JPH07176917A

JPH07176917A - 高周波信号伝送線路

Info

Publication number: JPH07176917A
Application number: JP31788593A
Authority: JP
Inventors: Mutsumi Hosoya; 睦細谷; Korehiro Oka; 維禮丘; Hiroshi Okabe; 寛岡部
Original assignee: Hitachi Ltd; Research Development Corp of Japan
Current assignee: Hitachi Ltd; Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1993-12-17
Filing date: 1993-12-17
Publication date: 1995-07-14

Abstract

(57)【要約】【目的】厳密なインピーダンス整合を要せず、容易かつ
良好な伝送ができる高周波信号伝送線路を得る。【構成】交流信号の伝送線路１の両端に、外部と接続す
る容量結合手段２、３を有し、伝送線路の電気長を波長
のｎ／２倍（ｎは自然数）にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超高速回路の入出力信
号やクロック信号等を伝送するための信号伝送線路に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】超高速データ処理や高速広帯域デジタル
通信等の分野において、その性能向上のためには、クロ
ック周波数をあげて単位時間あたりの処理能力を高める
ことが必要である。上記クロック周波数をあげるために
はデバイス自体の高速化が必要なのはいうまでもない
が、それ以外にもさまざまな課題が存在する。その中で
も特に重要なのが高周波信号の伝送線路である。

【０００３】一般に高周波信号の伝送において、信号は
伝送線路と呼ばれる電磁気的な道筋の中を伝わる。上記
伝送線路は取り扱う信号の波長などによりさまざまなも
のが使われ、（同軸）ケーブルであったり、基板上のス
トリップ線路であったり、あるいは無線通信の場合には
大気であったりする。実際の信号伝送では、これらのう
ちいくつかの伝送線路を接続して行うことが多い。伝送
線路の接続には、同軸コネクタや、ボンディングワイヤ
を用いる方法から、伝送線路間を近接させるだけで容量
性結合により接続する方法などがある。一様な伝送線路
では特性インピーダンスが一定で、信号はその中をスム
ーズに伝送することができるが、複数の伝送線路を接続
する場合には、特性インピーダンスが変化して反射が生
じる。特にクロック周波数が高くなると、その中で取り
扱われる信号周波数も上昇して信号波長が短くなり、僅
かな伝送線路の変化が伝送特性に大きな影響を及ぼすよ
うになる。したがって、高周波伝送線路においては、複
数の伝送線路の結合部におけるその特性インピーダンス
を整合することが、非常に重要になるわけである。

【０００４】上記特性インピーダンスの整合方法は、
（１）不整合部分に適当な回路素子（スタブ）を付加す
る方法、（２）接合部にその長さと特性インピーダンス
の値が適当な伝送線路を挿入する方法、（３）特性イン
ピーダンスを連続的に変化させてその差を吸収する方
法、などいくつかの方法が知られているが、ここでは省
略する。

【０００５】インピーダンス整合を行わずに伝送線路を
接続すると、インピーダンスミスマッチの個所で反射が
生じ、定在波を発生する。上記定在波は伝送線路を通過
する進行波と上記ミスマッチで反射してくる反射波との
干渉によって発生する。定在波上では信号振幅がその信
号波形の波長を周期に変動する。その変動の様子を図５
に示した。例えば、端が短絡（インピーダンスが０）さ
れた伝送線路では、（ａ）に示すようにミスマッチの個
所（短絡個所）から（ｎ−１）λ／２離れた所で電圧変
動が最小の電圧節となり、（２ｎ−１）λ／４離れた所
で電圧変動が最大の電圧腹になる。ここで、ｎは自然
数、λは伝送波形の波長、である。また、電流値変動が
最大になるのは電圧変動最小の電圧節の個所で、電流値
変動が最小になる電流節は電圧変動最大の個所である。
また、端が開放（インピーダンスが無限大）された伝送
線路では、（ｂ）に示すように定在波の位置がλ／４だ
けずれる。

