JP4751709B2 - 差動伝送路の輻射ノイズ抑制回路 - Google Patents

Description

本発明は、高速信号伝送方式の１つである差動伝送線路における、輻射ノイズ抑制回路に関する。

近年、液晶テレビやプラズマテレビに代表されるフラットパネルディスプレイにおいて、ＶＧＡ(Video Graphics Array)からＸＧＡ(eXtended Graphics Array)へと高画質となるに従い、画像情報を転送する信号速度の高速化が進んでいる。そこで、高速デジタル・データ伝送の方法として、低振幅の差動伝送方式が用いられるようになった。

この伝送方式は、１対の平衡ケーブル、またはプリント基板上に形成された２本の配線パターンを通じて、互いに逆相の信号を送る伝送方式である。特徴としては、低ノイズ、低電圧振幅、高速データ伝送などがあり、高速伝送の手法として、ディスプレイの分野において導入が進んでいる。

図６は、一般的な差動伝送方式の一つであるＬＶＤＳ（Low Voltage Differential Signaling）方式の差動伝送路の一例を示した構成図である。

図６において、差動ドライバ１と差動レシーバ２の間は、差動インピーダンスが１００Ωの＋側信号配線４ａと−側信号配線４ｂにより結ばれており、差動レシーバ２の入力端付近において１００Ωの終端抵抗３で終端されている。２つの信号配線４ａ、４ｂには、同振幅で逆位相の信号がそれぞれ印加されるので、それぞれの信号配線４ａ、４ｂから発生する磁界が打ち消しあう形となり、放射ノイズはほとんど発生しない。

しかし、実際の差動伝送においては、差動ドライバ１から出力される信号にはスキュー、すなわち立ち上がり立下り時間の差が存在することにより、２つの信号配線４ａ、４ｂを往路、シグナルグランド１５を帰路とするコモンモード電流が発生し、放射ノイズの要因となっている。ここで、図６に示すシグナルグランド１５とは、例えば、プリント基板上に形成されたＧＮＤプレーンなどのことである。

この、コモンモード電流に起因する放射ノイズを対策する手段として、図７に示すようにコモンモードチョーク１０を使用する方法がある。

コモンモードチョーク１０は、２つの信号配線４ａ、４ｂを同一コアに同方向に巻きつける構成となっているため、互いに逆向きに流れる信号成分の電流に関しては磁界が打ち消し合うようになりそれらの信号成分の電流を通過させるが、同方向に流れるコモンモードノイズ成分に関しては磁界が足し合わされて強めあうので、インピーダンス性を持ち、コモンモード電流を流れにくくするという性質を持つ。

しかし、コモンモードチョーク１０を使用する場合、信号配線４ａ、４ｂの途中に挿入すると、その挿入位置で、信号配線４ａ、４ｂの特性インピーダンスが異なったものとなる。そうなると、信号配線４ａ、４ｂを伝わる信号がコモンモードチョーク１０で反射して、伝送信号波形に乱れが生じてしまう。このコモンモードチョーク１０の挿入位置における反射を抑制して、伝送信号波形の乱れを防止するコモンモードチョークコイルも提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図８（ａ）は、特許文献１に開示されているコモンモードチョークコイルの外観を示す斜視図を、図８（ｂ）は、そのコモンモードチョークコイルの分解斜視図を、それぞれ示している。

このコモンモードチョークコイルは、コイル導体２２ａ、２２ｂが、フェライトからなるリング状のトロイダルコア２０にバイファイラ巻装されており、このトロイダルコア２０が、蓋部１６およびケース部２１からなる外装ケースに収容されて構成されている。

ケース部２１は、円筒形状の内周壁２１ａと外周壁２１ｂが底壁２１ｃで結合されており、内部にトロイダルコア２０を収容するためのリング状の収容部２１ｄを有している。蓋部１６は、円板形であり、ケース部２１の収容部２１ｄを閉塞する。そして、蓋部１６の周縁部からは、ケース部２１の外周壁２１ｂの外側面に沿って、４本の爪１６ｂが等間隔で引き出されている。

ケース部２１の外周壁２１ｂの外側面、底壁２１ｃの外面および蓋部１６の外面には、クロームめっき膜等からなるグランド導体１７が形成されている。ケース部２１の外周壁２１ｂおよび底壁２１ｃのグランド導体１７上には、絶縁性を有する樹脂等からなる絶縁膜１８が等間隔で４箇所形成されている。絶縁膜１８の上には、燐青銅等の金属材料からなる端子板１９がそれぞれ装着されている。これら４つの端子板１９には、コイル導体２２ａ、２２ｂの端部がそれぞれ半田付けされる。

