JP2017201680A - 伝送路のインピーダンス整合構造 - Google Patents

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Abstract

【課題】より良い特性インピーダンス整合回路を作成するための伝送路の特性インピーダンス整合構造を提供する。【解決手段】インピーダンス整合構造は、伝送路100の入力端子100a及び出力端子100b間の異なる点に接続された少なくとも2つの余剰導電部220a、230aを備える。余剰導電部220a、230aは互いに離れており、余剰導電部220a、230aの各々の第1端子は、伝送路202、206に接続される。一方、余剰導電部220a、230aの各々の第2端子は、伝送路から離れている。また、少なくとも1つの接地導電部250を備える。接地導電部250の各々は、余剰導電部220a、230aの一方に対応し、対応する余剰導電部220a、230aから離れた位置を囲っており、少なくとも2つの余剰導電部220a、230aの各々は、対応するめっき孔220、230に配置されている。【選択図】図2

Description

本発明は、インピーダンス整合、特に、伝送路のインピーダンス整合構造に関する。
高速での伝送路の信号送信性能や高速データ伝送率を維持するために、全体での特性インピーダンス整合は、回路設計フェーズで考慮される必要がある。全体での特性インピーダンス整合は、高周波の電気回路構成においてより重要である。高周波における信号伝送の正確性を十分満たすために、特性インピーダンスの全体での伝送経路は、矛盾の無いものとする必要がある(例えば、特許文献1参照)。
特性インピーダンス整合効果の改善のために、トレースの幅、トレース間のクリアランス、多層プリント回路基板のめっき孔の構造、非貫通孔又は貫通孔など、それらの孔における導電体構造を含む様々な要素が、綿密に考慮された上で設計される。例えば、パッドサイズ、パッド形状、孔の深さ、及び貫通孔などの孔のタイプ、また、止り穴、埋め込み穴、信号伝送なしのスタブ部の配置、多層基板の内側の導電体構造を含む、各めっき孔の特徴は、信号伝送性能の良し悪しに影響する。
従来設計では、止り穴、埋め込み穴又はバックドリル孔は、非伝送スタブ部からの信号反射の改善に適応されてきた。図1Aを参照されたい。第1層L1から第4層L4への貫通孔による回路基板のトレースを作成するため、一般的には、第4層L4及び第8層L8の間にある回路基板のスタブ部STを除去する必要がある。スタブ部STのバックドリルによる除去は、正確な制御を必要とすることが理解されよう。図1Bに例示するように、過剰ドリルは、トレース間の接続不良となり、図1Cに例示されるように、不十分なドリルは、部分的にスタブを残すことになる。そのような状況は、高周波特性インピーダンス、更にはコスト面において製造歩留まりに、不利な影響を与える。
特開2006−191018号公報
そこで、本発明は、より良い特性インピーダンス整合回路を作成するための伝送路の特性インピーダンス整合構造を提供する。
本発明は、電気信号の伝送のための伝送路のインピーダンスを整合するため、回路基板上に配置されるインピーダンス整合構造を提供する。その構造は、少なくとも2つの余剰導電部、及び少なくとも1つの接地導電部を含み、少なくとも2つの余剰導電部は、対応するめっき孔に配置されている。2つの余剰導電部は、伝送路の入力端子及び出力端子間の伝送路の異なる点に接続されている。余剰導電部の各々の第1端子は、伝送路に接続され、一方の余剰導電部の各々の第2端子は、伝送路から離れている。更に、余剰導電部は、互いに離れており、少なくとも1つの接地導電部の各々は、余剰導電部の一方に対応し、対応する余剰導電部から離れた位置を囲っている。
本発明は、以下の詳細な説明及び添付図面を参照することにより、当業者にとってより明確化されよう。
図1Aは、貫通孔を用いた従来のトレース設計を示す模式図。
図1Bは、バックドリルにより貫通孔を用いた従来のトレース設計の失敗例を示す模式図。
図1Cは、バックドリルにより貫通孔を用いた従来のトレース設計の別の失敗例を示す模式図。
図2は、本発明の一実施形態に係る伝送路のインピーダンス整合構造を模式的に示す断面図。
図3(a)(b)(c)は、本発明の一実施形態に係る接地導電部に対する余剰導電部の相対配置の3つの例を示す模式図。
