JP4626339B2 - プリント基板、デジタルアナログ混成回路およびシールドパターン - Google Patents

Description

本発明はプリント基板に関し、特に１枚のプリント基板上にデジタル回路およびアナログ回路が配置形成されるプリント基板、デジタルアナログ混成回路およびそのシールドパターンに関する。

多くの電子機器又は電子応用機器の電子回路は、デジタル化が急速に進行しているが、その性質上アナログ回路を不可避的に含むものも多い。同様に、アナログ回路で構成されていた電子回路も、一部分をデジタル化することによりＣＰＵ（中央演算装置）等による制御その他の点で多くの利点を有するために、アナログ回路およびデジタル回路が混在する場合もある。斯かる回路を、ここでは「デジタルアナログ混成回路」という。

電子回路は、プリント基板（ＰＣＢ）上に複数の能動デバイスおよび受動電子部品を搭載することにより形成されるのが一般的である。また、デジタル回路およびアナログ回路は、一般に動作電圧が異なり且つデジタル回路は動作基準となるクロックの制御下で動作するので、デジタルアナログ混成回路では、デジタル回路のノイズがアナログ回路に侵入するのを防止又は抑制するためにそれぞれプリント基板の異なる領域に配置形成されるのが一般的である。

斯かる技術分野における従来技術は、幾つかの技術文献に開示されている。アナログ回路およびデジタル回路を、プリント基板の同じ面又は反対面に形成し、それぞれ独立したアナログ回路用およびデジタル回路用グランドを形成することにより両回路を結ぶ信号線にのるノイズを低減するプリント基板が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−１４５５７０号公報（第３頁、第１図第４図）

図３は、電子回路を構成する一般的なプリント基板の平面図である。このプリント基板３０は、デジタル回路領域およびアナログ回路領域にそれぞれデジタル用グランド３１およびアナログ用グランド３２を設けている。そして、これら両グランド３１、３２を完全に分離すると直流電位の基準となるグランドまで分離されるので、両グランド３１、３２を共通の直流グランド３３で接続している。これにより、回路の誤動作やデバイスの破損を防止している。

斯かるプリント基板３０上に形成されたデジタル回路部３１およびアナログ回路部３２は、電子機器又は電子応用機器として協働して動作するので、デジタル回路部３１およびアナログ回路部３２間で相互に信号を伝送する１以上の伝送路を形成する必要がある。斯かる信号伝送路は、図４に示す如く、デジタル回路領域およびアナログ回路領域の適当な位置にそれぞれスルーホール３５および３４を形成する。そして、これら両スルーホール３４、３５間にグランド層３３を超えて内層パターン３６により形成される。

しかし、上述の如き従来技術は、幾つかの課題を有する。先ず、デジタル回路およびアナログ回路のグランドを分離すると、リターンパスが確保されていないので、インピーダンス不整合が起こり、デジタルおよびアナログ両回路間での確実な信号伝送が困難である。更に、両回路間の信号伝送路がシールドされていないので、ノイズの影響を受け易く、信号の品質低下又は誤動作の原因となる。

本発明は、従来技術の上述した課題に鑑みなされたものであり、斯かる課題を克服又は軽減すること、即ちデジタル回路およびアナログ回路間の安価かつ効果的な信号伝送を可能にするプリント基板、デジタルアナログ混成回路およびプリント基板のシールドパターンを提供することを主たる目的とする。

