JP5592402B2 - 電気コネクタにおける遠端漏話の低減 - Google Patents

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Description

〔関連出願との相互参照〕
本出願は、2009年1月22日に出願された米国仮特許出願第61/146,614号、及び2009年11月5日に出願された米国特許出願第12/613,501号の優先権の利益に基づくとともにこれを主張するものである。上述の出願は、その全体が引用により本明細書に完全に収められているかのように本明細書に組み入れられる。
本発明は、一般に遠端漏話(FEXT)を低減させるシステムに関し、より詳細には、差動信号を送信中の、及び差動信号及びシングルエンド信号を含むことができる電気コネクタにおけるFEXTの低減に関する。
回路速度が増すにつれ、パーソナルコンピュータ、サーバ、スイッチ及びルータなどの用途におけるデータ送信にとって差動信号送信が好ましい方法になってきた。
検討する差動被害者対に対して、隣接する加害者対からの望まない電磁結合(すなわち漏話)が、これらの隣接する対の少なくとも一方がアクティブなときにデータ送信路を通じて発生する。加害者の送信機と被害者の受信機が互いに物理的に離れている(例えば、異なるチップに位置する)場合、発生する漏話を遠端漏話(すなわちFEXT)と呼ぶ。一般に、チップパッケージ、コネクタ、ケーブル、プリント回路基板(PCB)のトレース及びビアは全て、チップ間通信システムにおける、信号線の近接に起因するFEXTの発生源である。
コネクタ又はシステムのいずれかに追加の自己又は結合インダクタンス及び/又はキャパシタンスを導入することによりFEXTを低減させようとするいくつかの試みが行われてきた。この発想は、FEXTが誘導結合係数と容量結合係数の差分に比例するので、これら2つの結合係数のバランスをとることによりFEXTを低減できるということに基づくものであった。米国特許第7,317,318(B2)号は、このような試みをコネクタに適用した例であり、米国特許第2007/0275607(A1)号は、このような試みをシステムに適用した例である。しかしながら、このような試みは、特に高周波システムにおいてFEXTを低減させるのにそれほど十分なものではなかった。従って、FEXTを低減させるためのより良い方法が必要とされている。
米国特許第6,120,330号明細書 米国特許第5,679,027号明細書 米国特許第7,317,318(B2)号明細書 米国特許第2007/0275607(A1)号明細書
米国特許第6,120,330号及び米国特許第5,679,027号のように、漏話を低減させる又は除去する装置を実現した発明もいくつか存在した。しかしながら、詳細には、これらの装置は、具体的にはRJ45コネクタシステムにおける100MHz以下の周波数での近端漏話(NEXT)の低減又は除去を対象とするものである。
FEXTは累積作用であり、データ送信路(すなわちチャネル)内に2以上のFEXT発生器が存在する場合、隣接する差動対の極性を、単純な経路変更を通じて少なくとも一度交換する。隣接する対の極性を交換することにより、次のFEXT発生器の位相が変化し、この結果、次のFEXT発生器からの累積FEXTが前のFEXT発生器からの累積FEXTを打ち消す。誘導結合又は容量結合とは無関係なこのような極性交換を、チップパッケージ、コネクタ、プリント回路基板(PCB)又はFEXTを経験するいずれかの差動システムに適用することができる。極性交換を組み込んだ低漏話チップパッケージ及びコネクタを設計することができる。個々のFEXT要素が大きなシステムも、本発明の1又はそれ以上の実施形態を適用することにより、FEXT全体に大きな改善を見ることができる。
本発明の1つの態様では、この発想が、送信端と、受信端と、各々が正の信号線及び負の信号線を含み送信端及び受信端に接続された少なくとも1つの差動対とを備えたデータ送信システムにおいて実現され、少なくとも1つの差動対が送信端と受信端の間の1又はそれ以上の場所において極性反転を受けることにより、受信端へ送信される少なくとも1つの信号が、この極性反転によりFEXTの低減を経験するようになる。