図4は、本発明の一実施形態に係る伝送路及びそのインピーダンス整合構造の模式的な等価回路ブロック図。
図5は、本発明の一実施形態に係る接地導電部に対する伝送路の相対配置を示す模式図。
図6は、余剰導電部が接地されたときの等価回路を示す模式図。
本発明は、以下の実施形態を参照することで、より明確に説明されるであろう。ここで、本発明の好ましい実施形態に関する以下の説明は、図示及び説明を目的としてのみ記述される。開示内容から余す所のないものとする、又は寸分たがわぬように限定するものではない。
図2を参照されたい。本発明の一実施形態に係る伝送路のインピーダンス整合構造が、模式的に示されている。本実施形態において、伝送路100は、導電部材200、202、204、206、208、210、212により形成され、各接地線は、それら導電部材に対応している。言い換えると、伝送路100は、一の導電部材及びそれに対応する接地線といった、複数のセクションに分割することができる。なお、視る角度によって、全ての接地線が図示されている訳ではない。例えば、接地線280、282、284、286のみが示されている。導電部材及び対応する接地線に加えて、伝送路100は、入力端子100a及び出力端子100bを有する。信号は、入力端子100aを介して伝送路100に入力され、出力端子100bを介して伝送路100から出力される。伝送路100のインピーダンス整合構造は、余剰導電部220a、230a、240a、及び接地導電部250、252、260、262を含む。
図2に示した実施形態において、伝送路100及びそのインピーダンス整合構造は、多層プリント回路基板20に配置される。多層プリント回路基板20は、6層のトレース構造を含み、第1から第6層L1−L6及びそこに複数のめっき孔が設けられている。例えば、貫通孔220及びそこに設けられた導電構造、及び非貫通孔230(埋め込み穴)、240(止り穴)及びそこに設けられた導電構造が、6層構造に設けられている。伝送路100は、多層プリント回路基板20の層に沿って、めっき孔を通して、行き来している。例えば、伝送路100は、第1層L1の表面にある入力端子100aに割り当てられて、第1層L1でスタートし、これも第1層L1に割り当てられた導電部材200を介して、入力端子100aを導電部材202と電気的に接続する。導電部材202は、貫通孔220に設けられ、更に導電部材204に接続し、それにより、導電部材200から導電部材204へ信号が伝送する。導電部材204は、第3層L3の表面に割り当てられ、2つの端部が、それぞれ導電部材202及び導電部材206と電気的に接続し、それにより、導電部材202から導電部材206へ信号が伝送する。導電部材206は、ビア230に設けられ、更に、導電部材208に接続し、それにより、導電部材204から導電部材208へ信号が伝送する。導電部材208は、第2層L2の表面に割り当てられ、2つの端部が、それぞれ導電部材206及び導電部材210と電気的に接続し、それにより、導電部材206から導電部材210へ信号が伝送する。導電部材210は、ビア240に設けられ、更に、導電部材212に接続し、それにより、導電部材208から導電部材212へ信号が伝送する。導電部材212は、第1層L1の表面に割り当てられ、2つの端部が、それぞれ導電部材210及び出力端子100bと電気的に接続し、それにより、導電部材210から出力端子100bへ信号が伝送する。上記の信号伝送方向が例示に過ぎないことや、本発明の構造に準じた設計変更が成し得ることは、当業者に理解されよう。
本実施形態において、導電部材202は、貫通孔220の第1領域に配置され、その第1領域は、第1層L1の表面又はその周辺から、第3層L3の表面又はその周辺にかけての領域である。一方、余剰導電部220aは、貫通孔220の第2領域に配置され、その第2領域は、第3層L3の表面又はその周辺から、第5層L5の表面又はその周辺にかけての領域である。同様に、導電部材206は、ビア230の第1領域に配置され、その領域は、第2層L2の表面又はその周辺から、第3層L3の表面又はその周辺にかけてである。一方、余剰導電部230aは、貫通孔230の第2領域に配置され、その領域は、第3層L3の表面又はその周辺から、第4層L4の表面又はその周辺にかけての領域である。更に、余剰導電部230aの下の貫通孔230の第3領域、すなわち第4層L4の表面又はその周辺から、第5層L5の表面又はその周辺にかけては、未了のままである。更に、導電部材210は、ビア240の第1領域に配置され、その領域は、第1層L1の表面又はその周辺から、第2層L2の表面又はその周辺にかけてである。一方、余剰導電部240aは、貫通孔240の第2領域に配置され、その領域は、第2層L2の表面又はその周辺から、第4層L4の表面又はその周辺にかけての領域である。
