JP2001267701A - プリント基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 パターンレイアウトを工夫することにより、
ノイズ対策に必要な専用部品を用いることなく、差動型
信号線やクロックラインが発生の原因であるノイズを低
減させ、開発工数を減らすことができるプリント基板を
提供する。 【解決手段】 差動型信号回路等を用い、差動で動作す
る信号線の配線パターンが形成されるプリント基板にお
いて、それぞれ対になる２本のパターンを平行に、且つ
お互いの直近にレイアウトする。また他の信号線は前記
差動信号線からなるべく離れた位置にレイアウトするの
が好ましい。さらに、多層基板を用い、差動信号線を電
源層に配置することにより不要輻射ノイズを抑圧し、ク
ロストークの発生を防止し、かつ、基板の一層の多層化
を避け、配線パターンの細線化を防ぐことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電子機器のプリント
基板に関し、特にノイズ対策部品等を用いることなく、
不要輻射ノイズを低減することができるパターンレイア
ウトを施したプリント基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のプリント基板で発生するノイズを
基板上のパターンを工夫することにより抑制する方法と
しては、ノイズ源になると思われる信号線を他の信号線
と隣接させてクロストーク等の現象を防止するために、
ノイズ源となる信号線を接地層と接続するパターンを用
いたり、もしくは電源層と接続しているパターンでノイ
ズ源信号線の両側をガードする方法（ガードアースと呼
ぶ）や、多層基板等の場合に各層間でベタ電源パターン
とベタ接地パターンが向き合うようにレイアウトした
り、表面にさらに銅ペースト等の処理を施し、ストレイ
キャパシティーを増加させる方法などがある。上記のよ
うにプリント基板上の配線パターンの構成を種々工夫し
てノイズ対策を行えば、ノイズ対策の為だけによけいな
部品を実装する必要が無くなり、コストアップを引き起
こすことがないため、対策手段としては最も好ましいも
のである。プリント基板上に形成する配線パターン構成
を種々工夫することによりノイズ対策を実現させた住リ
ア技術としては、特開平07-283580号公報に開示された
ものがあり、以下、これについて簡単に説明する。この
公報記載の技術ではプリント基板上に存在するストレイ
キャパシティがノイズ低減に有効であることに着目し、
信号パターンの廻りにより多くのストレイキャパシティ
を形成、配置することによりノイズの低減を図ってい
る。具体的には、多層板を想定し、絶縁層を間に挟み向
かい合う２枚の導電層をお互いに逆極性とし、導電層間
のキャパシタンスを増加せしめ、高周波ノイズを低減さ
せると共に、回路全体の電源部をモデル化し、形成した
ストレイキャパシティによりローパスフィルタを形成し
ていることを実証し、低周波ノイズにも有効な回路を実
現している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】電子機器の高性能化、
高付加価値化、低価格化によりそれを実現する電子回路
を搭載するプリント基板はより高速化、高密度化、低コ
スト化が図られるようになってきた。それに伴いプリン
ト基板のノイズ問題、基板の多層化や配線パターンをよ
り細くすることによるコストアップ等の問題が増えてい
る。ノイズ問題は不要輻射ノイズが回路動作の高速化に
伴うクロックラインの周波数アップにより惹起され、ま
た、クロストークによる回路の誤作動などは信号線の増
加によって信号線同士の距離がより短くなることにより
起こっている。どちらの問題についても、対策用として
専用の高価な部品が必要になったり、多くの評価工数が
必要となる。また問題を回避できない時はプリント基板
の再設計が必要となり莫大な費用がかかってしまうと共
に製品の納期の遅延を惹起する。さらに、プリント基板
の多層化は、配線パターンが増加する分を、層数を増や
して配線可能な範囲を増大する必要から生まれており、
多層化を避けようとすると同一層内の配線パターンを細
くする必要が生じ、コストアップにつながってしまう。
すなわち、通常、プリント基板の層を１段階増やすとコ
ストはおよそ１．５倍となり、またパターンの巾を１段
階細くした場合もコストはおよそ１．５倍となる。本発
明は、パターンレイアウトを工夫することにより、ノイ
ズ対策に必要な専用部品を用いることなく、差動型信号
線やクロックラインが発生の原因であるノイズを低減さ
せ、開発工数を減らすことができるプリント基板を提供
することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係るプリント基板の請求項１記載の発明は、
差動型信号回路等を用い、差動で動作する信号線の配線
パターンが形成されるプリント基板において、それぞれ
対になる２本のパターンを平行に、且つ直近の位置関係
となるようにレイアウトすることを特徴とする。請求項
２の発明は、差動型信号回路等を用い、差動で動作する
信号線の配線パターンが形成されるプリント基板におい
て、それぞれ対になる２本のパターンを平行に、且つ直
近の位置関係となるようにレイアウトし、他の信号線は
前記差動信号線から離れた位置にレイアウトすることを
特徴とする。請求項３の発明は、請求項１または２記載
のプリント基板において、前記プリント板は多層基板で
あり、前記差動信号線を電源層に配置することを特徴と
したプリント基板。請求項４の発明は、クロックにて動
作する電子回路が搭載されているプリント基板におい
て、基板上のクロックパターンの直近にそれを反転させ
た信号パターンを一ライン作り両パターンを並走させた
ことを特徴とする。請求項５の発明は、前記クロックパ
ターン及びそれを反転させた信号パターンと、他の信号
線とを、離れた場所にレイアウトしたことを特徴とする
請求項４記載のプリント基板。請求項６の発明は、前記
プリント基板を多層板とし、直近に並走させてレイアウ
トしたクロックパターン及びそれを反転させた信号線を
内層に並走させたことを特徴とする。