【０００６】伝送線路の接続において線路端を開放／短
絡することはまれで、実際には有限のインピーダンスを
持った結合手段により接続が行われる。その結合部は、
ボンディングワイヤのような誘導性結合と、キャパシタ
ンスによる容量性結合とに分けることができる。高周波
領域においては、誘導性結合は高インピーダンスである
が、容量性結合は低インピーダンスになる。したがっ
て、両者の高周波領域における定在波の位置などに対す
る作用は、結合部である線路端を開放／短絡したときの
特性と同等である。インピーダンスミスマッチの影響が
最も顕著に現われる例は、チップ内の伝送線路とセラミ
ック基板上の伝送線路との結合部である。通常、チップ
内で処理された信号は、チップ内の伝送線路を通じてチ
ップ周辺のパッドに引き出され、そこで別の伝送線路
（例えば、セラミック基板上に作製された伝送線路）に
結合される。両者の結合手段として最も一般的な方法
は、ボンディングワイヤによる結合である。このとき、
上記ボンディングワイヤの部分で伝送線路の特性が変化
している。ボンディングワイヤの部分はその前後の伝送
線路の部分よりインピーダンスが高く、誘導的性質を示
す。したがって、高周波信号が上記ボンディングワイヤ
を通過する際に、ボンディングワイヤのインダクタンス
によって電位変動を生じることになる。回路の正常動作
のためには、チップ内におけるグランド電位の変動をで
きるだけ抑えることが重要である。そのため、上記ボン
ディングワイヤ部のインピーダンス整合をいかにして行
うかが重要な課題になっていた。

【０００７】信号の周波数が低く波長が長い場合には結
合部の影響が余り問題にならず、結合部を無視してその
前後の伝送線路間のインピーダンス整合を行うだけで良
好な伝送を行うことができた。しかし、伝送速度が高速
で伝送波形の波長が短い場合には、上記結合部の影響は
無視できない。このような場合従来技術では、（１）結
合部の物理的寸法を十分小さくすることにより、その部
分の影響を減らすか、（２）結合部自体を１つの伝送線
路として扱い、そのインピーダンス整合をとる、などの
方法が試みられていた。実際、チップ周辺の接続ではボ
ンディングワイヤのインダクタンスを減らすために、チ
ップ内パッドを基板上の伝送線路に直接半田付けする方
法（ＣＣＢ、フリップチップボンディング等という）
や、ボンディングワイヤの前後にコンデンサを付加し
て、インピーダンスを下げる方法などが行われている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記方法
は、精密な加工や取付けのための特殊な設備や技術を必
要とする。このことは伝送線路の結合に大きな制約を与
え、システムの柔軟性を阻害する。また、従来の方法で
は十分に精密な整合を行おうとしても、現実にはある程
度のインピーダンス不整合が避けられず、特性が劣化す
るのを避けられなかった。

【０００９】本発明は、上記従来技術の欠点を解消し、
厳密なインピーダンス整合を必要とせずに、容易かつ良
好な伝送を可能にする高周波信号伝送線路を得ることを
目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的は、交流信号の
伝送線路であって、上記伝送線路の両端に外部との接続
のための容量性結合手段または誘導性結合手段を有し、
上記伝送線路の電気長を伝送波形の波長のｎ／２倍（ｎ
は自然数）とすることによって達せられる。また、交流
信号の伝送線路であって、上記伝送線路の一端に誘導性
結合手段を有し、他端に容量性結合手段を有し、上記伝
送線路の電気長を伝送波形の波長の（２ｎ−１）／４倍
（ｎは自然数）とすることによって達せられる。

【００１１】また、上記伝送線路の一部を、ストリップ
線路または同軸線路または導波管路で構成することによ
り達成され、上記誘導性結合手段を、ボンディングワイ
ヤまたはフリップチップボンディングまたはボンディン
グリボンとその加工品または同軸コネクタまたは上記伝
送線路の一端を開放することにより達成され、さらに上
記容量性結合手段として、上記伝送線路の一端をショー
トすることによって達成される。

【００１２】さらにまた上記結合手段は、伝送線路の一
端に設けた負荷であり、または、１つの結合手段で３本
以上の伝送線路を接続することにより達成され、また、
上記伝送線路をツリー状に接続することによって達成で
きる。

【００１３】

【作用】本発明による高周波信号伝送線路では、結合部
の特性に応じて定在波の波長である電気長を調整し、伝
送線路の両端における定在波の影響が最小になるように
した。具体的には、両端がともに容量性結合または誘導
性結合を備えた伝送線路では、その電気長を伝送波形の
波長のｎ／２（ｎは自然数）とすることにより、伝送線
路の両端において定在波の電圧変動が最小となる電圧節
または電流変動が最小になる電流節となるようにした。
また容量性結合と誘導性結合とを両端にもつ伝送線路で
は、その電気長を伝送波形の波長の（２ｎ−１）／４倍
（ｎは自然数）とすることにより、誘導性結合部で定在
波の電流節、容量性結合部で定在波の電圧節となるよう
にした。図６は定在波における波長と電圧・電流の変動
および電圧節・電流節の関係を示す図である。図６
（ａ）は両端がともに容量性結合手段を備えた伝送線路
において、その電気長が伝送波形の波長λのｎ／２倍の
場合を示している。この場合、上記伝送線路内に発生す
る定在波の様子は、図に示すように上記伝送線路の両端
で電圧節の状態になる。なお、図におけるＬは電気長を
示す。図６（ｂ）は両端とも誘導性結合手段を備えた伝
送線路において、その電気長が伝送波形の波長のλのｎ
／２倍の場合を示している。この場合、上記伝送線路内
に発生する定在波の様子は、図に示すように上記伝送線
路の両端で電流節の状態になる。図６（ｃ）は一端に容
量性結合手段を備え他端に誘導性結合手段を備えた伝送
線路において、その電気長が伝送波形の波長λの（２ｎ
−１）／４倍である場合を示している。この場合、上記
伝送線路内に発生する定在波の様子は、図に示すように
容量性結合手段をもつ端では電圧節の状態になり誘導性
結合手段をもつ端では電流節の状態になる。

