JP2002041594A - プリント回路基板特性評価方法、及び記憶媒体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 基板製造前の基板レイアウト作成中もしくは
レイアウト作成後に、電源電圧変動を抑え、かつ電源供
給系回路の共振による不要電磁放射を防止したプリント
回路基板が設計できているかを評価する。 【解決手段】基板全体のレイアウト情報を入力装置にて
取り込み（Ｓ１０）、電源供給系回路のレイアウト情報
だけを抽出手段にて抽出し（Ｓ１１）、これを記憶装置
の記憶部にて保存し（Ｓ１２）、これを変換手段にて取
り込み、電気回路情報に変換し（Ｓ１３）、この電気回
路情報を用いて、ある指定したアクティブ素子の電源端
子接続位置から見た電源供給系回路のインピーダンス特
性を算出し（Ｓ１４）、その結果を表示する（Ｓ１
５）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プリント回路基板
の電気特性等を評価するプリント回路基板特性評価方
法、及びこの評価方法を実現するための記憶媒体に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、プリント回路基板が正常に動作し
うるかを数値解析手法によって評価する技術としては、
例えば、「１９９３年１月、アールエフ・デザイン、２
５〜２７頁（ＲＦ Ｄｅｓｉｇｎ Ｊａｎｕａｒｙ １
９９３，ｐｐ．２５−２７）」に記載されているような
ＰＳＰＩＣＥと呼ばれる回路シミュレータが一般的に知
られているほか、特開平９−２７４６２３号公報に開示
されるものがあった。

【０００３】図２３は、上記公報に開示された伝送線路
シミュレータの構成を示すブロック図である。この伝送
線路シミュレータによれば、設計段階でシンボル化され
た素子と結線が入力されると、表示制御部１０１は、表
示部１０２に結線の適用基板の物理形状と配線トポロジ
を表示し、結線のプロパティを入力部１０３を介して選
択させる。プロパティは電磁界シミュレータ１０６に与
えられ、該電磁界シミュレータ１０６は結線の線路定数
を計算し、線路モデルを作成する。素子シンボルは置換
部１０５に与えられ、置換部１０５はデバイスモデルを
素子ライブラリ１０５ａから抽出する。線路モデルとデ
バイスモデルは、組合せ部１０７で組合わされて評価対
象回路の等価回路が形成される。回路シミュレータ１０
８が、その等価回路に対して、遅延や反射特性等の伝送
線等の伝送線路解析を行う。

【０００４】これらの技術を用いることにより、例え
ば、図２４に示すように、ドライバＩＣ２０１とレシー
バＩＣ２０２を実装したプリント回路基板２００におい
て、ＩＣ２０１からＩＣ２０２へ配線２０３を介して伝
送する信号の電気特性を以下のように評価することがで
きる。図２５（ａ），（ｂ）は、図２４の基板２００に
構成した回路の解析モデルと解析結果の一例を示す図で
あり、同図（ａ）が解析モデル、同図（ｂ）が解析結果
を示している。

【０００５】図２５（ａ）に示す解析モデルは、ドライ
バＩＣ２０１とレシーバＩＣ２０２を配線２０３で接続
した回路である。ドライバＩＣ２０１を電圧源または電
流源とある値のインピーダンスとで構成した等価回路で
表現し、レシーバＩＣ２０２をある値のインピーダンス
の等価回路で表現し、配線２０３を単なる同電位の配線
または抵抗、インダクタ、キャパシタの組み合わせで構
成した伝送線路で表現している。

【０００６】図２５（ｂ）に示す解析結果は、レシーバ
ＩＣ２０２の入力端子での電圧波形を表している。この
電圧波形には、立ち上がり時に大きなオーバーシュート
や立ち下がり時にアンダーシュートがあるため、このま
までは回路の正常動作が保証できず、この基板を実装し
たものを製品化することはできない。

【０００７】そこで、図２６（ａ）に示す解析モデルの
ように、ドライバＩＣ２０１と配線２０３との間にフィ
ルタ回路２０４を挿入することによって、前記オーバー
シュートとアンダーシュートを抑えるようにする（図２
６（ｂ））。

【０００８】このように、上記技術を用いれば、回路パ
ラメータを容易に変更できるため、回路の最適設計を簡
単に行うことが可能である。また、プリント回路基板を
製造する前に回路の信号波形を把握することができるた
め、回路設計ミスによる基板の再版が少なくなり、製造
コスト削減につながる。

【０００９】一方、プリント回路基板の中には、前述し
た信号をやり取りする回路以外に、ＩＣやＬＳＩなどの
アクティブ素子に安定な直流電圧を供給するための電源
供給系回路がある。図２７は、電源供給系のみに着目し
た等価回路であり、その中で一点鎖線で示した範囲内の
回路が電源供給系回路２１０である。この例では、ＩＣ
２０５の電源端子２０６とグランド端子２０７に、電源
供給系回路２１０として働くコンデンサ２０８と、基板
外にある直流電源２０９とが接続されている。このコン
デンサ２０８は、ＩＣ２０５の近くに接続されることで
直流電源２０９の代わりに、ＩＣ２０５がスイッチング
動作するときに必要な電荷を補給する役割を果たす。低
インピーダンスのものをこのコンデンサ２０８として用
いれば、ＩＣ２０５がスイッチング動作してもその電源
端子２０６とグランド端子２０７間の電圧は変動しな
い。このようなコンデンサ２０８のことをデカップリン
グコンデンサと呼び、今まではこれが接続されていれ
ば、電源供給系回路を直流回路として扱え、回路シミュ
レータでその高周波特性を解析する必要がないとされて
きた。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、近年、
ＩＣやＬＳＩなどのアクティブ素子の動作周波数が急激
に高くなってきているため、上述のような電源供給系回
路の高周波特性を評価すべきであるにも拘わらず、この
種の高周波特性を数値解析手法にて評価する技術は、今
まで存在しなかった。その結果、（１）プリント回路基
板の回路動作を十分保証することができない、（２）プ
リント回路基板から不要な電磁波が放射される、といっ
た問題が生じている。