【０００５】

【作用】請求項１の記載のプリント基板では回路上の差
動で動作している２本の信号線の配線を平行に、且つお
互いの直近に配置し、お互いの信号線のエネルギーを相
殺し合うことにより不要輻射ノイズを低減することが可
能となる。請求項２の記載のプリント基板では回路上の
差動で動作している２本の信号線の配線を平行に、且つ
お互いの直近に配置し、他の信号線は差動信号線からな
るべく離れた位置にレイアウトすることにより、クロス
トークが発生することを防ぐことが可能となる。請求項
３の記載のプリント基板ではプリント基板の差動で動作
する信号線を電源層に平行に、且つお互いの直近に配置
することにより信号線を配置する層をより配線し易く多
層化、細線化を防ぐことが可能となる。請求項４記載の
プリント基板では不要輻射の要因となるクロックライン
に極性を反転させた信号線を平行に、且つお互いの直近
に配置し、クロックライン及び信号線のエネルギーを相
殺し合うことにより不要輻射ノイズを低減することが可
能となる。請求項５記載のプリント基板ではクロックラ
インと極性を反転させた信号線を平行に、且つお互いの
直近に配置し、他の信号線はクロックラインのペアから
なるべく離れた位置にレイアウトすることにより、クロ
ストークが発生する不具合を防ぐことが可能となる。請
求項６記載のプリント基板ではクロックラインと極性を
反転させた信号線を通常信号線を内層に、且つお互いの
直近にレイアウトすることにより信号線をレイアウトす
る層をより配線しやすく多層化、細線化を防ぐと共に、
ノイズ対策効果を高めることが可能となる。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、図面に示した実施形態に基
づき本発明に係るプリント基板の構成を詳細に説明す
る。なお、本発明の構成の説明に先だって、差動型の信
号線、電波輻射のメカニズム、クロストークのメカニズ
ムについて簡単に説明する。差動型信号とはコモン・モ
ードノイズの影響を避けるために使用される回路でお互
いの極性を反転させた信号を伝送し差電圧を信号とする
方式である。次に、電波輻射のメカニズムを図１及び図
２を用いて説明する。図１（ａ）〜図１（ｆ）はそれぞ
れ長さＬの信号線パターンに交流信号が流れている状態
の誘起電荷の状態を示し、図２は信号線の端から流れる
交流信号の電圧を時間を横軸にして示している。なお、
図２にタイミングを示す符号〜を示し、各タイミン
グは図１（ａ）〜図１（ｆ）とそれぞれ対応している。
まず、のタイミングでは信号線パターンに印加される
電圧は０Ｖなので信号線上に電荷は誘起されない。次に
の状態になると信号線の上側に正、下側に負の電圧が
かかるから図１（ｂ）に示した電荷が誘起される。この
誘起電圧によって図１（ｂ）の矢印で示すような電気力
線が形成される。さらにタイミングになると電圧は大
きくなり、電荷が誘起されて図１（ｃ）のような電気力
線ができる。タイミングでは電圧はタイミングと同
じになるが電気力線は図１（ｂ）と同じような状態とな
らず、図１（ｄ）のようになる。タイミングでは電圧
は０Ｖになるから誘起する電荷は無く、全ての電気力線
は信号線を離れてしまう。タイミングは電圧の大きさ
はタイミングと同じで極性のみが異なる。このため、
逆の極性において、同じプロセスで電気力線が浮遊して
いき、この電気力線が電磁波を引き起こし空間に広がっ
ていく。