【００１４】上記のように本発明による高周波信号伝送
線路を用いれば、上記伝送線路の容量性結合部では定在
波の電圧変動が最小の電圧節の状態になり、誘導性結合
部では定在波の電流値変動が最小の電流節の状態にな
る。誘導性結合では電流変動に反応し、容量性結合では
電圧変動に反応して雑音が生じるため、上記のように結
合状態に応じて結合端をそれぞれ電圧節または電流節の
状態にすることにより、上記結合部で生じる雑音を抑制
し、信号の劣化や反射およびクロストークなどによる誤
動作を抑え、定在波による悪影響を低減することができ
る。

【００１５】

【実施例】つぎに本発明の実施例を図面とともに説明す
る。図１は本発明による高周波信号伝送線路の第１実施
例を示す図、図２は本発明の第２実施例を示す図、図３
は本発明の第３実施例を示す図、図４は本発明の第４実
施例を示す図である。

【００１６】第１実施例を示す図１において、チップ４
内の伝送線路であるマイクロストリップライン１には、
容量性結合である低インピーダンス負荷２、および誘導
性結合手段であるボンディングワイヤ３とが接続されて
いる。本実施例では伝送線路の一端が容量性結合であり
他端が誘導性結合であるため、伝送線路１の電気長Ｌは
伝送波形の波長λの１／４とした。したがって、図６
（ｃ）に示すように、伝送線路１には負荷２を電圧節と
しボンディングワイヤ３を電流節とする定在波を生じ
る。そのため、上記負荷２では電圧変動がなく、高イン
ピーダンスである上記ボンディングワイヤ３では電流変
動がなくなり、定在波による悪影響を受けることがな
い。

【００１７】本発明の第２実施例を示す図２において、
チップ４１内の例えばストリップラインからなる伝送線
路１１の一端は、上記チップ４１内で短絡２１により容
量性結合が行われている。また、上記伝送線路１１の他
端はフリップチップボンディング（ＣＣＢ）３１によっ
てセラミック基板４２上の共平面型導波管（コプレナー
ウェーブガイド）１２と誘導性結合がされている。伝送
線路１１の電気長Ｌは容量性結合と誘導性結合を有する
ため信号波長の１／４とした。このとき、上記伝送線路
１１の両端の結合部では、上記第１実施例と同様に定在
波の悪影響を抑制することができる。上記共平面型導波
管１２からなる伝送線路のチップ４１と反対側の接続端
は、別の伝送線路である同軸ケーブル１３に、誘導性結
合手段である同軸コネクタ３２によって結合されてい
る。上記共平面型導波管１２の両端における結合はとも
に誘電性結合であるため、その電気長Ｌは信号波長の１
／２に調節する。そのため、図６（ｂ）に示すように共
平面型導波管１２を伝送線路とする両端結合部３１、３
２ではともに定在波の電流節となり、結合部において定
在波が悪影響をおよぼすことはない。

【００１８】なお、結合手段としてボンディングリボン
またはボンディングリボンを加工したものを用いた場合
は、上記ボンディングワイヤと同様の効果を有し、伝送
線路の一端を開放した場合は、図２に示すチップ４１内
の短絡２１を除いた状態で誘導性結合となる。

【００１９】図３に示す第３実施例は、伝送線路１４の
一端が結合手段３４により別の伝送線路３本に接続され
た例を示す図であり、上記結合手段３４は誘導性結合手
段であって、上記伝送線路１４の他端には容量性結合手
段３３を有している。したがって、上記伝送線路１４の
電気長Ｌは波長の１／４倍に調整する。上記別の３本の
伝送線路１５は容量性結合手段３４により上記伝送線路
１４に接続され、他端はそれぞれ誘導性結合である高イ
ンピーダンス負荷２２に接続されている。したがって、
上記高インピーダンス負荷２２に接続された伝送線路１
５の電気長Ｌは波長の１／２倍に調整する。このように
することにより、上記結合部３３および３４によって定
在波による悪影響を生じることはない。