蓋部１６は、その爪１６ｂをケース部２１の底壁２１ｃに係止させることにより、ケース部２１に固定される。

このように構成されたコモンモードチョークコイルを、信号配線４ａ、４ｂをそれぞれ端子板１９に接続して図７のコモンモードチョーク１０として使用すると、接地されたグランド導体１７が、蓋部１６およびケース部２１からなる外装ケースを間にして、コイル導体２２ａ、２２ｂと対向するので、これらの間に、外装ケースを誘電体とする静電容量（分布容量）が形成される。この静電容量とコイル導体２２ａ、２２ｂが有しているインダクタにより、コイル導体２２ａ、２２ｂの各々とグランドとの間にＬＣの分布定数回路が形成される。外装ケースを構成している樹脂の誘電率、グランド導体１７とコイル導体２２ａ、２２ｂとの対向面積および距離によって、この静電容量が決まるので、これらの値を適切に選択することにより、コイル導体２２ａ、２２ｂの各々とグランドとの間の特性インピーダンスを、信号配線４ａ、４ｂの各々とグランドとの間の特性インピーダンスに合致させることができる。このようにして、コモンモードチョーク１０における信号の反射を抑制することができる。
特開２０００−５８３４３号公報

しかしながら、近年の高速伝送においては、従来のようにコモンモードチョーク１０を用いても十分なノイズ低減効果が得られなくなってきている。

その要因として、２つの信号配線４ａ、４ｂを往路、シグナルグランド１５を帰路とするコモンモード電流だけでなく、２つの信号配線４ａ、４ｂとシグナルグランド１５上を同方向に流れる２次コモンモード電流がノイズ要因であることが分かってきた。この２次コモンモード電流に起因するノイズに関しては、従来のコモンモードチョーク１０では十分な低減効果が得られない。

図９を用いて、２次コモンモード電流について説明する。図９（ａ）は、コモンモード電流を説明する図であり、図９（ｂ）は、２次コモンモード電流を説明する図である。ここでは、例として、差動伝送路を形成する２本の信号配線４ａ、４ｂがプリント基板上に形成されている場合について説明する。なお、図６と同じ構成部分には同じ符号を用いている。

図９（ａ）は、差動伝送におけるディファレンシャルモード電流とコモンモード電流の流れを示した図である。２本の信号配線４ａ、４ｂ間を逆方向に流れるのがディファレンシャルモード電流であり、各信号配線４ａ、４ｂがシグナルグランド１５に対して完全に平衡（シグナルグランド１５からの距離が等しい、２本の信号配線４ａ、４ｂの幅が同じ、等）である場合には、コモンモード電流は発生しない。

しかし、２つの信号配線４ａ、４ｂ間に何らかの不平衡（幅の違い、長さの違い、など）が存在する場合には、図９（ａ）に示すように２本の信号配線４ａ、４ｂ間を同方向に流れるコモンモード電流が発生する。

図９（ｂ）は、シグナルグランド１５の不連続に起因する２次コモンモード電流の発生を示した図である。基準グランド２３は、シグナルグランド１５の基準電位を与えるものであり、ここでは、筐体がプリント基板のグランド（シグナルグランド１５）の基準電位を与えるものとする。

図９（ａ）の差動伝送における２本の信号配線４ａ、４ｂと同様に考えると、２本の信号配線４ａ、４ｂを往路、シグナルグランド１５を帰路とした電流がコモンモード電流である。そして、それらに不平衡（シグナルグランド１５の幅が不連続、など）が存在すると、次のモードとして、図９（ｂ）に示すような２本の信号配線４ａ、４ｂとシグナルグランド１５を同方向に流れる２次のコモンモード電流が流れる。

本発明は、上述した従来の課題を解決するもので、従来の１次コモンモード電流の低減効果を悪化させず、２次コモンモード電流を低減できる、差動伝送路の輻射ノイズ抑制回路を提供することを目的とする。