【００１１】まず、上記（１）の問題点について詳しく
説明する。アクティブ素子の動作周波数が高くなると、
デカップリングコンデンサ自身のもつ寄生インダクタン
スによるインピーダンスと、そのコンデンサを基板に実
装するためのパッドやビアホールの寄生インダクタンス
によるインピーダンスとの和が、そのコンデンサのもつ
キャパシタンスによるインピーダンスに比べ大きくな
り、アクティブ素子に安定な直流電圧を供給することが
難しくなり、それらの安定動作を保証しづらくなる。こ
の点を図２８を用いて具体的に説明する。

【００１２】図２８は、デカップリングコンデンサの代
表的な実装例を示す断面図である。コンデンサ２２０を
パッド２２３，２２４とビアホール２２５を介して、内
層の電源層２２１とグランド層２２２に接続する例を示
している。コンデンサ２２０自身の寄生インダクタンス
はチップ部品の場合に約１ｎＨ、パッド２２３，２２４
とビアホール２２５の寄生インダクタンスも少なくとも
合計約１ｎＨあり、例えば、０．１μＦのチップタイプ
のコンデンサを用いる場合には、３６ＭＨｚ以上で、も
はやキャパシティブな素子ではなくインダクティブな素
子として働く。そのため、これらインダクタンスをでき
るだけ小さく設計しなければ電源電圧変動が大きくな
り、回路動作を保証することはできないのである。

【００１３】次に、上記（２）の問題点について詳しく
説明する。アクティブ素子の動作周波数が高くなると、
電源供給系回路内の配線が単なる同電位の配線ではな
く、伝送線路として作用し、この回路全体が伝送線路の
共振回路として振る舞い、この共振よってこの基板から
強い電磁波が放射される。この点を図２９を用いて具体
的に説明する。

【００１４】図２９は、より現実の基板に近いモデルと
して、複数のデカップリングコンデンサがつながる電源
供給系回路を表した例を示している。同図に示すよう
に、ＩＣ２０５には、デカップリングコンデンサ２３０
ａが接続され、それ以降には伝送線路として働く配線２
３１と、他のＩＣに接続されたデカップリングコンデン
サ２３０ｂと、基板外にある直流電源２０９とが接続さ
れている。デカップリングコンデンサ２３０ａと２３０
ｂは、共にキャパシタンス２３３と直列に寄生インダク
タンス２３２がつながっている。電源供給系回路２３４
は、一点鎖線内の回路であり、この回路が共振を起こす
ことがある。

【００１５】図３０の実線は、ＩＣ２０５接続位置から
電源供給系回路２３４を見たインピーダンス（Ｚｉｎ）
特性の一例であり、同図３０の破線はコンデンサ２３０
ａのインピーダンス（Ｚｃ）特性である。Ｚｉｎの特性
はほぼＺｃの特性と一致するが、周波数ｆ０１，ｆ０２
では大きくなっている。これは、コンデンサ２３０ａの
インピーダンスが破線で示した通り誘導性リアクタン
ス、それ以降につなる電源供給系回路２３４のインピー
ダンスが容量性リアクタンスとして作用し、その大きさ
が一致することで並列共振を起こすためである。このよ
うな共振が起こると、ＩＣ２０５から電源供給系回路２
３４を見たインピーダンスＺｉｎが大きくなり、電源電
圧変動が大きくなる原因となる。また、共振によるエネ
ルギーがこの電源供給系回路内に蓄えられ、そこから強
い電磁波が放射され、不要電磁放射（ＥＭＩ）に関する
規格をクリヤしづらくなる。

【００１６】本発明は上記従来の問題点に鑑み、電源電
圧変動を抑えかつ電源供給系回路の共振による不要電磁
放射を防止したプリント回路基板が設計できているか
を、電源供給系回路の高周波特性に着目し、数値解析手
法にて評価するプリント回路基板特性評価装置、プリン
ト回路基板特性評価方法、及びこの評価方法を実現する
ための記憶媒体を提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の発明に係るプリント回路基板特性評
価方法では、プリント回路基板上に実装された各アクテ
ィブ素子の電源端子接続位置から見た基板内の電源供給
系回路のインピーダンス特性を算出することを特徴とす
る。

【００１８】請求項２記載の発明に係るプリント回路基
板特性評価方法では、プリント回路基板上に実装された
各アクティブ素子の電源端子接続位置から見た基板内の
電源供給系回路のインピーダンス特性と、この電源端子
接続位置からそれに最も近い位置に接続したコンデンサ
素子までのインピーダンス特性とを算出し、これらの大
きさ、位相、実数部、虚数部のいずれかを比較すること
によって、この電源供給系回路内で共振が起こるか否か
を判断することを特徴とする。

【００１９】請求項３記載の発明に係るプリント回路基
板特性評価方法では、プリント回路基板上に実装された
各アクティブ素子の電源端子接続位置から最も近い位置
に接続したコンデンサ素子のインピーダンス特性と、こ
のコンデンサ素子以降の電源供給系回路のインピーダン
ス特性とを算出し、これらの大きさ、位相、実数部、虚
数部のいずれかを比較することによって、この電源供給
系回路内で共振が起こるか否かを判断することを特徴と
する。

【００２０】請求項４記載の発明に係るプリント回路基
板特性評価方法では、プリント回路基板上に実装された
各アクティブ素子の電源端子接続位置から見た基板内の
電源供給系回路のインピーダンス特性と、この電源端子
接続位置からそれに最も近い位置に接続したコンデンサ
素子までのインピーダンス特性とを算出し、これらの大
きさ、位相、実数部、虚数部のいずれかを比較すること
によって、この電源供給系回路内で共振が起こるか否か
を判断し、共振が起こる場合にはその共振周波数の正弦
波信号を前記電源端子接続位置から前記電圧供給系回路
に入力し、この電源供給系回路内各点での電流値および
電圧値を算出し、この電流値または電圧値が大きい場所
を見つけ出すことを特徴とする。

