(57)【要約】【課題】差動信号線路のインピーダンスを最適に制御するためのプリント配線基板のパターン構成を提供する。【解決手段】一定の電位に保持されるラインに接続されたパターン２を差動信号を伝送するための２本の信号パターン１間に配置する。【選択図】　　　　図１
2004006789.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
差動信号を伝送するための２本の信号パターンが実装されるプリント配線基板であって、一定の電位に保持されるラインに接続されたパターンを、前記２本の信号パターンの間に配置することを特徴とするプリント配線基板。
【請求項２】
請求項１記載のプリント配線基板において、前記２本の信号パターンそれぞれの外側の少なくとも一方には、一定の電位に保持されるラインに接続されるパターンを配置することを特徴とするプリント配線基板。
【請求項３】
請求項１又は２記載のプリント配線基板において、前記一定の電位に保持されるラインはＧＮＤであることを特徴とするプリント配線基板。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一つに記載のプリント配線基板において、裏面にはＧＮＤの層が形成されていることを特徴とするプリント配線基板。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一つの記載のプリント配線基板において、前記２本の信号パターンはＵＳＢコネクタに接続されていることを特徴とするプリント配線基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、差動信号線路のインピーダンスを最適に制御するためのプリント配線基板のパターン構成、形状に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＵＳＢ、ＩＥＥＥ１３９４等のインタフェイスやＬＶＤＳといった差動信号を用いた回路基板上のパターンにおいては、図２に示すように２本の信号パターンを等間隔に略平行に配置している。その略平行に配置したパターンのインピーダンスは、規定値内に一定に保つ必要があり、回路基板上にある他のパターンなどがインピーダンスに影響を与えないように配慮しなければならない。そこで従来は略平行に配置したパターンの間には配線は行わない、または略平行に配置したパターン外周から離れた位置に他のパターンを設けるなどの構成を採っていた。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−２４２０７８号公報
【特許文献２】
特開平９−４６００６号公報
【特許文献３】
特開２００１−７４５８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
プリント配線基板のパターン上の信号周波数が１０ＭＨｚを超えると、信号の伝送を表現するためには分布定数の取り扱いをする。分布定数では、単位長さあたりの抵抗Ｒ、インダクタンスＬ、キャパシタンスＣ、コンダクタンスＧで等価的に書き表し、パターンを伝送線路として特徴づける量として特性インピーダンスと呼び次式であらわされる。
【０００５】
【数１】
2004006789.tif 000003
数１で、抵抗Ｒ＝０、コンダクタンスＧ＝０のとき、線路は無損失であると言い、信号線の特性インピーダンスは次式で与えられる。
【０００６】
【数２】（この時のＣ及びＬは単位長さの値である。）
2004006789.tif 000004
プリンタ配線基板のマイクロストリップライン構造の特性インピーダンスは、近似的に図４で示す計算式
【０００７】
【数３】
2004006789.tif 000005
であらわされ、誘電体の比誘電率（εｒ）、誘電体の厚み（ｈ）とパターン幅（Ｗ）で計算される。
【０００８】
差動インピーダンスは２本のペア線に互いに位相の反転した差動信号でドライブされたときのインピーダンスを表し、図５で示すように、特性インピーダンスＺ０の２倍に２本の平行パターン間の相互結合容量で計算される。さらに、図６で示すような、信号パターン１の間および外側にパターン２があると、その間の相互結合容量の影響を受けることがわかる。
【０００９】
図４、図５の特性インピーダンスＺ０と差動インピーダンスＺｄｉｆｆの計算式から、パターン幅Ｗが狭くなるとインピーダンスは高くなり、パターンの間隔Ｇが狭くなるとインピーダンスは低くなることがわかる。
【００１０】
ＵＳＢ２．０の規格では特性インピーダンス４５Ω±１０％、差動インピーダンス９０Ω±１０％と定められており、その値を確保するためには、４層基板で絶縁層厚ｈ＝０．２ｍｍの基板ではパターン幅０．３ｍｍ、パターン間隔０．５ｍｍ程度で製造可能である。しかし、２層基板では、板厚ｈ＝１．６ｍｍの場合はパターン幅３ｍｍ、パターン間隔３０ｍｍ以上となり、基板のパターン面積が大幅に必要になるため基板サイズが大きくなってしまい、他の部品の実装密度を増やすにはコストが高い４層以上の基板を使用せざるを得なかった。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