一実施形態において、余剰導電部220a、230a、240aの各第1端部は、対応する導電部材202、206、210との接触エリアで画定される。一方、余剰導電部220a、230a、240aの各第2端部は、対応する導電部材202、206、210から離間したエリアで画定される。そして、余剰導電部220a、230a、240aの各第1端部は、伝送路100の入力端子100a及び出力端子100b間で異なる部分に接続され、一方、余剰導電部220a、230a、240aの対応する各第2端部は、伝送路100に接続されていない。更に、余剰導電部220a、230a、240aは、互いに離れており、それらと接続されていない。
上記実施形態において、余剰導電部220a及び導電部材202は、同じ孔220に配置され、余剰導電部230a及び導電部材206は、同じ孔230に配置され、余剰導電部240a及び導電部材210は、同じ孔240に配置されている。それにもかかわらず、余剰導電部及び内側の導電部材を共通のめっき孔に配置することは、貫通孔又は非貫通孔に寄らず、本発明の本質ではない。正しくは、本発明に係る余剰導電部は、専用のめっき孔に代替的に配置される。更に、特性インピーダンス設計を考慮すると、同じめっき孔に配置される余剰導電部の材料及び導電部材の材料は、同じであることが望ましいが、必須ではない。例えば、ストリップラインが用いられる。
更に、接地導電部250は、余剰導電部220a周囲の第4層L4に割り当てられる。接地導電部252は、余剰導電部220a周囲の第5層L5に割り当てられる。接地導電部260は、余剰導電部240a周囲の第3層L3に割り当てられる。接地導電部262は、余剰導電部240a周囲の第4層L4に割り当てられる。接地導電部及び余剰導電部は、互いに離れている。特に、接地導電部を形成することで、例えば、寸法・形状設計、余剰導電部と対応する接地導電部との間で形成されるコンデンサ構造の容量値、等をインピーダンス整合の目的を達成するために、調整することができる。
図3(a)(b)(c)に参照されるように、本発明の一実施形態に係る接地導電部に対する余剰導電部の相対配置の3つの例を模式的に示す。これらの例で、余剰導電部220aと接地導電部250の相対配置は、図面に参照され、他のペアの余剰導電部及び接地導電部の相対配置は、同様又は空間的な相関関係に違いがある。別の余剰導電部及び別の接地導電部の形状もまた、余剰導電部220a及び接地導電部250とは異なっている。更に、図2に示したように、例え余剰導電部230aの周囲に接地導電部が無い場合では、接地導電部無しの余剰導電部の存在が、その周囲に必須であることを意味するものではない。言い換えると、余剰導電部の周囲に割り当てられた接地導電部が必須であろうかなかろうが、現実的な要求には依存しない。図2の構成は、例示であり、それ以上に限定されるものではない。
上記の例で、接地導電部は、トレースを介してグラウンドに連結している。図3(a)(b)(c)に示したような、接地導電部250はトレース302を介して接地線300に電気的に接続される。もしくは、接地導電部は、直接的に接地線に連結されてもよい。更に、接地線300は、接地機能を与えられるように、多層プリント回路基板20の接地層に接続される。
図2に示した実施形態において、余剰導電部220a、230a、240aの第2端部は、全て固定されておらず、いわゆるオープン回路となっている。そのため、図2で示した伝送路及びそのインピーダンス整合構造は、図4に示すような等価回路として表される。図4に示す等価回路において、回路モジュール200’は、導電部材200に相当し、
回路モジュール202’は、第1層L1及び第2層L2間の導電部材202の一部に相当し、回路モジュール202’’は、第2層L2及び第3層L3間の導電部材202の一部に相当し、回路モジュール204’は、導電部材204に相当し、回路モジュール206’は、導電部材206に相当し、回路モジュール208’は、導電部材208に相当し、