本発明のさらなる態様は、送信端と、受信端と、少なくとも1つのシングルエンド信号線と、各々が正の信号線及び負の信号線を含み送信端及び受信端に接続された少なくとも1つの差動対とを備えたシステムを含み、1又はそれ以上の差動対が、送信端と受信端の間の1又はそれ以上の場所において極性反転を受ける。
本発明のさらなる態様は、送信端と、受信端と、正の信号線及び負の信号線を含み送信端及び受信端に接続された少なくとも1つの差動対とを備えたシステムを含み、差動対間の歪度を最小化してFEXT除去を改善する。
本発明のさらなる態様は、送信端と、受信端と、少なくとも1つのシングルエンド信号線と、正の信号線及び負の信号線を含み送信端及び受信端に接続された少なくとも1つの差動対とを備えたシステムを含み、差動対間及びシングルエンド信号間の歪度を最小化してFEXT除去を改善する。
本発明のさらなる態様は、送信端と、受信端と、少なくとも1つのシングルエンド信号線と、正の信号線及び負の信号線を含み送信端及び受信端に接続された少なくとも1つの差動対とを備えたシステムを含み、FEXT発生源の間の1又は複数の極性反転場所が、最大FEXT除去を達成するように最適化される。
本発明のさらなる態様は、送信端と、受信端と、各々が正の信号線及び負の信号線を含み送信端及び受信端に接続された複数の差動対とを含むコネクタを含み、少なくとも1つの差動対が、送信端と受信端の間の場所において極性反転を受ける。
本発明のさらなる態様は、送信端と、受信端と、少なくとも1つのシングルエンド信号と、各々が正の信号線及び負の信号線を含み送信端及び受信端に接続された少なくとも1つの差動対とを含むコネクタを含み、少なくとも1つの差動対が、送信端と受信端の間の場所において極性反転を受ける。
本発明に関するさらなる態様は、以下の説明にある程度記載し、この説明からある程度明らかになり、或いは本発明を実施することより理解することができる。本発明の態様は、以下の詳細な説明及び添付の特許請求の範囲において具体的に指摘する要素及び様々な要素の組み合わせにより実現及び達成することができる。
なお、上述の及び以下の説明は例示的かつ説明的なものにすぎず、いかなる点においても特許請求する発明又は発明の適用を限定することを意図するものではない。
本明細書に組み入れてその一部を成す添付図面は、本発明の実施形態を例示するものであり、説明とともに、本発明の技術の原理を説明し図示する役目を果たす。
FEXTが発生する可能性のあるチップ間通信システム例を示す図である。 FEXTが発生する可能性のあるコネクタ例を示す図である。 2つのFEXT発生源を含むシステムの2つの差動対を示す図である。 図3の差動システムに適用したときに極性交換を実現する本発明の実施形態を示す図である。 図3の差動システムに適用したときに極性交換及び歪度最小化を実現する本発明の実施形態を示す図である。 図3〜図5の差動対のFEXTを示す図である。 典型的なメザニンコネクタを示す図である。 図7aの3ピースBGAメザニンコネクタの入口及び出口の両方におけるピン割り当てを示す図である。 図7a及び図8の典型的なメザニンコネクタ上の差動対8及び9の間のFEXTを示す図である。 メザニンコネクタに適用した本発明の例示的な実施形態を示す図である。 本発明の実施形態によって示す、入口におけるメザニンコネクタのピン割り当てを示す図である。 本発明の実施形態によって示す、出口におけるメザニンコネクタのピン割り当てを示す図である。 図10、図11a及び図11bのメザニンコネクタ上の差動対8及び9の間のFEXTの改善を示す図である。 典型的なバックプレーンコネクタを示す図である。 バックプレーンコネクタに適用した本発明の例示的な実施形態を示す図である。 従来のカードエッジコネクタを示す図である。 カードエッジコネクタに適用した本発明の例示的な実施形態を示す図である。 2つのコネクタを有するチップ間通信システム内のデータ送信路の断面図である。 2つのコネクタを有するチップ間通信システム内のデータ送信路の断面図である。 本発明の実施形態を図16のシステム設計に適用した図である。 