課題を解決するために請求項１記載のプリント配線基板は、差動信号を伝送するための２本の信号パターンが実装されるプリント配線基板であって、一定の電位に保持されるラインに接続されたパターンを、前記２本の信号パターンの間に配置することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１、図３はそれぞれ同一基板上にインピーダンス測定用に設けられたパターン（以下テストクーポンと呼ぶ）を示し、実際の基板内のＩＣ−コネクタ間の信号パターンの構成、形状寸法と全く同じに作成されている。テストクーポンは両端に測定用のプローブを接触させるパッド３と略平行に配置した２本の信号パターン１とからなる。本実施形態では略平行に配置した２本の信号パターン１はＵＳＢコネクタに接続されており、ＵＳＢにおいてデータ送受信を行う２つの信号ラインとして機能する。そして、２つの信号ラインには互いに位相の反転した信号、つまり差動信号が伝送されるようになっている。
【００１３】
図１、図３のどちらに構成においても２本の信号パターン１が略平行に配置される基板の面と同一面上にＧＮＤ２のラインを設けている。図１では略平行に配置した２本の信号パターン１の間にＧＮＤ２のラインを設け、図３ではさらに略平行に配置した２本の信号パターン１それぞれの外側にもＧＮＤ２のラインを設けている。尚、図３に示すＧＮＤ２にはバイヤホール４が形成されている。バイヤホール４は、例えば図６に示す基板の裏面に形成されるＧＮＤ２の層に接続される。
【００１４】
特性インピーダンスおよび差動インピーダンスは、パターン幅Ｗが狭くなると高くなり、パターンの間隔Ｇが狭くなるほど低くなる性質をもっている。上記のように構成することで、基板上の信号パターン幅Ｗおよび信号パターン間隔Ｇ、トータルでのパターンの面積を狭くしつつ、任意の特性インピーダンスおよび差動インピーダンスを得ることができる。
【００１５】
そして、図５と図６に示す、２本の信号パターン１の間に、ＧＮＤ２のラインを設けない場合と設けた場合について、同じ材質の基板を使って、ＵＳＢ２．０の規格（特性インピーダンス４５Ω±１０％、差動インピーダンス９０Ω±１０％の値）を確保するための比較を行った。尚、板厚は、共にｈ＝１．６ｍｍとした。
【００１６】
図６に示す構成では、各パターン幅Ｗ＝１．４ｍｍ、各パターン間隔Ｇ＝０．１５ｍｍ、２本の信号パターン１間のＧＮＤ２の幅を１ｍｍ、及び、２本の信号パターン１それぞれ外側にあるＧＮＤ２の幅は０．１５ｍｍとなった。その結果、一方の信号パターン１の外側にあるＧＮＤ２の外端から他方の信号パターン１の外側にあるＧＮＤ２の外端まで間隔は、４．７ｍｍ（＝１．４×２＋１．０＋０．１５×２＋０．１５×４）となった。
【００１７】
これに対して、図５に示す構成では、パターン幅Ｗ＝３．４ｍｍ、パターン間隔Ｇ＝７．０ｍｍとなった。その結果、一方の信号パターン１の外端から他方の信号パターン１の外端までの間隔は、１３．８ｍｍ（＝３．４×２＋７．０）となる。
【００１８】
つまり、ＵＳＢ２．０の規格を確保する場合、図６に示す２本の信号パターン１の間にＧＮＤ２のラインを設けた本実施形態のほうが、基板上でのパターンの面積を狭くできる。
【００１９】
本実施形態では、略平行に配置した２本の信号パターン１はＵＳＢコネクタの差動信号を入出力するデータラインであったが、本実施例の構成をＩＥＥＥ１３９４、ＬＶＤＳと言った他の差動信号を有する回路基板上のパターン構成に用いても良い。
【００２０】
また本実施形態では２本の信号パターン１の間に、また、略平行に配置した２本の信号パターン１それぞれの外側にＧＮＤ２を設けたが、一定の電位に保持されるラインであれば良く、例えばＤＣ電源に接続されたパターンでも良い。さらに、外側のＧＮＤ２は、一定幅のラインでなくても例えばベタ面形状でも良い。
【００２１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によればプリント配線基板の差動信号パターンのインピーダンスの制御に際して、信号パターン間にＧＮＤあるいは電源パターンを配置してインピーダンスを制御することで２層基板やＧＮＤ層あるいは電源層と信号層の厚い多層基板や、比誘電率の低い基板でも実用的なトータル幅のインピーダンス制御したパターン設計が可能である。
【００２２】
これにより、従来技術ではコスト高な多層基板を用いていたが、２層基板のようなコストの安い基板でも基板面積が少ないパターンで、望ましいインピーダンス制御が行える、柔軟性のあるインピーダンス制御方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づいて構成される信号パターンの形状を示す図。
【図２】従来の構成に基づいて構成される信号パターンの形状を示す図。
【図３】本発明に基づいて構成される信号パターンの形状を示す図。
【図４】特性インピーダンスの計算式と基板の断面形状を示す図。
【図５】特性インピーダンスの計算式と基板の断面形状を示す図。
【図６】特性インピーダンスの計算式と基板の断面形状を示す図。
【符号の説明】
１　信号パターン
２　ＧＮＤあるいは電源パターン
３　プローブパッド
４　バイヤホール
【図１】
2004006789.tif 000006
【図２】
2004006789.tif 000007
【図３】
2004006789.tif 000008
【図４】
2004006789.tif 000009
【図５】
2004006789.tif 000010
【図６】
2004006789.tif 000011