JP6157095B2

JP6157095B2 - バスシステム

Info

Publication number: JP6157095B2
Application number: JP2012258645A
Authority: JP
Inventors: 幸司澁谷; 小林　剛; 剛小林; 慶洋明星
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-11-27
Filing date: 2012-11-27
Publication date: 2017-07-05
Anticipated expiration: 2032-11-27
Also published as: JP2014106699A

Description

本発明は、主配線に複数の送受信デバイスが接続されるバスシステムに関し、特にその主配線の特性インピーダンスの構成に関する。

情報処理システムの高性能化により、基板上の信号伝送も高速化しており、一つの主配線に複数のデバイスが接続されるバスシステムにおいても、信号の高速化が必要とされている。従来のバスシステムでは、均一な特性インピーダンスを持つ主配線に、分岐配線を介して複数の送受信デバイスが接続される構成が一般的に使用されている。しかし、このようなバスシステムでは、デバイスが１対１に接続される形式と比べて、信号の高速化が困難であるという課題があった。

この対策として、共通ノードと複数のデバイスとを導体線で接続する高周波伝送線路において、共通ノードから複数のデバイスに信号を分配する際に、共通ノードからの距離が離れるにつれて導体線の線幅を広くする技術（例えば、特許文献１参照）や、主配線内で特性インピーダンスを細かく上下させることで反射波を打ち消して波形を整える技術（例えば、特許文献２参照）などが提案されている。

特開２００５−４５６５９号公報特開２００５−１５０６４４号公報

しかしながら、上記従来のシステムでは、送信デバイスが固定または受信デバイスが固定であることを前提としており、バス上に接続された任意の２つのデバイス間で直接通信を行うようなバスシステムには適用できないという課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、全ての送信／受信の組み合わせで安定的な信号伝送を実現することのできるバスシステムを得ることを目的とする。

この発明に係るバスシステムは、主配線にそれぞれ分岐配線を介して複数の送受信デバイスが接続され、主配線の両端で終端されるバスシステムにおいて、主配線の特性インピーダンスが中央で最も低く、両端に行くに従って高く設定されると共に、特性インピーダンスが分岐配線の接続される位置で変化するよう構成され、かつ、特性インピーダンスが中央を中心として一方の端部までと他方の端部までとが対称であり、複数の送受信デバイスそれぞれの受信状態における入力インピーダンスが、送受信デバイスの分岐配線が接続されている位置の端部側の主配線の特性インピーダンスより高く構成されるようにしたものである。

この発明のバスシステムは、主配線の特性インピーダンスが中央で最も低く、両端に行くに従って高く設定され、かつ、左右対称であり、また、分岐配線の接続される位置で特性インピーダンスが変化するよう構成され、さらに、複数の送受信デバイスそれぞれの受信状態における入力インピーダンスが、端部側の主配線の特性インピーダンスより高くなるようにしたので、全ての送信／受信の組み合わせで安定的な信号伝送を実現することができる。

この発明の実施の形態１によるバスシステムを示す構成図である。比較例としてのバスシステムを示す構成図である。この発明の実施の形態１によるバスシステムの主配線上の位置と特性インピーダンスとの関係を示す説明図である。比較例の信号の流れを示す説明図である。この発明の実施の形態１によるバスシステムの信号の流れを示す説明図である。この発明の実施の形態１によるバスシステムの誘電体の厚みや配置により特性インピーダンスの調整を行う場合の説明図である。この発明の実施の形態１によるバスシステムの終端抵抗ありと終端抵抗なしを示す構成図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるバスシステムを示す構成図であるが、この説明に先立ち、比較例として、主配線の特性インピーダンスが一定であるバスシステムについて説明する。
図２は、このような均一な特性インピーダンスを有するバスシステムを示している。図２において、主配線１０は均一な特性インピーダンスを有し、それぞれ分岐配線２ａ〜２ｆを介して複数の送受信デバイス４ａ〜４ｆが接続されている。また、主配線１０の両端は終端抵抗３ａ，３ｂを介して終端されている。

主配線１０から分岐配線２ａ〜２ｆを見込む入力インピーダンスが有限の場合、信号が分岐に入るため、信号伝搬に伴い、主配線１０上の信号が小さくなっていく。このため主配線１０の端に近いデバイスでは、受信信号が小さくなりマージンが減少する。この様子を図４に示す。このため、バス上に多数ある接続部で発生した反射波が重畳した場合に通信不能になる。