上述した課題は以下の輻射ノイズ抑制回路により解決される。

第１の本発明は、差動信号の＋側信号が印加される＋側信号配線および前記差動信号の−側信号が印加される−側信号配線を有し、差動ドライバと差動レシーバとの間を接続する差動伝送線路と、
前記差動ドライバと前記差動レシーバとの間に接続され、前記差動伝送線路に沿って配線される＋側シグナルＧＮＤ配線および−側シグナルＧＮＤ配線と、
前記＋側信号配線、前記−側信号配線、前記＋側シグナルＧＮＤ配線、前記−側シグナルＧＮＤ配線が、いずれも同一巻方向で巻回されているコイル部と、を備え、
前記＋側信号配線と前記＋側シグナルＧＮＤ配線との間の距離は、前記−側信号配線と前記−側シグナルＧＮＤ配線との間の距離と実質上等しく、
前記＋側信号配線および前記−側信号配線は、前記＋側シグナルＧＮＤ配線と前記−側シグナルＧＮＤ配線との間に、挟まれるように配置されている、差動伝送路の輻射ノイズ抑制回路である。
第２の本発明は、前記＋側信号配線と前記−側信号配線との間の距離は、前記＋側信号配線と前記＋側シグナルＧＮＤ配線との間の距離よりも短い、第１の本発明の差動伝送路の輻射ノイズ抑制回路である。

本発明により、従来の１次コモンモード電流の低減効果を悪化させず、２次コモンモード電流を低減できる、差動伝送路の輻射ノイズ抑制回路を提供できる。

以下に、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１を図１に基づいて説明する。図１は、本実施の形態１の差動伝送路の輻射ノイズ抑制回路の構成図を示している。なお、図６と同じ構成部分には同じ符号を用いて説明する。

図１において、差動ドライバ１から差動レシーバ２へ、＋側信号配線４ａおよび−側信号配線４ｂにより信号が伝送される。＋側信号配線４ａと−側信号配線４ｂとは、電気的特性が等しく、平衡伝送路が形成され、その差動インピーダンスは１００Ωとなっている。また差動レシーバ２の入力端近傍には、差動インピーダンスにマッチングした１００Ωの終端抵抗３が＋側信号配線４ａおよび−側信号配線４ｂに接続されている。

５ａ、５ｂは、いずれも配線化されたシグナルＧＮＤであり、５ａが＋側シグナルＧＮＤ配線、５ｂが−側シグナルＧＮＤ配線であり、図１に示すように、＋側信号配線４ａと−側信号配線４ｂを挟むように配置されている。このとき、＋側信号配線４ａと＋側シグナルＧＮＤ配線５ａとの間の距離は、−側信号配線４ｂと−側シグナルＧＮＤ配線５ｂとの間の距離に等しく、＋側信号配線４ａと−側信号配線４ｂとの間の距離よりも長い。

これらの４線の各線間の距離は、差動ドライバ１と差動レシーバ２間の全体にわたって維持されている。この各線間の距離の維持は、例えばフラットケーブルを用いることなどにより実現できる。

また、差動ドライバ１の出力端の近傍に、図２（ａ）に示すような、同一コア１１に同方向に４線が巻かれた４線用チョークコイル６を備えており、＋側信号配線４ａ、−側信号配線４ｂ、＋側シグナルＧＮＤ配線５ａ、および−側シグナルＧＮＤ配線５ｂが接続されている。

図２（ａ）は、４線用チョークコイル６の構成を示している。４線用チョークコイル６は、円形状のコア１１を有しており、＋側信号配線４ａ、−側信号配線４ｂ、＋側シグナルＧＮＤ配線５ａ、および−側シグナルＧＮＤ配線５ｂが同方向に巻きつけられている。

なお、４線用チョークコイル６が、本発明のコイル部の一例である。

これらの構成により、＋側信号配線４ａ、−側信号配線４ｂ、＋側シグナルＧＮＤ配線５ａ、および−側シグナルＧＮＤ配線５ｂを同方向に流れる２次コモンモード電流を、４線用チョークコイル６によって除去することができる。

また、図２（ｂ）は、棒形状のコア１１を有する４線用チョークコイル６の構成を示している。このように、コアの形状に関わらず、同方向に４線が巻かれている構成であればよい。例えば、図２（ａ）では、４線を円形状のコア１１の２つの側に２線ずつに分けて巻きつけているが、一方側だけに４線を巻きつけるような構成であってもよい。

なお、本実施の形態１の輻射ノイズ抑制回路では、ノイズ抑制のために４線用チョークコイル６を用いたが、コアが無い構成であってもよい。

図３（ａ）は、本発明のコイル部の他の一例である４線コイル部の構成を示した斜視図である。図１に示す４線用チョークコイル６を、図３（ａ）に示す４線コイル部の構成に置き換えても同様のノイズ抑制効果が得られる。

