）

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