回路モジュール210’は、導電部材210に相当し、回路モジュール212’は、導電部材212に相当し、回路モジュール400は、余剰導電部220a及びそれに対応する接地導電部250、252に相当し、回路モジュール410は、余剰導電部230a及びそれに対応する接地導電部250、262に相当し、回路モジュール420は、余剰導電部240a及びそれに対応する接地導電部260、262に相当する。
本実施形態では、図2及び図4で参照する左から右へ、伝送路100の入力端子100aは、等価回路モジュール200’の一の端子と電気的に接続され、等価回路モジュール200’の他の端子は、等価コンデンサC11及び等価回路モジュール202’の一の端子に電気的に接続される。等価回路モジュール202’の他の端子は、等価コンデンサC12及び等価回路モジュール202’’の一の端子に電気的に接続される。等価回路モジュール202’’の他の端子は、等価コンデンサC13、等価回路モジュール400、及び等価回路モジュール204’の一端子に電気的に接続される。等価回路モジュール204’’の他の端子は、等価コンデンサC23、等価回路モジュール410、及び等価回路モジュール206’の一端子に電気的に接続される。等価回路モジュール206’の他の端子は、等価コンデンサC22及び等価回路モジュール208’の一端子に電気的に接続される。等価回路モジュール208’の他の端子は、等価コンデンサC32、等価回路モジュール420、及び等価回路モジュール210’の一端子に電気的に接続される。等価回路モジュール210’の他の端子は、等価コンデンサC31及び等価回路モジュール212’の一端子に電気的に接続される。等価回路モジュール212’の他の端子は、伝送路100の出力端子100bに電気的に接続される。
更に、等価回路モジュール400は、等価回路モジュール220a’、等価回路モジュール220a’’、等価コンデンサC14、及び等価コンデンサC15を含む。等価回路モジュール220a’は、第3層L3及び第4層L4間の余剰導電部220aの一部である。等価回路モジュール220a’’は、第4層L4及び第5層L5間の余剰導電部220aの一部である。等価回路モジュール410は、等価回路モジュール230a’、及び等価オープン回路、及びそれに対応する接地、いわゆる等価回路モジュール410に相当する基準接地を含み、等価回路モジュール230a’は、余剰導電部230aに相当する。等価回路モジュール420は、等価回路モジュール240a’、等価回路モジュール240a’’、等価コンデンサC33、及び等価コンデンサC34を含む。等価回路モジュール240a’は、第2層L2及び第3層L3間の余剰導電部240aの一部である。等価回路モジュール240a’’は、第3層L3及び第4層L4間の余剰導電部240aの一部である。等価回路モジュール220a’の一の端子は、等価回路モジュール202a’’に電気的に接続され、その他の端部は、等価コンデンサC14及び等価回路モジュール220a’’の一の端子と電気的に接続される。等価回路モジュール220a’’の他の端子は、等価コンデンサC15と電気的に接続される。等価回路モジュール230a’の一の端子は、等価回路モジュール204’と電気的に接続され、他の端子は、それによりオープン回路となる。等価回路モジュール240a’の一の端子は、等価回路モジュール208’と電気的に接続され、他の端子は、等価コンデンサC33及び等価回路モジュール240a’’の一の端子と電気的に接続される。等価回路モジュール240a’’の他の端子は、等価コンデンサC34と電気的に接続される。
図5に示すように、コンデンサC11の効果は、接地導電部550と導電部材200との間における容量効果に相当する。同じ導電部材200でも、接地導電部550の寸法や形状、及び導電部材200と接地導電部550との間の空間によって、その容量値は変化する。接地導電部550は、トレース502を介して接地線500と電気的に接続されることで接地される。代替的に、接地導電部550は、直接的に接地線500と電気的に接続されることで接地されてもよい。そのため、図4に示した等価回路の構成において、等価コンデンサC11の一の端子は、等価回路モジュール200’と電気的に接続され、他の端子は、接地される。図5で示した回路設計は、導電部材200に伝送された信号が、隣接するトレースの影響を受けることを抑制する。隣接するトレースの影響が無視できる又は関係ないならば、導電部材200周囲の接地導電部550は省いてもよい。言い換えると、等価コンデンサC11は、等価電気回路から除去され得る。同様の説明は、等価コンデンサC12、C13、C22、C31、C32にも夫々適用し得るが、ここでは冗長には説明しない。