本発明の実施形態を図16のシステム設計に適用した図である。 典型的なシステム設計と本発明の実施形態を適用したシステム設計のFEXTを比較した図である。 本発明の実施形態を適用してシングルエンド信号1−と差動対信号2+及び2−との間のFEXTがどのように同様に大幅に低減されるかを示す図である。 複数のFEXT発生源の間で1又はそれ以上の極性を逆転させた本発明の1又はそれ以上の実施形態例を示す図である。 複数のFEXT発生源の間で1又はそれ以上の極性を逆転させた本発明の1又はそれ以上の実施形態例を示す図である。 複数のFEXT発生源の間で1又はそれ以上の極性を逆転させた本発明の1又はそれ以上の実施形態例を示す図である。 複数のFEXT発生源の間で1又はそれ以上の極性を逆転させた本発明の1又はそれ以上の実施形態例を示す図である。
以下の詳細な説明では、同一の機能要素を同様の数字で示す(単複の)添付図面を参照する。上述の添付図面は、本発明の原理と一致する特定の実施形態及び実施構成を限定ではなく例示として示す。これらの実施構成は、当業者が本発明を実施できるように十分に詳細に説明しており、また他の実施構成を利用できるとともに、本発明の範囲及び思想から逸脱することなく様々な要素の構造上の変更及び/又は置換を行うことができることを理解されたい。従って、以下の詳細な説明を限定的な意味で解釈すべきではない。
図1はチップ間通信システムの例を示しており、送信機101が送信した信号は、複数のチップパッケージ102、コネクタ103、及びプリント回路基板(PCB)106内のトレース104及びビア105を通過した後で受信機107に到達することができる。チップパッケージ、コネクタ、PCB及びケーブルは、全てこのようなチップ間システム内で利用できる構成要素である。
図2は電気コネクタの例を示しており、コネクタを介して送信された信号は、コネクタの前又は後にある嵌合部201、保持部202、はんだテール203、導体204又はビア205を通過することができる。
図3は、2つのFEXT発生源302〜303を有する2つの差動対300〜301を示している。これらのFEXT発生源は、図1に示すようなチップパッケージ、コネクタ、PCBビア又はPCBトレースの場合がある。これらのFEXT発生源は、図2に示すようなコネクタの前又は後にある嵌合部分、保持部分、コネクタ内のはんだテール、トレース又はビアの場合もある。これらのFEXT発生源は、チップパッケージ内のボンドワイヤ、トレース、リードフレーム、又ははんだ球の場合もある。極性交換という発想がどのように効を奏するかを示すために、2つのFEXT発生源が存在し、これらの発生源の前、間、及び後のトレースが漏話の原因ではない2つの差動対の例を検討する。
図4は、本発明の極性交換法の1又はそれ以上の実施形態を利用する修正した差動対を示しており、2つの差動対の相対位置が、2つのFEXT発生源の間のいずれかの地点401において(1+、1−、2+、2−)から(1+、1−、2−、2+)に変化する。この場合、対2には位置を交換するために追加のトレース長が必要となるので、対2は対1よりも5ps多くの遅延を有する。この例では、加害者差動対の正及び負の信号線の相対位置を交換することにより、大量の蓄積されたFEXTが、その後の逆転したFEXTによって打ち消される。
図5は、2つのFEXT発生源の間のいずれかの地点において本発明の極性交換法401及び歪度調整法501の1又はそれ以上の実施形態を利用する修正した差動対を示している。この例では、加害者差動対の正及び負の信号線の相対位置を交換するとともに2つの差動対間の遅延を一致させることにより、蓄積されたFEXTが、その後の逆転したFEXTによりほとんど完全に打ち消される。