前述の課題を解決するため、本発明によるプリント基板、デジタルアナログ混成回路およびシールドパターンは、次のような特徴的な構成を採用している。

（１）それぞれ直流的に相互接続されたデジタル回路用グランドおよびアナログ回路用グランドが形成され、前記デジタル回路用グランドおよび前記アナログ回路用グランドの領域にそれぞれデジタル回路およびアナルグ回路が形成されるプリント基板において、
前記デジタル回路およびアナログ回路間の相互接続は、内層に形成されたパターンおよび該パターンの長手方向に沿って上下に螺旋状に形成されたリターンパスパターンにより行うプリント基板。
（２）前記リターンパスパターンは、前記パターンの長手に沿って両側に形成された複数のスルーホールを含む上記（１）のプリント基板。
（３）前記スルーホールの間隔を、前記パターンを流れる信号の周波数に応じて適切に選定する上記（２）のプリント基板。
（４）前記デジタル回路および前記アナログ回路間を接続する信号線、制御線および電源の少なくとも一部は、前記螺旋状に形成されたリターンパスパターンを有する上記（１）、（２）又は（３）のプリント基板。
（５）前記デジタル回路用グランドおよび前記アナログ回路用グランドは、両面に形成される上記（１）、（２）、（３）又は（４）のプリント基板。
（６）１枚のプリント基板にデジタル回路およびアナログ回路の両方が前記プリント基板のそれぞれ異なる領域に配置形成され、前記デジタル回路およびアナログ回路が協働するデジタルアナログ混成回路において、
前記デジタル回路および前記アナログ回路間の相互接続は、該相互接続部に沿って前記プリント基板にリターンパスパターンと共に一体形成されているデジタルアナログ混成回路。
（７）前記リターンパスパターンは、前記デジタル回路領域および前記アナログ回路領域にそれぞれ分離して形成されたデジタル回路用グランドおよびアナログ回路用グランド間を結ぶ螺旋状のパターンである上記（６）のデジタルアナログ混成回路。
（８）前記リターンパスパターンは、前記プリント基板を多層基板とし、該多層基板の１つの層の上下の層をパターン化すると共に複数のスルーホールで相互接続して螺旋状に形成される上記（６）又は（７）のデジタルアナログ混成回路。
（９）前記デジタル回路および前記アナログ回路は、前記プリント基板の両面に形成される上記（６）、（７）又は（８）のデジタルアナログ混成回路。
（１０）１枚のプリント基板の異なる領域にそれぞれ配置形成されたデジタル回路およびアナログ回路と、該デジタル回路およびアナログ回路間を結ぶパターンを有するプリント基板のシールドパターンにおいて、
前記デジタル回路領域の表面、前記アナログ回路領域の表面にそれぞれデジタル回路用グランドおよびアナログ回路用グランドを形成すると共に、前記デジタル回路およびアナログ回路間を結ぶパターンをシールドするシールドパターンを備えるプリント基板のシールドパターン。
（１１）前記デジタル回路およびアナログ回路間を結ぶパターンをシールドするシールドパターンは、前記パターンの長手方向に沿って前記デジタル回路用グランドおよび前記アナログ回路用グランド間に螺旋状に形成される上記（１０）のプリント基板のシールドパターン。

本発明のプリント基板、デジタルアナログ混成回路およびそのシールドパターンによると、次の如き実用上の顕著な効果が得られる。先ず、デジタル回路およびアナログ回路間の信号ライン、制御ラインおよび電源ライン等にそれぞれ確実なリターンパスを対として確保するので、高速の信号を忠実に伝送することが可能である。また、リターンパスを内層パターンの周囲に螺旋状に形成するので、優れたシールド効果が得られ、不要波やノイズの影響を受けたり与えたりすることがない。特に、リターンパスを形成するスルーホールの間隔を、内層パターン（主信号ライン）を流れる信号の周波数に応じて適切に形成することにより、良好なシールド効果が得られる。更に、周知のツイストペア線材を使用する必要がなく、内層パターンおよび螺旋状のリターンパスが予め形成されているので、作業性が優れている。

以下、本発明によるプリント基板、アナログデジタル混成回路およびそのシールドパターンの好適実施例の構成および動作を、添付図面を参照して詳細に説明する。

先ず、図１は、本発明によるプリント基板の好適実施例の一部分を示す拡大正面図である。このプリント基板１０は、多層プリント基板であり、その１面又は表面にデジタル回路が配置形成されるデジタル回路用グランド１１、アナログ回路が配置形成されるアナログ回路用グランド１２を含んでいる。そして、これら両グランド１１、１２は、狭い直流グランド部１３で直流的に相互接続されている。