【００２１】請求項５記載の発明に係るプリント回路基
板特性評価方法では、プリント回路基板上に実装された
各アクティブ素子の電源端子接続位置から最も近い位置
に接続したコンデンサ素子のインピーダンス特性と、こ
のコンデンサ素子以降の電源供給系回路のインピーダン
ス特性とを算出し、これらの大きさ、位相、実数部、虚
数部のいずれかを比較することによって、この電源供給
系回路内で共振が起こるか否かを判断し、共振が起こる
場合にはその共振周波数の正弦波信号を前記電源端子接
続位置から前記電圧供給系回路に入力し、この電源供給
系回路内各点での電流値および電圧値を算出し、この電
流値または電圧値が大きい場所を見つけ出すことを特徴
とする。

【００２２】請求項６記載の発明に係るプリント回路基
板特性評価方法では、プリント回路基板上に実装された
各アクティブ素子の電源端子接続位置から見た基板内の
電源供給系回路のインピーダンス特性と、この電源端子
接続位置からそれに最も近い位置に接続したコンデンサ
素子までのインピーダンス特性とを算出し、これらの大
きさ、位相、実数部、虚数部のいずれかを比較すること
によって、この電源供給系回路内で共振が起こるか否か
を判断し、共振が起こる場合にはその共振周波数の正弦
波信号をこの電源端子接続位置からこの電圧供給系回路
に入力し、この電源供給系回路内各点での電流値および
電圧値を算出し、この電流値または電圧値が大きい場所
を見つけ出し、さらにその場所または電源端子接続位置
にあらかじめ用意した共振抑制手法を適用し、再度共振
の有無を評価することを特徴とする。

【００２３】請求項７記載の発明に係るプリント回路基
板特性評価方法では、プリント回路基板上に実装された
各アクティブ素子の電源端子接続位置から最も近い位置
に接続したコンデンサ素子のインピーダンス特性と、こ
のコンデンサ素子以降の電源供給系回路のインピーダン
ス特性とを算出し、これらの大きさ、位相、実数部、虚
数部のいずれかを比較することによって、この電源供給
系回路内で共振が起こるか否かを判断し、共振が起こる
場合にはその共振周波数の正弦波信号をこの電源端子接
続位置からこの電圧供給系回路に入力し、この電源供給
系回路内各点での電流値および電圧値を算出し、この電
流値または電圧値が大きい場所を見つけ出し、さらにそ
の場所または電源端子接続位置にあらかじめ用意した共
振抑制手法を適用し、再度共振の有無を評価することを
特徴とする。

【００２４】請求項８記載の発明に係るプリント回路基
板特性評価方法では、請求項２または請求項３記載のプ
リント回路基板特性評価方法において、共振が起こると
判断した場合にはその共振周波数の正弦波信号を、前記
電源端子接続位置から前記電源供給系回路に入力し、こ
の電源供給系回路各点での電流値および電圧値を算出
し、この電流値が小さい場所もしくは電圧値が大きい場
所にコンデンサ素子を実装し、再度共振の有無を評価す
ることを特徴とする。

【００２５】請求項９記載の発明に係るプリント回路基
板特性評価方法では、請求項１乃至請求項８記載のプリ
ント回路基板特性評価方法において、実装するアクティ
ブ素子の電源端子とグランド端子の間の電気的な等価回
路モデルを用いて、ある指定したアクティブ素子の電源
端子接続位置から電源供給系回路に信号を入力し、この
電源供給系回路内各点での電流値および電圧値を算出
し、この電流値または電圧値が大きい場所を見つけ出す
ことを特徴とする。

【００２６】請求項１０記載の発明に係る記憶媒体で
は、請求項１０乃至請求項１８のいずれかに記載のプリ
ント回路基板特性評価方法を実現するコンピュータプロ
グラムを記憶したことを特徴とする。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。 ［第１実施形態］図１は、本発明の第１実施形態に係る
プリント回路基板特性評価装置の構成を示すブロック図
である。このプリント回路基板特性評価装置は、入力装
置１と、データ処理装置２と、記憶装置３と、出力装置
４とで構成される。その中でデータ処理装置２には、抽
出手段１０と、変換手段１１と、演算手段１２とがあ
り、記憶装置３には記憶部１３がある。

【００２８】次に、本実施形態の動作を、図２及び図３
を参照して説明する。ここで、図２は、本実施形態の動
作を示すフローチャートであり、図３（ａ），（ｂ）
は、評価対象である４層プリント回路基板の構成例を示
す図であり、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は断面図
である。

【００２９】図３に示す評価対象であるプリント回路基
板２０は、図の上から信号層２６ａ、グランド層２７、
電源層２８、信号層２６ｂの４層で構成されている。第
１層の信号層２６ａには、発振器２１、ドライバＩＣ２
２、レシーバＩＣ２３、及び４本の信号配線２４のほか
に、各アクティブ素子の電源端子と外部から電源を供給
する端子とにそれぞれデカップリングコンデンサ２５
ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄが実装されている。第２層
のグランド層２７と第３層の電源層２８はともに、基板
全体を覆う導体プレーンとなっている。第４層の信号層
２６ｂには、配線も部品もない。これらの導体はすべて
銅で形成した。基板材２９は例えばガラスエポキシ樹脂
で、その比誘電率は４．７、誘電正接は０．０１５であ
る。