これに対し、実施の形態１では、分岐配線２ａ〜２ｆを介して主配線１に複数の送受信デバイス４ａ〜４ｆが接続され、主配線１の両端で終端されるバス構成において、主配線１の配線幅が、中央で最も広く、両端になるに従って狭くなっていき、その結果、主配線１の特性インピーダンスが、中央で最も低く両端に近くなるに従い高くなっていくことになる。さらに、その特性インピーダンスの変化がそれぞれの端部に近いほど大きく、また、送受信デバイス４ａ〜４ｆの受信状態における入力インピーダンスが、主配線１の特性インピーダンスより高く、かつ、主配線１の特性インピーダンスは左右対称であり、さらに、主配線１の特性インピーダンスは分岐配線２ａ〜２ｆとの接続部分でのみ変化するよう構成されている。以下、図１を参照して実施の形態１のバスシステムについて詳細に説明する。

図１において、主配線１は、線路１ａ〜１ｇで構成され、これらは直列に接続されている。主配線１の両端（線路１ａと線路１ｇの端部）は、終端抵抗３ａおよび３ｂが接続され、終端されている。線路１ａ〜１ｇのそれぞれ隣り合う線路との境界位置から、分岐配線２ａ〜２ｆを経由して、信号の送受信機能を持つ送受信デバイス４ａ〜４ｆが接続されている。主配線１を構成する線路１ａ〜１ｇは、中央の線路１ｄの配線幅が最も広く、両端に近い線路ほど狭くなっている。また、主配線１は中央の線路１ｄを中心として左右の線路１ｄ〜１ａと線路１ｄ〜１ｇとで対称となるよう構成されている。この結果、主配線１上の特性インピーダンス分布は図３のようになっている。図３に示すように、主配線１の各線路１ａ〜１ｇの特性インピーダンスの変化量がそれぞれの端部に行くほど大きくなっている。また、それぞれの送受信デバイス４ａ〜４ｆは、その入力インピーダンスが、送受信デバイス４ａ〜４ｆの分岐配線２ａ〜２ｆが接続されている位置の端部側の主配線１の特性インピーダンスより高く構成されている。例えば、送受信デバイス４ａの入力インピーダンスが線路１ａの特性インピーダンスよりも高くなるよう設定されている。

次に、このように構成されたバスシステムの動作を図２のバスシステムと比較して説明する。
先ず、図２に示す均一な特性インピーダンスを持ったバスシステムにおいて、左端に近いデバイスから信号が出力されたとし、右側の信号伝送に着目する。主配線１０から分岐配線２ａ〜２ｆを見込む入力インピーダンスが有限の場合、信号が分岐にさしかかる度に、図４の信号１０ａ〜１０ｃのように信号が分岐に入るため、信号伝搬に伴い、主配線１０上の信号が小さくなっていく。このため、主配線１０の端に近いデバイスでは、受信信号が小さくなる。図４の信号１０ａ〜１０ｃでは、信号１０ｃが最も大きく、端に近い信号１０ａが最も小さくなり、受信信号に不均衡が生じる。このため受信信号が小さくなる端に近い送受信デバイスではマージンが減少する。その結果、バス上に多数ある接続部で発生した反射波が重畳した場合に通信不能になる。

これに対し、実施の形態１のバスシステムは、主配線１が図３に示すような特性インピーダンス分布となっている。主配線１の特性インピーダンス変化が大きいほど、変化部における主配線１上の信号伝送が阻害され、信号が分岐配線２ａ〜２ｆに入る信号の割合も大きくなる。実施の形態１のバスシステムでは、主配線１上の信号が小さくなる端に近い部分であるほど特性インピーダンスを高くすると共に、送受信デバイス４ａ〜４ｆの入力インピーダンスが分岐配線２ａ〜２ｆの位置より端部側の線路１ａ〜１ｇよりも高くなるよう構成し、伝送信号に対する分岐配線２ａ〜２ｆへ入る信号の割合が大きくなるようにしているため、図５の信号１１ａ〜１１ｃのように、各送受信デバイス４ａ〜４ｆの受信信号が平均化される。以上の動作により、図２に示すようなバスシステムでは最も信号が小さくなってしまう主配線１０の端部に近いデバイスの信号振幅を、実施の形態１のバスシステムでは改善することができる。また、特性インピーダンス分布を対称としているので、この改善効果は送信位置によらず双方向で得られる。以上により、実施の形態１のバスシステムでは、図２のバスシステムと比較して、全ての送信／受信の組み合わせで安定的な信号伝送を実現できる。