上述の如く、これらデジタル回路およびアナログ回路は、例えば電子機器等が所期の機能を発揮するために信号線、制御線および電源線等により相互に接続される必要がある。その場合には、アナログ回路部およびデジタル回路部の適当な位置にそれぞれスルーホールが形成され、内層パターン（主信号ライン）１６により相互接続される。

しかし、上述した内層パターン１６で相互接続したのみでは、そのリターンパスがそれぞれ十分な面積を有するデジタル回路用グランド１１およびアナログ回路用グランド１２と、狭い直流グランド１３を介する長いパスとなる。これを避けるために、本発明のプリント基板１０では、内層パターン１６の長手方向に沿ってリターンパスパターン１７が形成される。このリターンパスパターン１７は、後述の如く、内層パターン１６のシールドとしても機能する。

このリターンパスパターン１７は、内層パターン１６に沿って、その両側に略一定間隔で形成された複数のスルーホール１８と、プリント基板１０の表面の導電層および内層パターン１６が形成された内層よりも下の内層に形成されたパターンにより、内層パターン１６の上下に螺旋状に形成されている。即ち、内層パターン１６およびリターンパスパターンはペア（対）をなすように形成されている。そして、プリント基板１０の表面に形成されたリターンパスパターンの一部分の両端は、図示の如くデジタル回路用グランド１１およびアナログ回路用グランド１２に接続されている。その結果、アナログ回路部のスルーホール１４とデジタル回路部のスルーホール１５間は、内層パターン１６およびこれとペアをなす螺旋状のリターンパスパターンにより相互接続される。

上述の如く、プリント基板１０上に本発明によるデジタルアナログ混成回路が配置形成される。斯かるデジタルアナログ混成回路において、グランド１１、１２経由での不要波や雑音の回り込みを防ぐために、デジタル回路部とアナログ回路部のグランド１１および１２を図３のように分離した場合、完全に分離してしまうと両回路間での直流的な基準電圧までも分離されてしまう。そこで、デジタル回路部とアナログ回路部のグランド１１および１２を共通の直流グランド１３で直流的に相互接続している。

次に、図１に示す本発明によるプリント基板又はデジタルアナログ混成回路の実施例の動作を説明する。このデジタルアナログ混成回路において、アナログ回路はデジタル回路の影響を受け易い。即ち、高速で動作するデジタルデバイスが発生する不要波、高調波等のノイズ（雑音）がプリント基板１０を経由して飛び込んでくることにより特性劣化に至る。特にグランドをデジタル回路およびアナログ回路で共通使用する場合には、影響が大きい。

そこで、本発明のデジタルアナログ混成回路では、デジタル回路とアナログ回路のグランドプレーンを分離して、それぞれデジタル回路用グランド１１およびアナログ回路用グランド１２を設けることによりデジタル回路のノイズの影響を軽減させる。この場合に、デジタル回路用グランド１１をアナログ回路用グランド１２と完全に分離してしまうと、デジタル回路およびアナログ回路で基準となる電位が異なるため、各々のインタフェースにおいて最大入力電圧範囲を超えた電位の信号が入力され、デバイスの破損を生じる恐れがある。従って、直流的な電位差のみを０（ゼロ）にするために、共通の直流グランド１３でデジタル回路およびアナログ回路のグランド１１、１２を相互接続する。

次に、デジタル回路からアナログ回路へ信号の伝送を行う場合を例に説明する。受け渡される信号は、デジタル回路部のスルーホール１４で第２層へ接続される。この第２層は、内層パターン１６にてアナログ回路へ接続され、スルーホール１５にてアナログ回路に到達する。内層パターン１６のみでも信号はアナログ回路に到達する。しかし、特に高速で動作するデジタル回路においてはリターンパスのない（又は遠い／長い）パターンではインピーダンス不整合を起こして正確なタイミングで信号の伝送ができない。また、高速動作であるが故に、信号や信号の高調波が放射される場合もある。デジタル回路とアナログ回路のグランド１１、１２を分離するためにできた表層でのグランドの切れ目や内層を経由して外部に影響を及ぼす。