図３（ａ）の４線コイル部は、多層基板の配線パターンにより実現するものである。多層基板の異なる層に、＋側信号配線４ａ、−側信号配線４ｂ、＋側シグナルＧＮＤ配線５ａ、−側シグナルＧＮＤ配線５ｂのそれぞれに対応するコイル形状パターンを、それらが上下に重なるように配置している。そして、＋側信号配線４ａ、−側信号配線４ｂ、＋側シグナルＧＮＤ配線５ａ、−側シグナルＧＮＤ配線５ｂと、それぞれに対応するコイル形状パターンとを、基板層間接続ビア１２で接続させている。

また、図３（ｂ）は、図３（ａ）の断面図である。多層基板は導体層３０と絶縁体層３１を交互に積層することによって成っており、通常は導体として銅、絶縁体としてＦＲ４などの誘電体が用いられる。本構成によれば、図１に示す４線用チョークコイル６と同様の効果を示す。

さらに、４線コイル部の構成において、絶縁体として磁性体を用いることで、磁界の結合が強くなり、より好ましい。

本実施の形態１の輻射ノイズ抑制回路は、このようにシグナルグランドを２線にして配線化し、さらにそのシグナルＧＮＤ配線５ａ、５ｂで信号配線４ａ、４ｂを挟む構成にしたうえで４線用チョークコイル６に接続することで、信号配線４ａ、４ｂの結合が弱まったり、配線の平衡度が悪化したりすること無く、２次コモンモード電流を低減させることが可能となる。

また、＋側シグナルＧＮＤ配線５ａと＋側信号配線４ａとの間の距離が、−側シグナルＧＮＤ配線５ｂと−側信号配線４ｂとの間の距離と等しくなるように、また、＋側信号配線４ａと−側信号配線４ｂとの間の距離が、＋側シグナルＧＮＤ配線５ａと＋側信号配線４ａとの間の距離および−側シグナルＧＮＤ配線５ｂと−側信号配線４ｂとの間の距離よりも短くなるように構成することで、信号配線４ａ、４ｂ同士の結合を強め、かつ平衡度の悪化を防ぐことが可能となる。

なお、本発明の輻射ノイズ抑制回路を発明するに際し、本発明者らは、差動伝送方式の１つであるＴＭＤＳ（Transition Minimized Differential Signaling）用にシグナルグランドを含めた３本線をコイルに巻きつけたＴＭＤＳ用コモンモードフィルタを、ＬＶＤＳに用いる方法についても検討した。

ＴＭＤＳ方式は原理上、１つの信号配線とシグナルグランド配線間、もう１つの信号配線とシグナルグランド配線間に交互に信号を流す擬似的な差動伝送方式のため、２つの信号線間にシグナルグランド配線を配しても問題はない。

これらの検討内容を、比較例として以下に説明する。

（比較例１）
図４は、信号配線間にシグナルＧＮＤを配した場合の差動伝送回路の構成図を示している。なお、図６と同じ構成部分には同じ符号を用いている。

図４に示すように、差動ドライバ１と差動レシーバ２間において、２本の信号配線４ａ、４ｂ間に、配線化されたシグナルＧＮＤ２５を配した。そして、差動ドライバ１の出力端の近傍に３線用チョークコイル２６を備え、２本の信号配線４ａ、４ｂおよびシグナルＧＮＤ配線２５の３本線を同方向に巻きつける構成とした。ここで、３線用チョークコイル２６には、図２（ａ）で示すようなチョークコイルのコア１１に３線を巻きつける構成としたチョークコイルを使用した。

このように、２本の信号配線４ａ、４ｂ間にシグナルＧＮＤ配線２５を配した場合には、信号配線４ａ、４ｂ同士の結合が弱まり波形が乱れたり、差動インピーダンスが変化するので反射が起こりノイズが増加したりする、という新たな課題を発見した。

（比較例２）
図５は、シグナルＧＮＤを２つの信号配線の外側に配した場合の差動伝送回路の構成図を示している。なお、図４と同じ構成部分には同じ符号を用いている。

比較例１では、２本の信号配線４ａ、４ｂ間にシグナルＧＮＤ配線２５を配したのに対し、比較例２では、２本の信号配線４ａ、４ｂの外側にシグナルＧＮＤ配線２５を配する構成とした。

このようにシグナルＧＮＤ配線２５を２つの信号配線４ａ、４ｂの外側に配した場合には、各信号配線４ａ、４ｂとシグナルＧＮＤ配線２５とのそれぞれの距離が異なるため、配線の平衡度が悪化して１次コモンモード電流による放射ノイズが悪化する、という新たな課題を発見した。