なお、以上の説明では、送受信デバイス４ａ〜４ｆの数を６個としたが、これ以外のデバイス数でも同様であるのは言うまでもない。
また、上記例では、主配線１における配線幅で特性インピーダンスの調整を行っているが、これ以外の調整手段、例えば誘電体の厚みの変化や、線路近傍に高誘電体材料を配置するといった方法でも実現できる。

図６は、誘電体の厚みや配置により特性インピーダンスの調整を行う場合の説明図である。
図示例は基板表面の配線（マイクロストリップ線路）の例であり、基材１００の表面に主配線１に相当する信号導体１０１が設けられ、裏面側にはグランド導体１０２が設けられている。このような構成で、基本的には、信号の電気力線が誘電体の高い領域に侵入するほど特性インピーダンスが低下する。従って、基板表面配線の場合は、基板表面に誘電体１０３を配置することで、信号の電気力線が誘電体１０３内に侵入し、特性インピーダンスが低下すると期待できる。特性インピーダンスの調整法としては、図中の矢印Ａに示すように、信号導体１０１と誘電体１０３との距離に基づく方法や、矢印Ｂに示すように誘電体１０３の量（信号導体１０１上の誘電体１０３の厚み）による方法がある。矢印Ａに示す方法の場合は信号導体１０１と誘電体１０３との距離が近いほど特性インピーダンスが低下する。また、矢印Ｂに示す方法の場合は誘電体１０３の量が多い（誘電体１０３の厚みが大きい）ほど特性インピーダンスが低下する。

また、上記例では、主配線１の線路１ａ〜１ｇの物理的な形状が対称であるとしたが、主配線１における特性インピーダンスの分布が対称であれば上記の効果は得られるので、この条件が満たされるのであれば、物理的に対称である事は必須ではない。

また、上記例では、プリント基板配線を念頭に説明したが、主配線１や分岐配線２ａ〜２ｆがケーブルで構成されたバスシステム、あるいは分岐配線２ａ〜２ｆの一部がコネクタ等の部品であっても、上記の効果は得られる。

また、上記例では、主配線１の両端に終端抵抗３ａ，３ｂがある構成で説明したが、主配線の両端に分岐配線２ａ，２ｆを接続することで、主配線１の両端を終端抵抗３ａ，３ｂを用いずに終端することもできる。
図７は、終端抵抗ありと終端抵抗なしを示す説明図であり、（ａ）が終端抵抗あり、（ｂ）が終端抵抗無しを示している。（ａ）に示す状態は、図１の状態であり、（ｂ）に示す終端抵抗なしの場合は、主配線１の一方の端部の線路である線路１ｂの端部に分岐配線２ａを接続したものである。この場合、送受信デバイス４ａが主線路端となるので、送受信デバイス４ａの入力インピーダンスが、不完全ながらも終端として機能（主線路端の反射低減）するため、（ａ）に示す終端抵抗３ａを無しとすることができる。また、このように構成した場合は、線路１ｂが主配線１の端部となるため、分岐配線２ｂに接続されている送受信デバイス４ｂより中央側の送受信デバイスの入力インピーダンスが、それより端部側の主配線１の特性インピーダンスより高く構成されることになる。このように、主配線１の両端を終端抵抗３ａ，３ｂなしに終端した場合は、部品数削減という利点が得られる。

以上説明したように、実施の形態１のバスシステムによれば、主配線にそれぞれ分岐配線を介して複数の送受信デバイスが接続され、主配線の両端で終端されるバスシステムにおいて、主配線の特性インピーダンスが中央で最も低く、両端に行くに従って高く設定されると共に、特性インピーダンスが分岐配線の接続される位置で変化するよう構成され、かつ、特性インピーダンスが中央を中心として一方の端部までと他方の端部までとが対称であり、送受信デバイスの受信状態における入力インピーダンスが、送受信デバイスの分岐配線が接続されている位置の端部側の主配線の特性インピーダンスより高く構成されるようにしたので、全ての送信／受信の組み合わせで安定的な信号伝送を実現することができる。