更に、図3(a)(b)(c)のいずれかで示したように、等価コンデンサC14の効果は、余剰導電部220aと周囲の接地導電部250との間における容量効果に相当する。同じ余剰導電部220aでも、接地導電部250の寸法や形状、及び余剰導電部220aと接地導電部250との間の空間によって、その容量値は変化する。同様の説明は、等価コンデンサC15、及びC34にも夫々適用し得るが、ここでは冗長には説明しない。
上述した等価回路モジュール220a’及び220’’のインピーダンス値を調整することによって、例えば、余剰導電部220aの長さの調節するなどにより、伝送路100の全体のインピーダンスを変えることができ、インピーダンスを、実際に要求される幅、又は実際に要求される値に置くことができる。同様に、余剰導電部230a及び/又240aの長さを調整することにより、全体のインピーダンスを代替的に調整することができる。また、一つ又は複数の接地導電部の寸法及び/又は形状を変更すること、及び/又は一つ又は複数の接地導電部とそれに対応する導電部材又は余剰導電部との間の空間を変更することは、伝送路100の全体のインピーダンスに影響する。更に、伝送路100の全体のインピーダンスは、等価回路モジュール204’及び208’のインピーダンス値により調整される。伝送路100の異なる部位での特性インピーダンス値は、互いに異なると理解されており、伝送路100の全体のインピーダンスは、初期インピーダンス値を、部分の特性インピーダンス値で調整される。このように、入力端子100a及び出力端子100b間の伝送路の部分の連結、及び余剰導電部220a−240aによって成るインピーダンスは、入力端子100a以前の回路部分のインピーダンスで整合される。一方、入力端子100a及び出力端子100bとの間の伝送路の部分の連結、及び余剰導電部220a−240aによって成るインピーダンスは、出力端子100b以後の回路部分のインピーダンスで整合される。
余剰導電部が、伝送路から離れた端部においてオープン回路となっている場合には、等価コンデンサが、等価電気回路に構成される。一方、伝送路から離れた端部において短絡回路となっている場合、例えば、図6に示すように、余剰導電部220aが、トレース602を介して接地線600に接続されている、又はトレース602の円環領域に直接接続される場合、等価インダクタが、等価電気回路に構成される。更に、図2に示したビア230のように、めっき孔における余剰導電部230aの長さを短くすることが必要なら、バックドリル工法又は当業者にとって知られた他の適切な工法が採用され得る。ここでは、従来技術については冗長に説明しない。
本発明に係る伝送とのインピーダンス整合構造は、上記の実施形態に限られず、代替手段が用いられ得る。例えば、導電部材202、204、206及びそれら対応する接地線によって構成される伝送路のインピーダンスの整合は、余剰導電部220a、230aで成し遂げられる。導電部材204及びそれに対応する接地線によって構成される伝送路のインピーダンスの整合もまた、余剰導電部220a、230aで成し遂げられる。
更に、本実施形態では、伝送路100の一部が第1層L1に形成される。第1層L1上の伝送路100、例えば、導電部材200及びそれに対応する接地線で構成される、又は導電部材212及びそれに対応する接地線で構成される。伝送路のこの部分のインピーダンス整合は、同じ第1層L1上に設けられた余剰導電部により成し遂げられる。
一方、伝送路100の他の一部は、導電部材202、204、206、208、210及びそれに対応する接地線で構成される。インピーダンスの整合は、余剰導電部220a、230a、240aで成し遂げられる。