【００３０】まず、本実施形態では、上記のプリント回
路基板全体の、実装部品を含めた各層のレイアウト情報
を入力装置１にて取り込む（ステップＳ１０）。次に、
この情報の中で、電源供給系回路のレイアウト情報だけ
を抽出手段１０にて抽出する（ステップＳ１１）。この
電源供給系回路のレイアウト情報として、図３の基板で
は、第１層２６ａに実装されたアクティブ素子の電源端
子接続パッドとグランド端子接続パッド、そこから電源
層２８またはグランド層２７に接続されるまでの配線や
ビアホール、デカップリングコンデンサ２５ａ，２５
ｂ，２５ｃ，２５ｄ、第２層のグランド層２７、及び第
３層の電源層２８のレイアウト情報が相当する。抽出法
としては、 たとえば、あらかじめ電源供給系回路のレ
イアウト情報に、「Ｖ」や「Ｇ」などの判別し易い記号
を付けておけばよい。

【００３１】次に、この情報を記憶部１３に保存した後
（ステップＳ１２）、変換手段１１にこの情報を取り込
み、電気回路情報に変換する（ステップＳ１３）。この
ステップＳ１３の処理を、電源供給系回路の等価回路モ
デルを表す図４を用いて説明すると、まず、電源層２８
とグランド層２７とを２枚の導体プレーンによって形成
される平行板線路として扱う。基板の長辺（Ｘ）方向に
対して垂直に、デカップリングコンデンサ２５ａ，２５
ｂ，２５ｃ，２５ｄが接続されている位置（図４の破線
で示した位置）でこの平行板線路を分割する。分割した
部分の特性は、次式（１）に示したＦマトリクスで表現
し、それ以外のデカップリングコンデンサなどの部品や
パッドなどの特性は、次式（２）または次式（３）に示
したＦマトリクスで表現した。

【数１】

【００３２】式（１）は伝送線路の特性を表現するＦマ
トリクスである。Ｚ０は線路の特性インピーダンスであ
り、線路の物理形状と線路を形成する支持体の比誘電率
や比透磁率などの電気定数によって決まる。例えば、
「１９７７年１１月、プロシーディングス・オブ・ジィ
・アイ・イー・イー・イー、第６５巻、第１１号、１６
１１〜１６１２頁（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔ
ｈｅＩＥＥＥ， Ｖｏｌ．６５，Ｎｏ．１１，Ｎｏｖｅ
ｍｂｅｒ １９７７，ｐｐ．１６１１−１６１２）」に
記載された式を用いれば求められる。γ（ｆ）は、線路
の伝搬定数である。この定数は、その実数部の減衰定数
αと、その虚数部の位相定数βとによって構成される。
減衰定数αと位相定数βはともに、特性インピーダンス
と同様、線路の物理形状と支持体の電気定数によって値
が決まるものであり、減衰定数αは例えば、「１９６８
年６月、アイ・イー・イー・イー・トランザクション・
オン・エム・ティ・ティ、第ＭＭＴ−４６巻、第６番、
３４２〜３５０頁（ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎ
ｏｎ ＭＴＴ，Ｖｏｌ．ＭＴＴ−１６，Ｎｏ．６，Ｊｕ
ｎｅ １９６８，ｐｐ．３４２−３５０）」に記載され
た式を用いればよい。位相定数βは２π√εｒ／λ√μ
ｒより求まり、εｒとμｒは支持体の比誘電率と比透磁
率、λは波長である。最後に、ｌは線路長である。

【００３３】式（２）は線路に並列に接続されたインピ
ーダンスＺの特性を表すＦマトリクスであり、式（３）
は直列にインピーダンスＺがつながった場合のＦマトリ
クスである。デカップリングコンデンサを表現する場合
には、式（２）と、Ｚとして次式（４）を用いれば良
い。

【数２】 Ｒはその寄生抵抗、Ｌは寄生インダクタンス、Ｃはキャ
パシタンスである。ここで、コンデンサ２５ａ，２５
ｂ，２５ｃ，２５ｄと直列につながるパッドやビアホー
ルの寄生インダクタンスや寄生抵抗は、コンデンサの等
価回路内に含めた。説明は省略するが、同様に、基板の
長辺（Ｘ）方向と直交する基板の短辺（Ｙ）方向につい
ても同じようなモデルを作る。これによってステップＳ
１３の処理が完了する。

【００３４】次に、演算手段１２にて、この電気回路情
報を用いて、ある指定した電源端子接続位置から電源供
給系回路を見たインピーダンス特性を算出する（ステッ
プＳ１４）。ここでは、レシーバＩＣ２３の電源端子接
続位置からみたインピーダンス特性Ｚｉｎの算出例を示
す。図４において、インピーダンスＺｉｎはコンデンサ
２５ｃのインピーダンスＺＣｃと、このコンデンサ２５
ｃから右側を見たインピーダンスＺ１と、左側を見たイ
ンピーダンスＺ２とを並列にしたものである。また、各
インピーダンスＺＣｃ、Ｚ１、Ｚ２はそれぞれ次式
（５）〜次式（９）を用いて算出することができる。

【数３】 ＺＣｃは次式（５）、Ｚ１は次式（６）のＦマトリクス
要素から次式（７）を用いて算出できる。Ｚ２も同様
に、次式（８）のＦマトリクス要素から次式（９）を用
いて算出できる。Ｆマトリクスで処理するメリットは、
次式（８）のように、接続順に伝送線路や部品のＦマト
リクスの積を取れば、その要素によってインピーダンス
を算出できることにある。最終的にインピーダンスＺｉ
ｎは、次式（１０）によって求められる。

【数４】

【００３５】次に、計算結果を表示する（ステップＳ１
５）。図５に計算結果の一例を示す。図５中の実線は基
板の長辺方向について計算した結果、破線は測定結果で
あり、インピーダンスの大きさで示している。測定結果
は、図３に示した基板を作製し、部品を実装し、ネット
ワークアナライザを用いて電源端子接続位置での反射
（Ｓ１１）特性の測定結果から次式（１１）を用いて算
出したものである。