【０００７】次にクロストークのメカニズムについて説
明する。導体に電流が流れると図３のような磁界が発生
する。この磁界が隣接する信号線に影響を及ぼしノイズ
を発生させてしまう現象をクロストークという。次に、
本発明に係るプリント基板のノイズ低減原理を図４及び
図５を用いて説明する。図４（ａ）は図１（ｃ）と同じ
状態にある信号線に電荷が発生したことを示している。
この時、差動信号線である図４（ｂ）は（ａ）の逆極性
の信号なので図のような電荷、電気力線となる。したが
って、回路上の差動で動作している２本の信号線を平行
に配線し、かつ、お互いの直近に配置することにより電
波輻射の原因となる電気力線を相殺することができる。
なお、２本の差動信号線を平行に配線し、かつ、お互い
の直近にレイアウトすると常に相殺し合う電力線が２本
の信号線の間にできるので他の信号線にクロストークを
発生させてしまう可能性が大きくなってしまう。この場
合、電界の強さは距離の２乗に反比例して強くなるの
で、クロストークの発生を抑えるためにも他の信号線は
なるべく離れた所にレイアウトした方が影響を受けにく
い。したがって、不要輻射ノイズを低減し、かつ、クロ
ストークを抑圧する構造としては、回路上で差動で動作
している２本の信号線を２本平行にレイアウトし、他の
信号線はこの２本平行にレイアウトされた差動信号線の
ペアからなるべく離れた位置にレイアウトするのが好ま
しい。次に、図５に示すような多層基板を想定する。同
図の場合は４層の基板を想定しており、通常このような
多層基板では信号線を配線する層と電源層とに分けてレ
イアウトするのが一般的である。同図では第１層と第４
層とを信号線をレイアウトする層とし、第２層を電源の
＋５Ｖ層、第３層をグランド層（接地層）とする。この
ように多層基板を用いた場合、２本の差動信号線を２
層、または３層の電源層にレイアウトすることにより信
号線を配置する層の混雑を緩和し、多層化、パターンの
細線化を防ぐことができる。また電源層に差動信号線を
レイアウトすることにより差動信号線に対するガードア
ース効果を得ることもできる。さらに電源層に差動信号
線をレイアウトすることにより基板の各層の間にできる
ストレイキャパシティによるノイズ低減効果も得ること
ができる。

【０００８】本発明の具体的な実施例として４層のプリ
ント基板において、コネクタを介して他のボードに送る
信号に差動型を用いている例を図６を用いて説明する。
図５に示した多層基板と同様に第１層目と第４層目には
信号線をレイアウトし、第２層目と第３層目には電源の
パターンをレイアウトしているものとする。同図におい
て１は差動型インターフェースＩＣ、２はコネクタ、３
は多層基板の第１層目に配線した場合の差動型信号線の
ペア、４は多層基板の第２層目に配線した場合の差動型
信号線のペア、５ａ及び５ｂはスルーホールである。コ
ネクタなどを介し他のボードなどに信号を送る等、信号
線にノイズが乗る要因が多い場合、データ線や高速で動
作する制御線等の重要な信号線はそれらの影響をなるべ
く受けないようにするため差動型の伝送方式をとること
がある。差動型信号は差動型インターフェースＩＣ１に
よって反転した出力を生成し、反転出力信号線と非反転
出力信号線とを対にして出力するようにしたものであ
る。差動型インターフェースＩＣ１の入出力信号の関係
は図６に示した通りであり、ＩＣ１の出力（正）は入力
信号と同じ位相であり、また出力（負）は入力信号と１
８０度位相が反転している。この差動型インターフェー
スＩＣ１の出力ピンからコネクタ２までの信号線パター
ンを平行かつお互いの直近にレイアウトする。このよう
にすることにより不要輻射ノイズを低減することが可能
となる。また差動信号線から他の信号線はなるべく離れ
た場所にレイアウトすれば、不要輻射ノイズを低減し、
かつクロストークの発生を抑えることも可能である。な
おさらに、作動型インターフェースＩＣ１から出力され
る差動型信号を当該ＩＣ１の出力直後にスルーホール５
ａにて２層、もしくは３層と接続させ、接続させた層に
て信号パターンを平行に、お互いの直近にレイアウト
し、コネクタ２の接続させるピンの直前で１層、もしく
は４層にスルーホール５ｂにて接続し、コネクタ２の出
力ピンに接続すれば、信号線の配線層を使用せず、信号
線配線層（第１層もしくは第４層）の混雑を緩和し、多
層化、パターンの細線化を抑えることも可能である。上
記実施形態は差動型信号の各信号線に起因する不要輻射
ノイズ及びクロストーク発生を防ぐため、一対の差動型
信号線を近接して配置したが、クロック信号線に用いて
も同様の効果を得ることができる。次に、クロック信号
線に用いた他の実施形態について本発明に係るプリント
基板を詳細に説明する。本発明に係るプリント基板の他
の実施形態ではクロックライン（クロックパターン）に
対し、ノイズ対策の役割のみで回路上は使用しない信号
線を一本追加しクロックラインの差動信号線となるよう
な構成にしている。なお、不要輻射ノイズを抑圧する原
理並びにクロストーク発生原理は上記実施形態と同じで
あるため、その説明を省略する。