従来技術は、導電部材202、204、206といった異なる導電部材のインピーダンス整合を独自に扱っている一方、本発明は、余剰導電部と共に、伝送路100といった全伝送路の全体のインピーダンス整合を扱っている、従って、全ての余剰導電部を除去する必要はない。例えば、バックドリル法によって仮に余剰導電部の除去が必要であっても、図1にあるようなビアやトレース間の過剰ドリルによる接触不良といった望まない効果を避けることができる。更に、過剰ドリルが全く起こらないので、整合の従来例で扱っていたバックドリルのために生じた誤差を小さくすることができる。また、この状況下では、不十分なドリルも起こらない。要するに、本発明に従い、インピーダンス整合特性の良い回路を容易に製造することができる。
本発明は、現時点で最も現実的で好ましい実施形態を考慮した文言により説明されたが、本発明は上記開示した実施形態に限定されないことは理解されよう。逆に、様々な改善や同様の配置を満たし、添付の請求の範囲の拡張や集約を含め、そういった全ての改善や同様の構造を包含するような最も広い解釈がなされるべきである。例えば、本発明に係る冗長電源システムや電力制御回路を実現するために、上記のハードウェアデバイスが例示されるが、ハードウェア/ソフトウェアのハイブリッドモジュール又はファームウェアデザインが、適宜に代替的なデバイスとして適応されてもよい。
100 伝送路
100a 入力端子
100b 出力端子
200、202、204、206、208、120、212 導電部材
220、230、240 孔、ビア(めっき孔)
220a、230a、240a 余剰導電部
250、252、260、262 接地導電部
280、282、284、286 接地線
300 接地線
500 接地線
550 接地導電部
600 接地線

Claims (10)

  1. 電気信号の伝送用の伝送路のインピーダンスの整合のために回路基板に配置されるインピーダンス整合構造であって、
    前記伝送路の入力端子及び出力端子間の異なる点に接続された少なくとも2つの余剰導電部を備え、前記余剰導電部は互いに離れており、前記余剰導電部の各々の第1端子は、前記伝送路に接続され、前記余剰導電部の各々の第2端子は、前記伝送路から離れており、
    少なくとも1つの接地導電部を備え、前記接地導電部の各々は、前記余剰導電部の一方に対応し、前記対応する余剰導電部から離れた位置を囲っており、
    前記少なくとも2つの余剰導電部の各々は、対応するめっき孔に配置されていることを特徴とするインピーダンス整合構造。
  2. 前記少なくとも2つの余剰導電部の各々の長さは、前記対応するめっき孔の深さよりも小さいことを特徴とする請求項1に記載のインピーダンス整合構造。
  3. 前記余剰導電部の各々の前記第2端子は、オープン回路になっていることを特徴とする請求項1に記載のインピーダンス整合構造。
  4. 前記余剰導電部の各々の前記第2端子は、接地されていることを特徴とする請求項1に記載のインピーダンス整合構造。
  5. 前記入力端子及び前記出力端子間の前記伝送路の部分の連結、及び前記少なくとも2つの余剰導電部によって成るインピーダンスは、前記入力端子以前の回路部分のインピーダンスを整合することを特徴とする請求項1に記載のインピーダンス整合構造。
  6. 前記入力端子及び前記出力端子間の前記伝送路の部分の連結、及び前記少なくとも2つの余剰導電部によって成るインピーダンスは、前記出力端子以降の回路部分のインピーダンスを整合することを特徴とする請求項1に記載のインピーダンス整合構造。
  7. 前記少なくとも2つの余剰導電部の各々は、前記対応するめっき孔に前記伝送路の一部と共に配置されていることを特徴とする請求項1に記載のインピーダンス整合構造。
  8. 前記余剰導電部は、前記対応するめっき孔の一部を占め、前記伝送路の部分が、前記対応するめっき孔の他の部分を占めていることを特徴とする請求項7に記載のインピーダンス整合構造。
  9. 前記少なくとも1つの接地導電部が接地されるように電気的に接続された接地線を更に備えることを特徴とする請求項1に記載のインピーダンス整合構造。
  10. 前記伝送路は、異なる特性インピーダンスである部分を含むことを特徴とする請求項1に記載のインピーダンス整合構造。
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