図6は、図3〜図5の差動対のFEXTを周波数領域内に示している。このプロットから、この極性交換法の1又はそれ以上の実施形態を利用することによりFEXTが大幅に低減されることが分かる。このような低減の理由は、以下によって大まかに説明することができる。簡略化のために、対1及び2の間の2つの結合源の大きさは一時的に等しいと仮定する。極性交換の結果、これらの2つのFEXTは位相が逆になり、従って互いに打ち消し合う。加害者対の相対位置を交換するために必要な追加の長さにより5psの歪度が導入された場合、受信機に到達する2つのFEXTは位相が正確に逆ではなく、この結果歪度を排除した場合よりもFEXTが多くなる。図5で行ったように被害者対に何らかの遅延を加えて歪度を除去することにより、図6で分かるようにFEXT除去を大幅に改善することができる。厳密な数学的微分を使用して伝搬モードを特定し、極性変化及び歪度排除後に残ったわずかなFEXTについて説明することができる。このシミュレーションにおいて特に興味深いのは、差動対が1GHzを上回る信号を送信している高周波システムにおいてFEXTが大幅に低減されたことである。新規の極性反転交換法を利用することにより、FEXTに関する大きな不安を伴わずにこのような高周波システムを設計することができる。これにより、回路速度を、現行の技術で可能なものよりもはるかに高速化することができる。また一方、この新規の極性交換法を使用することにより、差動対及びシングルエンド信号線の両方を利用するシステムにおいて特に有用となり得る恩恵が低周波システムにも与えられる。
この最適な極性交換場所は、一方の側から累積したFEXTが総FEXTの50%に近い場所である。とはいえ、たとえ交換前に発生したFEXTが交換後のFEXTと等しくないとしても、一部のFEXTは依然として除去される。
場合によっては、複数のFEXT発生源の間で複数回交換を行うことが最適なこともある。
さらに、本発明の極性交換法の実施形態を、個々の構成要素の設計に適用することもできる。図7は、極性交換法を適用できる2ピースメザニンコネクタ705及び3ピースメザニンコネクタ701の例を示している。2ピースコネクタは、プラグ706及びレセプタクル707で構成される。3ピースコネクタは、2つのレセプタクル702及び1つの介在物703で構成される。この介在物はさらに複数のウェハ704を含み、個々のウェハは10個の信号トレース及び1つの接地板を有する。コネクタにははんだ球が取り付けられ、これらの3つのウェハの対応するピン割り当てを図8に示し、対8及び9の間の差動FEXTを図9に示す。図10は、極性交換法の実施形態を実現する改良形3ピースコネクタを示している。側面図1001は、介在物に挿入された複数のウェハを示している。信号トレースが、1つ置きの差動対ごとにウェハ上のトレースの相対位置を交換する。2種類のウェハを使用している。一方の種類は、中央対を交換した1005である。他方の種類は、中央対を交換していない1006である。交換した対が1つのウェハから次のウェハまで交互になるように、これらの2つのウェハタイプを介在物内に互いに隣接させて配置する。この構成では、最も近い近隣からのFEXTが大幅に低減される。斜視図1002から、交換部分1003の詳細が分かる。最適なFEXT除去を実現するために、ウェハは、対間歪度がごくわずかとなるように設計した。これは、交換していない対に故意に遅延を加えることによって行った。遅延調整部分の詳細が1004で分かる。はんだ球の対応するピン割り当て及び対(8+、8−)及び(9+、9−)間の差動FEXTを図11a〜図11b及び図12にそれぞれ示す。本発明の1又はそれ以上の実施形態を利用することにより、図12のFEXTが図9のFEXTを大幅に下回ることが明らかである。この極性交換法は、2ピースメザニンコネクタにも適用可能である。
極性交換法をバックプレーンコネクタに適用することもできる。図13は、3ピースバックプレーンコネクタ1301及び2ピースバックプレーンコネクタ1305の例を示している。3ピースバックプレーンコネクタは、2つのレセプタクル1302〜1303及び介在物1304で構成される。2ピースバックプレーンコネクタは、プラグ1306及びレセプタクル1307で構成される。2ピースバックプレーンコネクタ1401及び3ピースバックプレーンコネクタ1402が極性交換法をどのように利用できるかについての例を図14に示す。
図15は、極性交換法の1又はそれ以上の実施形態をカードエッジコネクタにどのように適用できるかについての例を示している。従来のカードエッジコネクタ1501は、一直線に延びる差動対を有する。一直線の対1503の詳細を図示している。この極性交換法1502を利用するカードエッジコネクタは、交換された差動対を有する。この実施構成1504の詳細は、これらの対がどのように交換されているかを示す。
