JP2004006789A - プリント配線基板 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】一定の電位に保持されるラインに接続されたパターン2を差動信号を伝送するための2本の信号パターン1間に配置する。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、差動信号線路のインピーダンスを最適に制御するためのプリント配線基板のパターン構成、形状に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、USB、IEEE1394等のインタフェイスやLVDSといった差動信号を用いた回路基板上のパターンにおいては、図2に示すように2本の信号パターンを等間隔に略平行に配置している。その略平行に配置したパターンのインピーダンスは、規定値内に一定に保つ必要があり、回路基板上にある他のパターンなどがインピーダンスに影響を与えないように配慮しなければならない。そこで従来は略平行に配置したパターンの間には配線は行わない、または略平行に配置したパターン外周から離れた位置に他のパターンを設けるなどの構成を採っていた。
【0003】
【特許文献1】
特開平8−242078号公報
【特許文献2】
特開平9−46006号公報
【特許文献3】
特開2001−7458号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
プリント配線基板のパターン上の信号周波数が10MHzを超えると、信号の伝送を表現するためには分布定数の取り扱いをする。分布定数では、単位長さあたりの抵抗R、インダクタンスL、キャパシタンスC、コンダクタンスGで等価的に書き表し、パターンを伝送線路として特徴づける量として特性インピーダンスと呼び次式であらわされる。
【0005】
【数1】
数1で、抵抗R=0、コンダクタンスG=0のとき、線路は無損失であると言い、信号線の特性インピーダンスは次式で与えられる。
【0006】
【数2】(この時のC及びLは単位長さの値である。)
プリンタ配線基板のマイクロストリップライン構造の特性インピーダンスは、近似的に図4で示す計算式
【0007】
【数3】
であらわされ、誘電体の比誘電率(εr)、誘電体の厚み(h)とパターン幅(W)で計算される。
【0008】
差動インピーダンスは2本のペア線に互いに位相の反転した差動信号でドライブされたときのインピーダンスを表し、図5で示すように、特性インピーダンスZ0の2倍に2本の平行パターン間の相互結合容量で計算される。さらに、図6で示すような、信号パターン1の間および外側にパターン2があると、その間の相互結合容量の影響を受けることがわかる。
【0009】
図4、図5の特性インピーダンスZ0と差動インピーダンスZdiffの計算式から、パターン幅Wが狭くなるとインピーダンスは高くなり、パターンの間隔Gが狭くなるとインピーダンスは低くなることがわかる。
【0010】
USB2.0の規格では特性インピーダンス45Ω±10%、差動インピーダンス90Ω±10%と定められており、その値を確保するためには、4層基板で絶縁層厚h=0.2mmの基板ではパターン幅0.3mm、パターン間隔0.5mm程度で製造可能である。しかし、2層基板では、板厚h=1.6mmの場合はパターン幅3mm、パターン間隔30mm以上となり、基板のパターン面積が大幅に必要になるため基板サイズが大きくなってしまい、他の部品の実装密度を増やすにはコストが高い4層以上の基板を使用せざるを得なかった。
【0011】
【課題を解決するための手段】
課題を解決するために請求項1記載のプリント配線基板は、差動信号を伝送するための2本の信号パターンが実装されるプリント配線基板であって、一定の電位に保持されるラインに接続されたパターンを、前記2本の信号パターンの間に配置することを特徴とする。
【0012】
【発明の実施の形態】
図1、図3はそれぞれ同一基板上にインピーダンス測定用に設けられたパターン(以下テストクーポンと呼ぶ)を示し、実際の基板内のIC−コネクタ間の信号パターンの構成、形状寸法と全く同じに作成されている。テストクーポンは両端に測定用のプローブを接触させるパッド3と略平行に配置した2本の信号パターン1とからなる。本実施形態では略平行に配置した2本の信号パターン1はUSBコネクタに接続されており、USBにおいてデータ送受信を行う2つの信号ラインとして機能する。そして、2つの信号ラインには互いに位相の反転した信号、つまり差動信号が伝送されるようになっている。
【0013】
図1、図3のどちらに構成においても2本の信号パターン1が略平行に配置される基板の面と同一面上にGND2のラインを設けている。図1では略平行に配置した2本の信号パターン1の間にGND2のラインを設け、図3ではさらに略平行に配置した2本の信号パターン1それぞれの外側にもGND2のラインを設けている。尚、図3に示すGND2にはバイヤホール4が形成されている。バイヤホール4は、例えば図6に示す基板の裏面に形成されるGND2の層に接続される。