【０００９】本発明の具体的な実施形態として４層のプ
リント基板上にクロックにて動作する電子回路を搭載し
た例を説明する。第１層目と第４層目には信号線をレイ
アウトし、第２層目と第３層目には電源のパターンをレ
イアウトしているものとする。クロックライン（クロッ
クパターン）に関する構成を図７に示す。同図において
符号１１は発振器、１２はクロック信号が供給されるＩ
Ｃ、１３はインバータ等を含むクロックドライバ、１４
は終端抵抗、１５ａ及び１５ｂはクロックライン、１６
は反転クロックラインである。発振器１１にて生成した
クロックはクロックライン１５ａによりクロックドライ
バ１３に供給される。クロックドライバとは一般的に発
振器等では接続デバイス全てをドライブすることが不可
能で高いドライブ能力が必要な際に使用されるデバイス
であり、バッファやインバータ等が使用されることが多
い。本実施形態でも汎用ロジックのインバータである７
４シリーズの０４を用いている。インバータとは入力信
号を反転させる機能をもつ素子である。基板上の回路
（ＩＣ）で使用するクロック信号はクロックドライバ１
３のインバータＡに入力し、該インバータＡの出力がク
ロックライン１５ｂを介してＩＣ１２に供給される。一
方、発振器１１からはクロックライン１５ａを介してク
ロックドライバ１３のインバータＢにも信号が供給さ
れ、さらに、該インバータＢ出力はインバータＣを介し
て反転クロックライン（反転クロックパターン）１６に
供給される。本発明では基板上の回路（ＩＣ）に使用せ
ず、回路で使用するクロック信号と極性を反転させた信
号である反転クロックを反転クロックライン１６に供給
し、該反転クロックライン１６とクロックライン１５ｂ
とを並設することにより、クロックライン１５ｂから生
じる不要輻射ノイズを低減している。なお、反転クロッ
クライン１６はクロックライン１５ｂがＩＣ１２に接続
される近傍で終端抵抗１４に接続させて終端させる。終
端抵抗とはインピーダンスの不整合により反射が起こり
信号にノイズが乗ることを防ぐために挿入する抵抗であ
る。また発振器１１からクロックドライバ１３までのク
ロックライン１５ａのパターンは極力短くするのが好ま
しい。さらに、クロックライン１５ｂ及び反転クロック
ライン１６をお互いの直近に配線し他の信号線はなるべ
く離れたところにレイアウトすれば不要輻射ノイズを低
減し、かつ、クロストーク発生を防止することも可能と
なる。またクロックライン１５ｂはクロックドライバ１
３のインバータＡの出力直後からＩＣ１２の入力ピン近
傍までを、反転クロックライン１６はクロックドライバ
３のインバータＣの出力直後から終端抵抗の近傍までを
多層基板の２層目、もしくは電源のパターンをレイアウ
トしている３層目に配線し、その層にてお互いに直近に
レイアウトすれば、信号線を配置する層のパターンの混
雑を緩和し、多層化、パターンの細線化を防ぐことがで
きる。