【００２０】図４に示す第４実施例は、伝送線路１６の
一端が結合手段３６により２本の伝送線路１７に接続さ
れ、上記２本の伝送線路１７はそれぞれ結合手段３７を
用いてさらに２本ずつの伝送線路１８に接続されること
により、全体としてツリー状の接続が行われている。上
記それぞれの伝送線路１６、１７、１８における両端部
の結合の性質によって、各伝送線路の電気長をそれぞれ
調整することにより、上記各結合部による悪影響を回避
しながら良好な信号伝送を行うことができる。

【００２１】

【発明の効果】上記のように本発明による高周波信号伝
送線路は、交流信号の伝送線路であって、上記伝送線路
の両端に外部との接続のための容量性結合手段または誘
導性結合手段を有し、上記伝送線路の電気長を伝送波形
の波長のｎ／２倍（ｎは自然数）とし、あるいは上記伝
送線路の一端に誘導性結合手段を、他端に容量性結合手
段を有し、上記伝送線路の電気長を伝送波形の波長の
（２ｎ−１）／４倍とすることにより、インピーダンス
不整合が存在する複数の伝送線路間でも、信号の劣化や
反射およびクロストークなどによる誤動作を最小限に抑
えて、信号を伝送することができる。そのため、超高速
データ処理などの高速広帯域データ伝送が必要な分野に
おいて、本発明が寄与する効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による高周波信号伝送線路の第１実施例
を示す図である。

【図２】本発明の第２実施例を示す図である。

【図３】本発明の第３実施例を示す図である。

【図４】本発明の第４実施例を示す図である。

【図５】定在波を説明する図である。

【図６】本発明の伝送線路の原理を説明する図である。

【符号の説明】

１、１１、１４、１５、１６、１７、１８伝送線路２、２２負荷３ボンディングワイヤ１２導波管路１３同軸線路３１フリップチップボンディング３２同軸コネクタ３３容量性結合手段３４誘導性結合手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岡部寛東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】交流信号の伝送線路であって、上記伝送線
路の両端に外部との接続のための容量性結合手段を有
し、上記伝送線路の電気長を伝送波形の波長のｎ／２倍
（ｎは自然数）とする高周波信号伝送線路。
【請求項２】交流信号の伝送線路であって、上記伝送線
路の両端に外部との接続のための誘導性結合手段を有
し、上記伝送線路の電気長を伝送波形の波長のｎ／２倍
（ｎは自然数）とする高周波信号伝送線路。
【請求項３】交流信号の伝送線路であって、上記伝送線
路の一端に誘導性結合手段を有し、他端に容量性結合手
段を有し、上記伝送線路の電気長を伝送波形の波長の
（２ｎ−１）／４倍（ｎは自然数）とする高周波信号伝
送線路。
【請求項４】上記伝送線路は、一部をストリップ線路で
構成することを特徴とする請求項１から請求項３のいず
れかに記載した高周波信号伝送線路。
【請求項５】上記伝送線路は、一部を同軸線路で構成す
ることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに
記載した高周波信号伝送線路。
【請求項６】上記伝送線路は、一部を導波管路で構成す
ることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに
記載した高周波信号伝送線路。
【請求項７】上記誘導性結合手段は、ボンディングワイ
ヤを用いることを特徴とする請求項２または請求項３記
載の高周波信号伝送線路。
【請求項８】上記誘導性結合手段は、フリップチップボ
ンディング（ＣＣＢ）を用いることを特徴とする請求項
２または請求項３記載の高周波信号伝送線路。
【請求項９】上記誘導性結合手段は、ボンディングリボ
ンおよびボンディングリボンを加工したものを用いるこ
とを特徴とする請求項２または請求項３記載の高周波信
号伝送線路。
【請求項１０】上記誘導性結合手段は、同軸コネクタを
用いることを特徴とする請求項２または請求項３記載の
高周波信号伝送線路。
【請求項１１】上記誘導性結合手段は、上記伝送線路の
一端を開放することを特徴とする請求項２または請求項
３記載の高周波信号伝送線路。
【請求項１２】上記容量性結合手段は、上記伝送線路の
一端をショートすることを特徴とする請求項１または請
求項３記載の高周波信号伝送線路。
【請求項１３】上記結合手段は、上記伝送線路の一端に
負荷を設けることを特徴とする請求項１から請求項３の
いずれかに記載した高周波信号伝送線路。
【請求項１４】上記結合手段は、１つの結合手段で上記
伝送線路を３本以上接続することを特徴とする請求項１
から請求項３のいずれかに記載した高周波信号伝送線
路。
【請求項１５】上記結合手段は、上記伝送線路をツリー
状に接続することを特徴とする請求項１から請求項３の
いずれかに記載した高周波信号伝送線路。