【0014】
特性インピーダンスおよび差動インピーダンスは、パターン幅Wが狭くなると高くなり、パターンの間隔Gが狭くなるほど低くなる性質をもっている。上記のように構成することで、基板上の信号パターン幅Wおよび信号パターン間隔G、トータルでのパターンの面積を狭くしつつ、任意の特性インピーダンスおよび差動インピーダンスを得ることができる。
【0015】
そして、図5と図6に示す、2本の信号パターン1の間に、GND2のラインを設けない場合と設けた場合について、同じ材質の基板を使って、USB2.0の規格(特性インピーダンス45Ω±10%、差動インピーダンス90Ω±10%の値)を確保するための比較を行った。尚、板厚は、共にh=1.6mmとした。
【0016】
図6に示す構成では、各パターン幅W=1.4mm、各パターン間隔G=0.15mm、2本の信号パターン1間のGND2の幅を1mm、及び、2本の信号パターン1それぞれ外側にあるGND2の幅は0.15mmとなった。その結果、一方の信号パターン1の外側にあるGND2の外端から他方の信号パターン1の外側にあるGND2の外端まで間隔は、4.7mm(=1.4×2+1.0+0.15×2+0.15×4)となった。
【0017】
これに対して、図5に示す構成では、パターン幅W=3.4mm、パターン間隔G=7.0mmとなった。その結果、一方の信号パターン1の外端から他方の信号パターン1の外端までの間隔は、13.8mm(=3.4×2+7.0)となる。
【0018】
つまり、USB2.0の規格を確保する場合、図6に示す2本の信号パターン1の間にGND2のラインを設けた本実施形態のほうが、基板上でのパターンの面積を狭くできる。
【0019】
本実施形態では、略平行に配置した2本の信号パターン1はUSBコネクタの差動信号を入出力するデータラインであったが、本実施例の構成をIEEE1394、LVDSと言った他の差動信号を有する回路基板上のパターン構成に用いても良い。
【0020】
また本実施形態では2本の信号パターン1の間に、また、略平行に配置した2本の信号パターン1それぞれの外側にGND2を設けたが、一定の電位に保持されるラインであれば良く、例えばDC電源に接続されたパターンでも良い。さらに、外側のGND2は、一定幅のラインでなくても例えばベタ面形状でも良い。
【0021】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によればプリント配線基板の差動信号パターンのインピーダンスの制御に際して、信号パターン間にGNDあるいは電源パターンを配置してインピーダンスを制御することで2層基板やGND層あるいは電源層と信号層の厚い多層基板や、比誘電率の低い基板でも実用的なトータル幅のインピーダンス制御したパターン設計が可能である。
【0022】
これにより、従来技術ではコスト高な多層基板を用いていたが、2層基板のようなコストの安い基板でも基板面積が少ないパターンで、望ましいインピーダンス制御が行える、柔軟性のあるインピーダンス制御方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に基づいて構成される信号パターンの形状を示す図。
【図2】従来の構成に基づいて構成される信号パターンの形状を示す図。
【図3】本発明に基づいて構成される信号パターンの形状を示す図。
【図4】特性インピーダンスの計算式と基板の断面形状を示す図。
【図5】特性インピーダンスの計算式と基板の断面形状を示す図。
【図6】特性インピーダンスの計算式と基板の断面形状を示す図。
【符号の説明】
1 信号パターン
2 GNDあるいは電源パターン
3 プローブパッド
4 バイヤホール
Claims (5)
- 差動信号を伝送するための2本の信号パターンが実装されるプリント配線基板であって、一定の電位に保持されるラインに接続されたパターンを、前記2本の信号パターンの間に配置することを特徴とするプリント配線基板。
- 請求項1記載のプリント配線基板において、前記2本の信号パターンそれぞれの外側の少なくとも一方には、一定の電位に保持されるラインに接続されるパターンを配置することを特徴とするプリント配線基板。
- 請求項1又は2記載のプリント配線基板において、前記一定の電位に保持されるラインはGNDであることを特徴とするプリント配線基板。
- 請求項1乃至3のいずれか一つに記載のプリント配線基板において、裏面にはGNDの層が形成されていることを特徴とするプリント配線基板。
- 請求項1乃至4のいずれか一つの記載のプリント配線基板において、前記2本の信号パターンはUSBコネクタに接続されていることを特徴とするプリント配線基板。
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