また、実施の形態１のバスシステムによれば、主配線の特性インピーダンスの変化量は端部に近いほど大きいようにしたので、より効率的な信号伝送を実現することができる。

また、実施の形態１のバスシステムによれば、主配線の線路幅を変化させることで、主配線の特性インピーダンスを変化させるようにしたので、簡単な構成で安定的な信号伝送を実現することができる。

また、実施の形態１のバスシステムによれば、主配線の誘電体厚みを変化させることで、主配線の特性インピーダンスを変化させるようにしたので、簡単な構成で安定的な信号伝送を実現することができる。

また、実施の形態１のバスシステムによれば、主配線に近接して設置した誘電体の配置により、主配線の特性インピーダンスを変化させるようにしたので、簡単な構成で安定的な信号伝送を実現することができる。

また、実施の形態１のバスシステムによれば、複数の分岐配線として少なくとも一つのコネクタを含むようにしたので、分岐配線としてコネクタを用いたバスシステムについても全ての送信／受信の組み合わせで安定的な信号伝送を実現することができる。

また、実施の形態１のバスシステムによれば、主配線をケーブルとしたので、主配線としてケーブルを用いたバスシステムについても全ての送信／受信の組み合わせで安定的な信号伝送を実現することができる。

また、実施の形態１のバスシステムによれば、分岐配線をケーブルとしたので、分岐配線としてケーブルを用いたバスシステムについても全ての送信／受信の組み合わせで安定的な信号伝送を実現することができる。

また、実施の形態１のバスシステムによれば、主配線の両端を終端する終端抵抗に代えて、主配線の両端に分岐配線を接続すると共に、送受信デバイスの受信状態における入力インピーダンスが、送受信デバイスの分岐配線が接続されている位置より端部側の主配線の特性インピーダンスより高くなるよう構成するのを、両端の主配線の特性インピーダンスが変化している位置に接続された分岐配線から中央側としたので、バスシステムとしての部品数を削減することができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１主配線、１ａ〜１ｇ線路、２ａ〜２ｆ分岐配線、３ａ，３ｂ終端抵抗、４ａ〜４ｆ送受信デバイス、１１ａ〜１１ｃ信号、１００基材、１０１信号導体、１０２グランド導体、１０３誘電体。

Claims

主配線にそれぞれ分岐配線を介して複数の送受信デバイスが接続され、前記主配線の両端で終端されるバスシステムにおいて、
前記主配線の特性インピーダンスが中央で最も低く、両端に行くに従って高く設定されると共に、当該特性インピーダンスが前記分岐配線の接続される位置で変化するよう構成され、かつ、前記特性インピーダンスが中央を中心として一方の端部までと他方の端部までとが対称であり、
前記複数の送受信デバイスそれぞれの受信状態における入力インピーダンスが、当該送受信デバイスの分岐配線が接続されている位置の端部側の主配線の特性インピーダンスより高く構成されたことを特徴とするバスシステム。
前記主配線の特性インピーダンスの変化量は端部に近いほど大きいことを特徴とする請求項１記載のバスシステム。
前記主配線の線路幅を変化させることで、当該主配線の特性インピーダンスを変化させることを特徴とする請求項１または請求項２記載のバスシステム。
前記主配線の誘電体厚みを変化させることで、当該主配線の特性インピーダンスを変化させることを特徴とする請求項１または請求項２記載のバスシステム。
前記主配線に近接して設置した誘電体の配置により、当該主配線の特性インピーダンスを変化させることを特徴とする請求項１または請求項２記載のバスシステム。
複数の前記分岐配線として少なくとも一つのコネクタを含むことを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載のバスシステム。
前記主配線がケーブルであることを特徴とする請求項１から請求項６のうちのいずれか１項記載のバスシステム。
前記分岐配線がケーブルであることを特徴とする請求項１から請求項７のうちのいずれか１項記載のバスシステム。
前記主配線の両端を終端する終端抵抗に代えて、前記主配線の両端に分岐配線を接続すると共に、当該主配線の両端の分岐配線が接続されている位置より中央側の分岐配線に接続された送受信デバイスの受信状態における入力インピーダンスが、当該送受信デバイスの分岐配線が接続されている位置より端部側の主配線の特性インピーダンスより高く構成されたことを特徴とする請求項１から請求項８のうちのいずれか１項記載のバスシステム。