これに対し、本発明の輻射ノイズ抑制回路では、図１に示すように＋側シグナルＧＮＤ配線５ａおよび−側シグナルＧＮＤ配線５ｂが、＋側信号配線４ａおよび−側信号配線４ｂを挟むように配置されることにより、図５に示すような１本のシグナルＧＮＤ配線２５を２つの信号配線４ａ、４ｂのどちらかの外側に配した構成の場合に起こる配線の平衡度の悪化も起こらないので、１次コモンモード電流による放射ノイズが悪化することもない。

比較例１および比較例２に示したように、ＴＭＤＳ用コモンモードフィルタをそのままＬＶＤＳに適用した場合には、２次コモンモード電流によるノイズ放射は低減されるが、新たに１次コモンモード電流によるノイズ放射が悪化するという課題が発生した。

これらの比較例に対し、本発明の輻射ノイズ抑制回路は、１次コモンモード電流によるノイズ放射を悪化させることなく、２次コモンモード電流によるノイズ放射を低減させることができる。

以上に説明したように、本発明の差動伝送路の輻射ノイズ抑制回路によれば、高速信号伝送方式の１つである差動伝送線路において、従来のコモンモードチョークでは低減することができなかった、信号線とＧＮＤ線を同方向に流れる２次コモンモード電流を低減することができ、かつ従来の１次コモンモード電流の低減効果の悪化を防ぐことができるため、輻射ノイズを抑えた信号伝送を実現することが可能となる。

本発明の差動伝送路の輻射抑制回路は、高速信号伝送方式の１つである差動伝送方式において、放射ノイズを出しにくい差動伝送路設計を行う上で有用である。

本発明の実施の形態１における差動伝送路の輻射ノイズ抑制回路の構成図 （ａ）本発明の実施の形態１における、円形状の４線用チョークコイルの構成図、（ｂ）本発明の実施の形態１における、棒形状の４線用チョークコイルの構成図 （ａ）本発明の実施の形態１における、ノイズ抑制部分の一例である４線コイル部を示す斜視図、（ｂ）本発明の実施の形態１における、ノイズ抑制部分の一例である４線コイル部の断面図 ＴＭＤＳ用コモンモードフィルタをＬＶＤＳに適用した、比較例１の差動伝送回路の構成図 ＴＭＤＳ用コモンモードフィルタをＬＶＤＳに適用した、比較例２の差動伝送回路の構成図 従来の、ＬＶＤＳ方式の差動伝送路の構成図 従来の、コモンモードチョークを使用したＬＶＤＳ方式の差動伝送路の構成図 （ａ）特許文献１のコモンモードチョークの外観を示す斜視図、（ｂ）特許文献１のコモンモードチョークの分解斜視図 （ａ）コモンモード電流の説明図、（ｂ）２次コモンモード電流の説明図

符号の説明

１ 差動ドライバ
２ 差動レシーバ
３ 終端抵抗
４ａ ＋側信号配線
４ｂ −側信号配線
５ａ ＋側シグナルＧＮＤ配線
５ｂ −側シグナルＧＮＤ配線
６ ４線用チョークコイル
１０ コモンモードチョーク
１２ 層間接続ビア
２６ ３線用チョークコイル
３０ 導体層
３１ 絶縁体層

Claims (2)

1. 差動信号の＋側信号が印加される＋側信号配線および前記差動信号の−側信号が印加される−側信号配線を有し、差動ドライバと差動レシーバとの間を接続する差動伝送線路と、
   前記差動ドライバと前記差動レシーバとの間に接続され、前記差動伝送線路に沿って配線される＋側シグナルＧＮＤ配線および−側シグナルＧＮＤ配線と、
   前記＋側信号配線、前記−側信号配線、前記＋側シグナルＧＮＤ配線、前記−側シグナルＧＮＤ配線が、いずれも同一巻方向で巻回されているコイル部と、を備え、
   前記＋側信号配線と前記＋側シグナルＧＮＤ配線との間の距離は、前記−側信号配線と前記−側シグナルＧＮＤ配線との間の距離と実質上等しく、
   前記＋側信号配線および前記−側信号配線は、前記＋側シグナルＧＮＤ配線と前記−側シグナルＧＮＤ配線との間に、挟まれるように配置されている、差動伝送路の輻射ノイズ抑制回路。
2. 前記＋側信号配線と前記−側信号配線との間の距離は、前記＋側信号配線と前記＋側シグナルＧＮＤ配線との間の距離よりも短い、請求項１に記載の差動伝送路の輻射ノイズ抑制回路。

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