【数５】 この結果から、電源供給系回路のインピーダンスが約４
ＭＨｚ以上でインダクティブな素子として働いているこ
と、１００ＭＨｚで約１オームであること、電源供給系
回路が８ＭＨｚ、２３０ＭＨｚ、５１０ＭＨｚで共振を
起こしていることがわかる。また、測定結果と計算結果
がよく一致していることから、本計算手法の妥当性が確
認できること、基板の短辺（Ｙ）方向には共振がなかっ
たことから、これらは長辺（Ｘ）方向の共振であること
がわかる。

【００３６】以上、本第１実施形態を用いることで、基
板に実装するアクティブ素子の電源端子接続位置から見
た電源供給系回路のインピーダンス特性を把握すること
ができ、さらに電源供給系回路の共振の有無やその共振
周波数を把握することができる。すなわち、基板レイア
ウト情報を用いて電源供給系回路のインピーダンス特性
を算出することができるため、基板を作製しなくても、
基板製造前のレイアウト作成中もしくはレイアウト作成
後に、電源供給系回路のインピーダンスが十分低く設計
されているか、または、電源供給系回路が共振を起こさ
ないかを評価することができる。

【００３７】また、最適設計後の基板レイアウト情報を
出力できることから、アクティブ素子の安定動作を保証
し、かつ電磁放射を抑制したプリント回路基板を短時間
に設計、製造することが可能となる。

【００３８】［第２実施形態］図６は、本発明の第２実
施形態に係るプリント回路基板特性評価装置の構成を示
すブロック図である。本実施形態は、図１に示した第１
実施形態の構成において、データ処理装置２の中に、さ
らに比較手段１４を加え、この比較手段１４をもつこと
で、電源供給系回路内での共振の有無を判断することが
できるようにしたものである。

【００３９】図７のフローチャートを用いて本実施形態
の動作を説明する。本実施形態は、第１実施形態で示し
たステップＳ１０からステップＳ１３までの処理を行っ
た後に、ステップＳ２０からステップＳ２３までの処理
を行うことを特徴とする。まず、ステップＳ１３で電源
供給系回路の電気回路情報を求めた後、指定した電源端
子接続位置から見たインピーダンスの大きさ｜Ｚｉｎ｜
を求める（ステップＳ２０）。次に、その指定した電源
端子接続位置からそれに最も近い位置に接続したデカッ
プリングコンデンサまでのインピーダンスの大きさ｜Ｚ
ｃ｜を算出する（ステップＳ２１）。次にその両者を比
較する（ステップＳ２２）。最後に、その比較結果を出
力、表示する（ステップＳ２３）。

【００４０】図８は、｜Ｚｉｎ｜と｜Ｚｃ｜の計算結果
を重ねて表示したものである。共振が起こっている８Ｍ
Ｈｚ、２３０ＭＨｚ、５１０ＭＨｚでは、｜Ｚｃ｜に比
べ｜Ｚｉｎ｜の方が大きい。この大小関係を比較するこ
とによって、共振の有無を判断することができる。１０
ＭＨｚ以上の共振周波数以外で｜Ｚｉｎ｜と｜Ｚｃ｜と
がほぼ一致する理由は、電源端子の最も近くに接続され
たコンデンサのインピーダンスが電源供給系回路を構成
する他の要素に比べ低く、｜Ｚｉｎ｜がこのインピーダ
ンス｜Ｚｃ｜によって決まってしまうためである。

【００４１】次に、本実施形態の構成を維持したまま、
共振の有無を調べる別の方法について説明する。図９の
フローチャートに示すように、ステップＳ１３の後に、
プリント回路基板上に実装された各アクティブ素子の電
源端子接続位置から最も近い位置に接続したデカップリ
ングコンデンサのインピーダンスの大きさ｜Ｚｃ’｜を
算出する（ステップＳ２５）。次に、このコンデンサを
除いた、それ以降につながる電源供給系回路のインピー
ダンスの大きさ｜Ｚｉｎ２｜を算出する（ステップＳ２
６）。次に、これらを比較することで、共振の有無を判
断する（ステップＳ２７）。最後に、インピーダンス計
算結果と共振の有無と共振周波数を出力し、表示する
（ステップＳ２８）。

【００４２】図１０に計算結果を示す。同図に示すよう
に、８ＭＨｚでは、容量性リアクタンス（キャパシティ
ブな素子）として振る舞う｜Ｚｃ’｜と、誘導性リアク
タンス（インダクティブな素子）として振る舞う｜Ｚｉ
ｎ２｜とが交差している。２３０ＭＨｚと５１０ＭＨｚ
では、誘導性リアクタンスとして振る舞う｜Ｚｃ’｜
と、容量性リアクタンスとして振る舞う｜Ｚｉｎ２｜と
が交差している。

【００４３】このように、容量性リアクタンスと誘導性
リアクタンスとが大きさが一致したとき、電源供給系回
路が並列共振を起こすことから、この交差する点の有無
を調べることで、共振の有無を調べることができる。ま
た、交差する周波数から共振周波数を調べることができ
る。

【００４４】また、共振の有無を判断する他の方法とし
ては、図１１のフローチャートに示すように、ステップ
Ｓ１３の後に、プリント回路基板上に実装された各アク
ティブ素子の電源端子接続位置から最も近い位置に接続
したコンデンサ素子のインピーダンスのリアクタンスＩ
ｍ（Ｚｃ’）を算出する（ステップＳ３０）。次に、こ
のコンデンサ以降のインピーダンスのリアクタンスＩｍ
（Ｚｉｎ２）を算出する（ステップＳ３１）。次に、こ
れらを比較し（ステップＳ３２）、最後に、インピーダ
ンスの計算結果や共振の有無や共振周波数を出力し、表
示する（ステップＳ３３）。