【００１０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係るプリ
ント基板の請求項１記載の発明では差動信号線が原因と
なり発生するノイズを低減させることが可能となり対策
に必要となる専用部品等のコストを削減できると共に、
開発工数も減らすことができ短納期、低コストなプリン
ト基板開発が実現する。請求項２記載の発明では、平行
に、また直近にレイアウトした差動型信号線の近くに他
の信号線をレイアウトしないことによりクロストークの
発生を抑えることが可能となり回路の誤作動が防止でき
るるとともに評価等の開発工数を減らすことができる。
請求項３記載の発明では、電源層に差動型の信号をレイ
アウトすることにより信号線の配線層の混雑による多層
化、パターンの細線化を防ぐことができコストダウンす
ることが可能となり、またノイズも抑えることができ
る。したがって、ノイズ対策及び多層化、細線化の防止
をパターンのレイアウトを工夫することで、コストを一
切かけずに実現することができる。請求項４記載の発明
では、クロックラインが原因となり発生するノイズを低
減することが可能となり対策に必要となる専用部品等の
コストを削減できると共に、開発工数も減らすことがで
き短納期、低コストでプリント基板開発が実現する。請
求項５記載の発明では、平行に、また直近にレイアウト
したクロックラインのペアの近くに他の信号線をレイア
ウトしないことによりクロストークの発生を抑えること
が可能となり回路の誤作動を防止できるとともに評価等
の開発工数を減らすことができる。請求項６記載の発明
では、電源層にクロックラインのペアをレイアウトする
ことにより信号線の配線層の混雑による多層化、パター
ンの細線化を防ぐことができコストダウンすることが可
能となる。またノイズも抑えることができる。本発明
は、これまでノイズ源とされてきたクロックラインをあ
えて一本追加してノイズを抑えようとする新しい発想に
基づいており、ノイズ対策及び多層化、細線化の防止を
コストを一切かけずに実現する上で著しい効果を奏す。

【図面の簡単な説明】

【図１】長さＬの信号線パターンに交流信号が流れてい
る状態の誘起電荷の状態を示す図。

【図２】信号線の端から流れる交流信号の電圧を時間を
横軸にして示した図。

【図３】クロストークのメカニズムを説明するための
図。

【図４】本発明に係るプリント基板のノイズ低減原理を
説明するための図。

【図５】本発明に係るプリント基板のノイズ低減原理を
説明するための図。

【図６】本発明に係るプリント基板の構成を示す図であ
って、４層のプリント基板において、コネクタを介して
他のボードに送る信号に差動型を用いているもの例を示
す図。

【図７】本発明に係るプリント基板の他の構成を示す図
であって、４層のプリント基板上にクロックにて動作す
る電子回路を搭載した例を示す図。

【符号の説明】

１：差動型インターフェースＩＣ ２：コネクタ ３：差動型信号線（一対） ４：差動型信号線（一対） ５ａ、５ｂ：スルーホール １１：発振器 １２：ＩＣ １３：クロックドライバ １４：終端抵抗 １５ａ、１５ｂ：クロックライン（クロックパターン） １６：反転クロックライン（反転クロックパターン）

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 差動型信号回路等を用い、差動で動作す
   る信号線の配線パターンが形成されるプリント基板にお
   いて、それぞれ対になる２本のパターンを平行に、且つ
   直近の位置関係となるようにレイアウトすることを特徴
   とするプリント基板。
2. 【請求項２】 差動型信号回路等を用い、差動で動作す
   る信号線の配線パターンが形成されるプリント基板にお
   いて、それぞれ対になる２本のパターンを平行に、且つ
   直近の位置関係となるようにレイアウトし、他の信号線
   は前記差動信号線から離れた位置にレイアウトすること
   を特徴とするプリント基板。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載のプリント基板に
   おいて、前記プリント板は多層基板であり、前記差動信
   号線を電源層に配置することを特徴としたプリント基
   板。
4. 【請求項４】 クロックにて動作する電子回路が搭載さ
   れているプリント基板において、基板上のクロックパタ
   ーンの直近にそれを反転させた信号パターンを一ライン
   作り両パターンを並走させたことを特徴とするプリント
   基板。
5. 【請求項５】 前記クロックパターン及びそれを反転さ
   せた信号パターンと、他の信号線とを、離れた場所にレ
   イアウトしたことを特徴とする請求項４記載のプリント
   基板。
6. 【請求項６】 前記プリント基板を多層板とし、直近に
   並走させてレイアウトしたクロックパターン及びそれを
   反転させた信号パターンを内層に並走させことを特徴と
   するプリント基板。