そこで、本発明のプリント基板又はデジタルアナログ混成回路では、内層パターン１６の周りに螺旋状にリターンパスパターン１７を配置形成する。このリターンパスパターンは、表層と裏層（即ち、内層パターン１６の上下）に配置されており、表層と裏層のパターンは複数のスルーホール１８で相互接続されている。このリターンパスパターン１７により、内層パターン１６を通る信号のリターンパスが確保され、周知のマイクロストリップラインに近い状態で信号の伝送が可能になるので、インピーダンス不整合を起こし難い。その結果、高速信号の伝送においても正確なタイミングでの信号伝送ができる。また、このスルーホール１８の間隔を伝送する信号の周波数に合わせて適切な間隔（例えば、波長の１／２以下）にしておくことにより、内層パターン１６に対するシールド効果が得られ、グランド１１、１２の切れ目や内層を経由して外部に不要波や雑音を放射し難くできる。内層パターン１６に対する外部からの不要波等も遮断できるため、信号伝送時における外乱に対して有効である。

尚、上述した効果は、線材によるツイストペア線を使用することでも実現が可能であるが、本発明は線材を使用しているが故のデメリットに対しても効果がある。線材を使用したツイストペア線のデメリットとは下記３点である。
（１）線材をプリント基板に実装する必要がある（半田付け又はコネクタにて）。従って、コスト的にも実装面積上も不利である。
（２）アナログ回路２部にシールドケースを取り付けたい場合、線材を避けるようにこのシールドケースに大きな切り欠きを入れ、ケース装着時に線材を挟み込まないように注意を払う必要がある。
（３）線材の実装バラツキがあり特性の不安定さを招く。

これに対して、本発明の如くプリント基板に予めパターン化されたシールドパターンを使用すれば、（１）に対してプリント板実装済なのでコストはゼロ、（２）に対してもパターンの位置は決まっているので、難なくシールドケース装着が可能で且つ（３）の実装バラツキはないため、ツイストペア線よりも優れていることは明らかである。

次に、図２を参照して本発明のプリント基板の他の実施例について説明する。図２は、６層基板の断面図である。図１の実施例のプリント基板１０は、表層と裏層を接続する貫通タイプのスルーホールを使用した例を示したが、図２に示すプリント基板２０は、中央接地板２１の上下にそれぞれ３層の上側基板２２および下側基板２３を有する。そして、これら各基板２２、２３には、上述と同様に、アナログ回路部のスルーホール２４およびデジタル回路部のスルーホール２５間に表裏から第２層の内層パターン２６が形成され、これら内層パターン２６に沿って螺旋状のリターンパスパターン２７が複数のスルーホール２９により形成されている。

上述の如く、図２に示すプリント基板２０は、表層と内層又は裏層と内層を繋ぐ非貫通タイプのスルーホール２９を使用して、シールドパターン２７を構成している。この実施例のプリント基板２０を使用すれば、中央の第３層目を接地板（即ち、ベタのグランド）２１とすることにより、この接地板２１の上下にアイソレーションの取れた（相互に隔離された）２個のシールドパターンが形成でき、一層高密度の実装が可能になる。

また、上述した各実施例では、内層パターン（主信号ライン）１６又は２６の周囲にリターンパスパターン１７又は２７を螺旋状に形成している。主信号ライン１６、２６とリターンパス１７、２７の長さを正確に合わせたいときは、主信号ラインである内層パターン１６、２６も螺旋状に形成し、リターンパスパターン１７、２７と交互に表層と裏層を通りながら伝送させることも可能である。

