JP2010135607A - プリント回路板 - Google Patents

Abstract

【課題】プリント回路板内におけるコモンモードノイズに対する耐ノイズ性を向上させる。
【解決手段】信号源１から送信される信号を受信する受信回路４の信号線２、シグナルグランド線３にそれぞれ第１、第２の回路素子１５、１６を実装し、これらを、接地された第３、第４の回路素子１７、１８を介して受信回路４の入力端５、基準端６に接続する。受信回路４の前段にブリッジ回路を構成し、このブリッジ回路の平衡条件に近づけるように、回路素子１５〜１８のインピーダンスを調整することで、受信回路４に加わるノイズ電圧を低減する。
【選択図】図１

Description

本発明は、コモンモードノイズに対する耐ノイズ性を向上させたプリント回路板に関するものである。

近年の電子機器の高機能化に伴って、プリント回路板は動作の高速化や配線の高密度化により、回路の動作に影響を与える各種ノイズの問題が複雑化している。

プリント回路板の高密度化はグランド面積の減少に繋がり、電子機器の筐体やケーブルからプリント回路板に侵入するコモンモードノイズが回路の動作に大きく影響する。

特に高周波では、信号伝送における平衡度のずれや、筐体や大地等との浮遊容量、浮遊インダクタンスの影響によって、コモンモードノイズの一部が形態を変えて回路に悪影響を与え、誤動作の要因にもなる。

従来、コモンモードノイズの対策として、図８に示すように、信号源１０１の信号線１０２とシグナルグランド線１０３の両方に相互インダクタンスを有する部品１２３を取り付けてコモンモードノイズを抑制する方法が知られている（非特許文献１参照）。

また、図９に示すように、信号線１０２とシグナルグランド線１０３をそれぞれコンデンサ１２４，１２５で筐体へバイパスする方法が知られている。

村田製作所ウェブ ノイズ対策ノウハウ集２０〜３０頁

上記従来の技術では、図８に示すように、相互インダクタンスを有する部品１２３として、例えばコモンチョークコイルを使用する。

コモンチョークコイルは、ノーマルモードの電流が流れると２個のコイルは磁束が打ち消されるように働くのに対して、コモンモードの電流が流れるとコイルは互いに磁束を強めあうため、コモンモードノイズだけを効率的に抑制することが可能である。

しかしながら、コモンチョークコイルは、抵抗、コンデンサ、インダクタといった回路素子に比べて高価であり、ノイズ対策に要するコストを増大させるといった問題があった。

また、コモンチョークコイルと同様の効果が期待できるものとして、ケーブルに磁性体コアを周回して設ける技術がある。

磁性体コアは、コモンチョークコイルと比較してコストは安価であるため、比較的低コストのノイズ対策が可能であるが、磁性体コアを設けるためにはそれなりのスペースが必要となり、電子機器の小型化の弊害になるといった問題があった。

また、ケーブルに磁性体コアを周回するにあたっては、ケーブルにストレスを掛けることとなり、ケーブルやコネクタの接続の信頼性を低下させるという問題があった。

さらに、これら相互インピーダンスを有する対策部品を設ける技術の共通の課題として、特定の狭い高周波のノイズ成分は減衰できるものの、静電気のような広帯域に渡るノイズには十分な対策ができないという問題があった。

他方、図９に示すように、信号線とシグナルグランド線とをそれぞれコンデンサを介して筐体へ接続する構成では、信号源に発生したコモンモードノイズに対して、コンデンサを追加するだけでノイズを筐体へバイパスすることができる。従って、安価で省スペースなコモンモードノイズの対策が可能となる。

筐体を介して進入するコモンモードノイズに対しては、受信回路に加わるノイズ電圧が筐体へバイパスするコンデンサの容量と浮遊容量の比により決定するため、バイパスコンデンサはより大きな容量が好ましい。

しかしながら、バイパスコンデンサは漏洩電流に大きな影響を及ぼすため、あまり大きな容量とすることができない。このため、容量結合により筐体を介して信号線やシグナルグランド線に重畳するノイズには十分な減衰効果を得ることができないという問題があった。

また、信号線とシグナルグランド線にバイパスコンデンサを追加しても、信号線とシグナルグランド線の平衡度のずれを改善することはできないため、受信回路に加わるコモンモード成分を十分に低減することはできないという問題があった。

本発明は、プリント回路板に実装した安価な回路素子を用いて、コモンモードノイズに対する耐ノイズ性を十分に高くすることができるプリント回路板を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明のプリント回路板は、 信号源から送信される信号の受信回路を備えるプリント回路板において、前記信号源からの信号線に接続され、前記受信回路の入力端に接続された第１の配線パターンと、前記信号源からのＧＮＤ線に接続され、前記受信回路の基準端に接続された第２の配線パターンと、接地された筐体と接続する第１のＧＮＤパターンと、前記受信回路の基準端と接続する第２のＧＮＤパターンと、前記第１の配線パターンに実装された第１の回路素子と、前記第２の配線パターンに実装された第２の回路素子と、一端が前記第１の配線パターンにおける前記第１の回路素子よりも入力端側に実装され、他端が前記第１のＧＮＤパターンに実装された第３の回路素子と、一端が前記第２の配線パターンにおける前記第２の回路素子よりも基準端側に実装され、他端が前記第１のＧＮＤパターンに実装された第４の回路素子とを有することを特徴とする。