図16aは、一例として、内部信号層上に3’’のPCBトレース1602、6’’のPCBトレース1603及び3’’のPCBトレース1604を経路設定した「チャネル」内で図7の2つのコネクタ701を使用する従来のチップ間通信システムの一部を示している。2つのコネクタを連結するPCB1601の平面図レイアウトを図16bに示す。PCBトレースの経路をコネクタからどのように定めているかについての詳細を詳細図1605〜1606に示す。この従来の経路設定法では、2つの差動対(1+、1−)及び(2+、2−)の極性が、1つのコネクタから次のコネクタまで維持される。個々のコネクタにおいて、正及び負の信号線の相対位置は変化しない。このような従来の経路設定では、個々のコネクタにより発生したFEXTが蓄積する。
図17aは、本発明の1又はそれ以上の実施形態を利用するチップ間通信システムの一部を示している。図16aと同様に、このシステムも、内部信号層上に3’’PCBトレース1702、6’’PCBトレース1703及び3’’PCBトレース1704を経路設定した「チャネル」内の2つのコネクタ701で構成される。2つのコネクタを連結するPCB1701の平面図レイアウトを図17bに示す。PCBトレースの経路をコネクタからどのように定めているかについての詳細を詳細図1705〜1706に示す。図16a〜図16bのシステムとは異なり、図17a〜図17bのシステムでは、1つのコネクタから次のコネクタまで差動対(2+、2−)の極性が交換されていることが分かる。差動対は、左側のコネクタでは1+、1−、2+及び2−と構成され、右側のコネクタでは1+、1−、2+及び2−と構成される。差動対(2+、2−)の相対位置は、1つのコネクタから次のコネクタまで変化する。極性交換により、2つのコネクタから発生したFEXTが除去される。
図18は、図16a〜図16b及び図17a〜図17bのシステムの差動対(1+、1−)及び(2+、2−)間のFEXTを示している。本発明の1又はそれ以上の実施形態を使用することにより、システム内のFEXTが激減することが分かる。
ここまで、2つの差動対間のFEXTに焦点を当ててきた。しかしながら、本発明の実施形態は、差動対とシングルエンド信号との間のFEXTにも同様に適用可能である。2つの独立したシングルエンド信号として図16及び図17の1+及び1−を検討する。図19は、本発明の1又はそれ以上の実施形態を利用することで、シングルエンド1−と差動対(2+、2−)との間のFEXTも大幅に低減されることを示している。従って、この例から、差動対及び隣接するシングルエンド信号を含むシステムにおいてもFEXTを低減させることが可能である。
本発明の実施形態は、2つのFEXT発生源の間の1回のみの極性交換に限定されるものではない。複数のFEXT発生源の間で、極性を2回以上交換することができる。図20a〜図20dは、各々が4つのFEXT発生源及び少なくとも1つの極性反転で構成されたこのような例を示している。図20aは、4つのFEXT発生源を通過する被害者差動対を示している。被害者対に平行して、極性を交換しない加害者差動対も存在するが、ここには示していない。第1のFEXT発生源2001において、加害者信号の10%が被害者対に結合する。第2のFEXT発生源2002において20%が結合する。第1の発生源から第2の発生源までは極性が維持されるので、FEXTは30%まで蓄積される。その後、被害者対は、第3のFEXT発生源2003に入る前に極性を交換し、加害者信号の30%が結合する。第3の発生源に入る前に被害者対の極性が交換されたので、2003からのFEXTは、2001〜2002で蓄積されたFEXTとは極性が逆になって互いに打ち消し合う。これにより、3つのFEXT発生源の後では、蓄積されたFEXTが0%になる。第4のFEXT発生源2004は40%のFEXTを助長するので、システム端部における総蓄積FEXTは40%となる。このことは、従来通りに経路設定した場合に100%のFEXTが確認されるであろうシステム又は構成要素を凌ぐ大幅な改善である。