【００４５】図１２に計算結果の一例を示す。同図にお
いて、縦軸はリアクタンス、横軸は周波数を示す。Ｗ１
〜Ｗ４で示した位置では、符号が逆で、その大きさがほ
ぼ一致しており、この２３０ＭＨｚと５１０ＭＨｚで共
振が起こることがわかる。したがって、リアクタンスの
符号が逆で、リアクタンスの大きさが一致する周波数が
あるかを調べれば、共振の有無が判断できることがわか
る。

【００４６】次に、構成は図６のままで、演算手段１２
に別の演算機能を追加した変形例について図１３のフロ
ーチャートを参照しつつ説明する。図７、図９、及び図
１１の比較結果の表示（ステップＳ２３、ステップＳ２
８、ステップＳ３３）の後に続く処理として、まず、電
源供給系回路が共振を起こす場合、その共振周波数の正
弦波を、着目している電源端子接続位置から入力する
（ステップＳ３５）。次に、電源供給系回路内各点での
電流値と電圧値を算出する（ステップＳ３６）。最後
に、その計算結果を表示する（ステップＳ３７）。また
は、図１４に示すように、ステップＳ３７の前に、電流
値または電圧値が大きい場所を明示する（ステップＳ３
８）。ここで、共振周波数の信号を入力する信号モデル
としては、例えば、正弦波信号を出力できる電圧源とあ
るインピーダンスの直列回路、または正弦波信号を出力
できる電流源とあるインピーダンスの並列回路を用いれ
ばよい。

【００４７】図１５及び図１６のグラフの実線に、レシ
ーバＩＣ２３の電源端子接続位置から２３０ＭＨｚの正
弦波信号を入力した場合の、電源供給系回路内の電圧分
布および電流分布の計算結果を示す（図中の破線につい
ては後の第３実施形態で述べる）。信号は１Ｖの電圧源
と１０オームの抵抗の直列回路より入力した。この例で
は基板の右端で電圧が大きく、左端から５０ｍｍくらい
の位置で電流が最大になることがわかる。すなわち、本
変形例を用いれば、共振によって電圧や電流が大きい場
所を特定することができ、共振抑制に適した場所を把握
することができる。

【００４８】さらに、図１７のフローチャートに示すよ
うに、同じ構成で、演算手段１２にさらに別の演算機能
を持たせた変形例について説明する。図２のステップＳ
１５の後に、アクティブ素子の電源端子とグランド端子
との間の等価回路モデルを用いて、電源供給系回路に時
間軸波形を入力する（ステップＳ３９）。次に、電源供
給系回路内各点での電流波形や電圧波形を算出する（ス
テップＳ４０）。それらを出力し、波形振幅の大きい場
所を明示する（ステップＳ４１）。または、図示してい
ないが、それらの波形をすべてフーリエ変換して、特定
の、例えば振幅の大きい周波数成分の電流分布もしくは
電圧分布を表示する。

【００４９】これらにより、回路の動作時における電源
供給系回路内各点での電流、電圧の振る舞いを把握する
ことができる。また、回路動作時における電源供給系回
路内の電流、電圧が大きくなる周波数とその大きさを把
握することができる。さらにその大きさによって、抑制
対策すべきかどうかを定量的に判断することができる。

【００５０】［第３実施形態］図１８は、本発明の第３
実施形態に係るプリント回路基板特性評価装置の構成を
示すブロック図である。本実施形態では、図６に示した
第２実施形態のデータ処理装置２内にレイアウト変更手
段１５を追加し、さらに記憶装置３内に第二の記憶部１
６を追加することを特徴とする。このレイアウト変更手
段１５では、基板全体のレイアウト情報を変更すること
ができ、主にここでは電源供給系回路のレイアウトを変
更するのに用いる。第二の記憶部１６では、電源供給系
回路の共振を抑制する手法をあらかじめ記憶させてお
く。

【００５１】図１９のフローチャートを用いて、本実施
形態の動作を説明する。先に示した図１３や図１４に示
した変形例において、共振周波数の正弦波信号を入力し
たときの電源供給系回路内の電流値と電圧値を計算し
（ステップＳ３６またはステップＳ３８）、電流値また
は電圧値が大きい場合、レイアウト変更手段１５にて、
あらかじめ第二の記憶部１６に記憶した共振抑制手法を
電流値または電圧値が大きい場所または電源端子接続位
置に適用する（ステップＳ４２）。次に、変更後の回路
について、再度、図２にあるステップＳ１１まで戻り、
電源供給系回路部分のみのレイアウト情報を抽出する処
理から始め、最後に共振の有無を判断する処理（ステッ
プＳ２３、またはステップＳ２８、またはステップＳ３
３）までを行う（ステップＳ４３）。

【００５２】この結果でも共振があると判断された場合
には、何度でもレイアウト変更手段１５にて電源供給系
回路を変更する（ステップＳ４４）。共振がないと判断
した場合には、レイアウト変更手段１５から出力装置４
を介して変更後の基板全体のレイアウト情報を出力する
（ステップＳ４５）。これにより、電源供給系回路を最
適設計した基板のレイアウト情報が得られる。

【００５３】第二の記憶部１６に保存する共振抑制手法
としては、例えば、電源供給系回路の中で電圧値が大き
くて電流値が小さい場所にコンデンサなどの低インピー
ダンス素子を実装する方法がある。また、図２０に示し
た電源供給系の等価回路のように、アクティブ素子の電
源端子接続位置に、２個のデカップリングコンデンサ５
０ａと５０ｃとを長さｌ１の配線４１で接続する方法を
用いてもよい。この配線の長さｌ１を不要電磁放射で問
題となっている上限周波数の１／４波長に設定すること
で、不要電磁放射が問題となる周波数帯域内で共振が抑
制できることが知られており、詳細は特願平１０−１８
４４６９に記載されている。