以上、本発明によるプリント基板、デジタルアナログ混成回路およびシールドパターンの好適実施例の構成および動作を詳述した。しかし、斯かる実施例は、本発明の単なる例示に過ぎず、何ら本発明を限定するものではないことに留意されたい。本発明の要旨を逸脱することなく、特定用途に応じて種々の変形変更が可能であること、当業者には容易に理解できよう。

本発明よるプリント基板の第１実施例の一部分を示す平面図である。 本発明によるプリント基板の第２実施例の断面図である。 デジタル回路およびアナログ回路を含む一般的なプリント基板の平面図である。 デジタルアナログ混成回路を形成する従来のプリント基板の平面図である。

符号の説明

１０、２０ プリント基板
１１ デジタル回路用グランド
１２ アナログ回路用グランド
１３ 直流グランド
１４、１５、１８、２４、２５、２９ スルーホール
１６、２６ 内層パターン（主信号ライン）
１７、２７ リターンパスパターン

Claims (8)

1. それぞれ直流的に相互接続されたデジタル回路用グランドおよびアナログ回路用グランドが形成され、前記デジタル回路用グランドおよび前記アナログ回路用グランドの領域にそれぞれデジタル回路およびアナログ回路が形成されるプリント基板において、
   前記デジタル回路およびアナログ回路間の相互接続は、内層パターンに沿って、その両側に略一定間隔で形成され、かつ間隔が前記パターンを流れる信号の周波数に応じて適切に選択された複数のスルーホールと、前記プリント基板の表面の導電層および前記内層パターンが形成された内層よりも下の内層に形成されたパターンにより、前記内層パターンの上下に螺旋状に形成されたリターンパスパターンにより行うことを特徴とするプリント基板。
2. 前記リターンパスパターンは、前記パターンの長手に沿って両側に形成された複数のスルーホールを含むことを特徴とする請求項１に記載のプリント基板。
3. 前記デジタル回路および前記アナログ回路間を接続する信号線、制御線および電源の少なくとも一部は、前記螺旋状に形成されたリターンパスパターンを有することを特徴とする請求項１又は２に記載のプリント基板。
4. 前記デジタル回路用グランドおよび前記アナログ回路用グランドは、両面に形成されることを特徴とする請求項１、２又は３に記載のプリント基板。
5. １枚のプリント基板にデジタル回路およびアナログ回路の両方が前記プリント基板のそれぞれ異なる領域に配置形成され、前記デジタル回路およびアナログ回路が協働するデジタルアナログ混成回路において、
   前記デジタル回路および前記アナログ回路間の相互接続は、該相互接続部に沿って前記プリント基板に、前記デジタル回路領域および前記アナログ回路領域にそれぞれ分離して形成されたデジタル回路用グランドおよびアナログ回路用グランド間を結ぶ螺旋状のリターンパスパターンと共に一体形成されていることを特徴とするデジタルアナログ混成回路。
6. 前記リターンパスパターンは、前記プリント基板を多層基板とし、該多層基板の１つの層の上下の層をパターン化すると共に複数のスルーホールで相互接続して螺旋状に形成されることを特徴とする請求項５に記載のデジタルアナログ混成回路。
7. 前記デジタル回路および前記アナログ回路は、前記プリント基板の両面に形成されることを特徴とする請求項５又は６に記載のデジタルアナログ混成回路。
8. １枚のプリント基板の異なる領域にそれぞれ配置形成されたデジタル回路およびアナログ回路と、該デジタル回路およびアナログ回路間を結ぶパターンを有するプリント基板のシールドパターンにおいて、
   前記デジタル回路領域の表面、前記アナログ回路領域の表面にそれぞれデジタル回路用グランドおよびアナログ回路用グランドを形成すると共に、前記デジタル回路およびアナログ回路間を結ぶパターンをシールドするシールドパターンを備え、前記シールドパターンは、前記パターンの長手方向に沿って前記デジタル回路用グランドおよび前記アナログ回路用グランド間に螺旋状に形成されることを特徴とするプリント基板のシールドパターン。

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