この例におけるFEXTは、図20b〜図20cのように極性を異なる場所で交換することにより、さらに20%に低減することができる。図20bは、極性を2001の後で1回、2002の後で1回、及び2003の後で1回の3回交換する例を示している。この例では、2001及び2003から蓄積された一方の極性の40%のFEXTが、2002及び2004から蓄積された逆の極性の60%のFEXTを除去して、被害者対内には20%のFEXTが残る。図20cは、2003と2004の間で1回交換した被害者対を示している。2004からの40%のFEXTが、2001〜2003からの60%のFEXTにより除去されて、20%のFEXTが残る。
ある程度の最適化により、本発明の1又はそれ以上の実施形態を使用してFEXTをより一層除去できることが分かる。図20dは、極性を2001と2002の間、及び2003と2004の間で交換する例を示している。一方の極性の50%のFEXTが発生源2001及び2004から生じ、逆の極性の50%のFEXTが発生源2002及び2003から生じる。これらのFEXT発生源は互いに除去し合い、被害者対には最小量のFEXTしか残らない。最大FEXT除去を実現するには、極性を交換すべき1又は複数の場所を最適化すればよい。図20a〜図20dの例は、本発明の極性交換の1又はそれ以上の実施形態をどのように利用してFEXTを激減させることができるかについての4つの異なる例を示したものである。
さらに、当業者には、本明細書で開示した発明の詳述及び実施から本発明のその他の実施構成が明らかであろう。詳述及び例は例示のみとして見なすべきであり、本発明の真の範囲及び思想は以下の特許請求の範囲によって示すものとする。
1401 2ピースバックプレーンコネクタ
1402 3ピースバックプレーンコネクタ

Claims (5)

  1. 遠端漏話(FEXT)を低減させる3ピースメザニンコネクタであって、
    第一レセプタクルにおける送信端と、
    第二レセプタクルにおける受信端と、
    各々が正の信号線及び負の信号線を含み前記送信端及び前記受信端に接続された、前記第一レセプタクルと前記第二レセプタクルコネクタとの間に介在するウェハに設けた複数の差動対と、
    を含み、
    前記差動対の少なくとも1つが、複数のFEXT発生源の間の1又はそれ以上のそれぞれの場所において多くとも1回のみ極性反転を受けるようになっており、
    前記複数の差動対の各々の前記正の信号線及び前記負の信号線を前記ウェハにおける互いに関連する物理的場所に配置し、複数のFEXT発生源の間の前記1又はそれ以上の場所において極性反転を受ける個々の差動対の前記正の信号線及び前記負の信号線の前記ウェハにおける関連する物理的場所を交換することにより極性反転を行い、前記差動対が、前記送信端から前記受信端へ信号を送信するようになっており、前記極性反転を受けた差動対に隣接する少なくとも1つの差動対において、歪度が低減するように遅延を調整することを特徴とするコネクタ。
  2. 前記複数の差動対の各々が、前記正の信号線及び前記負の信号線に対応する、前記送信端及び前記受信端に配置された割り当てをさらに含み、前記送信端から前記受信端まで極性反転を受ける前記少なくとも1つの差動対を、前記受信端における前記正の信号線及び前記負の信号線の前記割り当てが前記送信端における前記正の信号線及び前記負の信号線の前記割り当てと異なるように経路設定することにより極性反転を行う、
    ことを特徴とする請求項1に記載のコネクタ。
  3. 1つ置きの差動対が極性反転を受ける、
    ことを特徴とする請求項1に記載のコネクタ。
  4. 前記複数の差動対が交互配置構成で配置される、
    ことを特徴とする請求項に記載のコネクタ。
  5. FEXT発生源の間の前記1又はそれ以上の極性反転場所が、最大FEXT除去を達成するように最適化された少なくとも1つの所定の地点を含む、
    ことを特徴とする請求項1に記載のコネクタ。
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