【００５４】図２１は、図２０に示した共振抑制手法を
すべてのアクティブ素子に適用したときの、電源供給系
回路内のインピーダンス特性で、レシーバＩＣ３０の位
置から見た特性を示すグラフである。長さｌ１の配線４
１とコンデンサ５０ｃとは図３の基板において第１層に
配置した。この図２０のグラフの実線は計算値、破線は
測定値である。６ＭＨｚに共振が残っているが、現在不
要電磁放射で問題となっている３０ＭＨｚ〜１ＧＨｚで
は、共振がない。これによって、共振が抑制できている
ことが確認できる。さらに、計算値と測定値とが一致す
ることから、本発明の妥当性が確認できる。

【００５５】また、先の図１５と図１６のグラフの破線
は、この共振抑制手法を適用した場合の電源供給系回路
内各点の電流値と電圧値の分布特性である。これらグラ
フの実線の共振抑制手法適用前の結果に比べ、電流、電
圧とも振幅が抑えられている。この結果から、本実施形
態では、共振抑制手法が適用でき、その効果を確認でき
ることがわかる。

【００５６】また、この共振抑制手法適用前後の放射電
界特性の測定結果を図２２（ａ），（ｂ）に示す。同図
（ａ）が適用前、同図（ｂ）が適用後の結果である。こ
の測定は、床面が金属板でそれ以外に電波吸収体を装着
した電波暗室内にて行った。基板を高さ７５ｃｍの木製
の机上に、床面と平行に配置し、そこから３ｍ離れた位
置にアンテナを配置して行った。回路は２０ＭＨｚの水
晶発振器で駆動し、共振抑制手法としては図２０に示し
た手法を用いた。全体的に放射レベルは低下し、特に共
振を起こしていた２３０ＭＨｚ付近と５１０ＭＨｚ付近
の放射レベルが約１５ｄＢ低くなっている。この結果か
ら、電磁放射の原因となる電源供給系回路の共振の有無
を判別できること、その共振抑制手法を適用できること
が裏づけられる。

【００５７】このように本実施形態では、あらかじめ共
振抑制手法を用意することができ、且つそれを適用した
レイアウト変更ができるため、共振抑制手法による効果
を確認することが可能になる。

【００５８】なお、本発明を提供する形態としては、例
えば上記各実施形態で説明したプリント回路基板特性評
価装置の各機能及びプリント回路基板特性評価方法をコ
ンピュータプログラムで実現し、そのプログラムを記憶
した記憶媒体を提供してもよい。

【００５９】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
次のような効果を得ることができる。 （１）基板レイアウト情報を用いて電源供給系回路のイ
ンピーダンス特性を算出することができるため、基板を
作製しなくても、基板製造前のレイアウト作成中もしく
はレイアウト作成後に、電源供給系回路のインピーダン
スが十分低く設計されているか、または電源供給系回路
が共振を起こさないかを評価することが可能になる。 （２）電源供給系回路内の電流分布や電圧分布が把握で
きるため、電源供給系回路が共振を起こす場合、その原
因や抑制手法を適用するための最適な場所を把握するこ
とが可能になる。 （３）あらかじめ共振抑制手法を用意することができ、
且つそれを適用したレイアウト変更ができるため、共振
抑制手法による効果を確認することが可能になる。 （４）最適設計後の基板レイアウト情報を出力できるこ
とから、アクティブ素子の安定動作を保証し、且つ電磁
放射を抑制したプリント回路基板を短時間に設計、製造
することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施形態に係るプリント回路基
板特性評価装置の構成を示すブロック図である。

【図２】 第１実施形態の動作を示すフローチャートで
ある。

【図３】 評価対象である４層プリント回路基板の構成
例を示す図である。

【図４】 電源供給系回路の等路回路モデルを表す図で
ある。

【図５】 第１実施形態にかかる電源供給系回路のイン
ピーダンス特性図である。

【図６】 本発明の第２実施形態に係るプリント回路基
板特性評価装置の構成を示すブロック図である。

【図７】 第２実施形態の動作を示すフローチャートで
ある。

【図８】 第２実施形態にかかる電源供給系回路のイン
ピーダンス特性図である。

【図９】 第２実施形態の他の動作を示すフローチャー
トである。

【図１０】 第２実施形態にかかる電源供給系回路の他
のインピーダンス特性図である。

【図１１】 第２実施形態の他の動作を示すフローチャ
ートである。

【図１２】 第２実施形態にかかる電源供給系回路の他
のインピーダンス特性図である。

【図１３】 第２実施形態の他の動作を示すフローチャ
ートである。

【図１４】 第２実施形態の他の動作を示すフローチャ
ートである。

【図１５】 第２実施形態に係る電源供給系回路内の電
圧分布図である。

【図１６】 第２実施形態に係る電源供給系回路内の電
流分布図である。

【図１７】 第２実施形態の他の動作を示すフローチャ
ートである。

【図１８】 本発明の第３実施形態に係るプリント回路
基板特性評価装置の構成を示すブロック図である。

【図１９】 第３実施形態の動作を示すフローチャート
である。

【図２０】 共振抑制手法を説明する電源供給系回路の
等価回路モデルを示す図である。

【図２１】 電源供給系回路のインピーダンス特性図で
ある。

【図２２】 共振抑制手法適用前後の放射電界特性の測
定結果を示す図である。

【図２３】 従来の伝送線路シミュレータの構成を示す
ブロック図である。

【図２４】 プリント回路基板の一例を示す図である。

【図２５】 対策前の回路解析モデルを示す図である。

【図２６】 対策後の回路解析モデルを示す図である。

【図２７】 電源供給系のみに着目した等価回路図であ
る。

【図２８】 デカップリングコンデンサの代表的な実装
例を示す断面図である。

【図２９】 電源供給系の等価回路モデルを示す図であ
る。

【図３０】 電源供給系回路のインピーダンス特性図
である。

【符号の説明】

１ 入力装置 ２ データ処理装置 ３ 記憶装置 ４ 出力装置 １０ 抽出手段 １１ 変換手段 １２ 演算手段 １３ 記憶部 １４ 比較手段 １５ レイアウト変更手段 １６ 第二の記憶部

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プリント回路基板上に実装された各アク
   ティブ素子の電源端子接続位置から見た基板内の電源供
   給系回路のインピーダンス特性を算出することを特徴と
   するプリント回路基板特性評価方法。
2. 【請求項２】 プリント回路基板上に実装された各アク
   ティブ素子の電源端子接続位置から見た基板内の電源供
   給系回路のインピーダンス特性と、この電源端子接続位
   置からそれに最も近い位置に接続したコンデンサ素子ま
   でのインピーダンス特性とを算出し、これらの大きさ、
   位相、実数部、虚数部のいずれかを比較することによっ
   て、この電源供給系回路内で共振が起こるか否かを判断
   することを特徴とするプリント回路基板特性評価方法。
3. 【請求項３】 プリント回路基板上に実装された各アク
   ティブ素子の電源端子接続位置から最も近い位置に接続
   したコンデンサ素子のインピーダンス特性と、このコン
   デンサ素子以降の電源供給系回路のインピーダンス特性
   とを算出し、これらの大きさ、位相、実数部、虚数部の
   いずれかを比較することによって、この電源供給系回路
   内で共振が起こるか否かを判断することを特徴とするプ
   リント回路基板特性評価方法。
4. 【請求項４】 プリント回路基板上に実装された各アク
   ティブ素子の電源端子接続位置から見た基板内の電源供
   給系回路のインピーダンス特性と、この電源端子接続位
   置からそれに最も近い位置に接続したコンデンサ素子ま
   でのインピーダンス特性とを算出し、これらの大きさ、
   位相、実数部、虚数部のいずれかを比較することによっ
   て、この電源供給系回路内で共振が起こるか否かを判断
   し、共振が起こる場合にはその共振周波数の正弦波信号
   を前記電源端子接続位置から前記電圧供給系回路に入力
   し、この電源供給系回路内各点での電流値および電圧値
   を算出し、この電流値または電圧値が大きい場所を見つ
   け出すことを特徴とするプリント回路基板特性評価方
   法。
5. 【請求項５】 プリント回路基板上に実装された各アク
   ティブ素子の電源端子接続位置から最も近い位置に接続
   したコンデンサ素子のインピーダンス特性と、このコン
   デンサ素子以降の電源供給系回路のインピーダンス特性
   とを算出し、これらの大きさ、位相、実数部、虚数部の
   いずれかを比較することによって、この電源供給系回路
   内で共振が起こるか否かを判断し、共振が起こる場合に
   はその共振周波数の正弦波信号を前記電源端子接続位置
   から前記電圧供給系回路に入力し、この電源供給系回路
   内各点での電流値および電圧値を算出し、この電流値ま
   たは電圧値が大きい場所を見つけ出すことを特徴とする
   プリント回路基板特性評価方法。
6. 【請求項６】 プリント回路基板上に実装された各アク
   ティブ素子の電源端子接続位置から見た基板内の電源供
   給系回路のインピーダンス特性と、この電源端子接続位
   置からそれに最も近い位置に接続したコンデンサ素子ま
   でのインピーダンス特性とを算出し、これらの大きさ、
   位相、実数部、虚数部のいずれかを比較することによっ
   て、この電源供給系回路内で共振が起こるか否かを判断
   し、共振が起こる場合にはその共振周波数の正弦波信号
   をこの電源端子接続位置からこの電圧供給系回路に入力
   し、この電源供給系回路内各点での電流値および電圧値
   を算出し、この電流値または電圧値が大きい場所を見つ
   け出し、さらにその場所または電源端子接続位置にあら
   かじめ用意した共振抑制手法を適用し、再度共振の有無
   を評価することを特徴とするプリント回路基板特性評価
   方法。
7. 【請求項７】 プリント回路基板上に実装された各アク
   ティブ素子の電源端子接続位置から最も近い位置に接続
   したコンデンサ素子のインピーダンス特性と、このコン
   デンサ素子以降の電源供給系回路のインピーダンス特性
   とを算出し、これらの大きさ、位相、実数部、虚数部の
   いずれかを比較することによって、この電源供給系回路
   内で共振が起こるか否かを判断し、共振が起こる場合に
   はその共振周波数の正弦波信号をこの電源端子接続位置
   からこの電圧供給系回路に入力し、この電源供給系回路
   内各点での電流値および電圧値を算出し、この電流値ま
   たは電圧値が大きい場所を見つけ出し、さらにその場所
   または電源端子接続位置にあらかじめ用意した共振抑制
   手法を適用し、再度共振の有無を評価することを特徴と
   するプリント回路基板特性評価方法。
8. 【請求項８】 共振が起こると判断した場合にはその共
   振周波数の正弦波信号を、前記電源端子接続位置から前
   記私電源供給系回路に入力し、この電源供給系回路各点
   での電流値および電圧値を算出し、この電流値が小さい
   場所もしくは電圧値が大きい場所にコンデンサ素子を実
   装し、再度共振の有無を評価することを特徴とする請求
   項１１または請求項３記載のプリント回路基板特性評価
   方法。
9. 【請求項９】 実装するアクティブ素子の電源端子とグ
   ランド端子の間の電気的な等価回路モデルを用いて、あ
   る指定したアクティブ素子の電源端子接続位置から電源
   供給系回路に信号を入力し、この電源供給系回路内各点
   での電流値および電圧値を算出し、この電流値または電
   圧値が大きい場所を見つけ出すことを特徴とする請求項
   １乃至請求項８記載のいずれかに記載のプリント回路基
   板特性評価方法。
10. 【請求項１０】 請求項１乃至請求項９のいずれかに記
    載のプリント回路基板特性評価方法を実現するコンピュ
    ータプログラムを記憶したことを特徴とする記憶媒体。