上記構成によれば、筐体から侵入するノイズ電圧に対して、受信回路の入力端と基準端を中間点とするブリッジ回路を安価な回路素子だけで構成することができる。

これにより、信号源のコモンモードのみならず、信号源の信号線やＧＮＤ線に重畳するノイズに対しても同様の減衰効果を得ることができる。

回路素子のインピーダンスをブリッジ回路の平衡条件に近づけるよう調整することで、受信回路に加わるノイズ電圧を十分に低減することが可能である。

本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の実施例１を示すもので、プリント回路板７はネジ穴９のネジを介して筐体８に取り付けられている。プリント回路板７には受信回路４が実装されており、プリント回路板７の外部に設けられた信号源１と受信回路４は電気的に接続され、信号源１から受信回路４へ信号が送信される。受信回路４は、入力端５、基準端６等の端子を有している。

信号源１と接続された信号線２は、受信回路４の入力端５に接続された、プリント回路板７上の第１のパターン（第１の配線パターン）１０と接続されている。また、信号源１と接続されたＧＮＤ線であるシグナルグランド線３は、受信回路４の基準端６に接続された、プリント回路板７上の第２のパターン１１（第２の配線パターン）と接続されている。

また、プリント回路板７は、接地された筐体８と接続される第１のＧＮＤパターン１３と、第１のＧＮＤパターン１３とは分離され、受信回路４の基準端６と接続される第２のＧＮＤパターン１４と、を有する。

第１のパターン１０の途中に第１の回路素子１５が実装されており、第２のパターン１１の途中に第２の回路素子１６が実装されている。

さらに、第１のパターン１０の第１の回路素子１５よりも入力端側には、第３の回路素子１７の一端が実装され、第３の回路素子１７の他端は第１のＧＮＤパターン１３に実装されている。また、第２のパターン１２の第２の回路素子１６よりも基準端側には、第４の回路素子１８の一端が実装され、第４の回路素子１８の他端は第１のＧＮＤパターン１３に実装されている。

図２（ａ）は、プリント回路板７の接続構造を示す回路図であって、第１のＧＮＤパターン１３を基準とする電圧源に対しては、図２（ｂ）に示すようブリッジ回路を構成している。コモンモードノイズ２０の減衰作用を計算する場合は、重ね合せの原理により、図２（ｂ）に示すように、信号源１をショートして考えることができる。

ここで、第１の回路素子１５のインピーダンスをＺ１、第２の回路素子１６のインピーダンスをＺ２、第３の回路素子１７のインピーダンスをＺ３、第４の回路素子１８のインピーダンスをＺ４とする。

このとき、Ｖｃｏｍで示すコモンモードノイズ２０が加わると、Ｖｉｎで示した受信回路４の入力端５と基準端６の間に現れるノイズ電圧は次式で表される。

Vin=Vcom*|Z3/(Z1+Z3)-Z2/(Z2+Z4)|

ここで、図２（ｂ）におけるブリッジ回路の平衡条件はＺ１＊Ｚ４＝Ｚ２＊Ｚ３で表され、平衡条件を満足するように各回路素子のインピーダンスを決定することでＶｉｎ＝０となる。

また、概略Ｚ１＊Ｚ４＝Ｚ２＊Ｚ３となるように各回路素子のインピーダンスを決定することで、Ｖｃｏｍに対してＶｉｎを十分に小さくすることができ、受信回路４の入力端５と基準端６の間に現れるノイズ電圧は十分に低減することが可能である。

Ｖｃｏｍで示すコモンモードノイズ２０が、Ｖｉｎで示した受信回路の入力端５と基準端６の間に現れるノーマルモードノイズに変換される割合を示すＣＭＲＲ（同相ノイズ除去比）は次式で表される。

CMRR=20*log(Vcom/Vin)=20*log|{(Z1+Z3)*(Z2+Z4)}/(Z3*Z4-Z1*Z2)|

このとき、ＣＭＲＲの値が大きいほどコモンモードノイズ２０の影響を受けにくくなり、Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４の関係もＣＭＲＲをできるだけ大きく、例えば６０ｄＢ以上とすることが望ましい。

以上のことから、受信回路４の前段にブリッジ回路を設けることで、信号源１のコモンモードノイズのみならず、容量結合や誘導結合により筐体８を介して信号線２やシグナルグランド線３に重畳するノイズに対しても十分な減衰効果を得ることができる。

さらに、第３の回路素子１７と第４の回路素子１８をコンデンサとすることで、信号線２とシグナルグランド線３にはフィルタ回路としても作用し、ブリッジ回路の作用効果と併せて耐ノイズ性をさらに高めることが可能となる。

図３は実施例２を示すもので、第１のＧＮＤパターン１３と第２のＧＮＤパターン１４が抵抗素子である１ｋΩ以上の高抵抗の回路素子２１で接続されている点のみが実施例１と異なる。第１のＧＮＤパターン１３と第２のＧＮＤパターン１４を十分に分離できるため、信号源１から送信される信号波形の減衰を抑制することが可能となる。

図４は実施例３を示すもので、第１のＧＮＤパターン１３と第２のＧＮＤパターン１４がパターン幅の十分に小さなグランド間接続部２２で接地間接続されている点のみが実施例１と異なる。第１のＧＮＤパターン１３と第２のＧＮＤパターン１４間のインピーダンスを低減でき、プリント回路板上のノイズ放射を抑制することが可能となる。

このとき、ブリッジ回路のインピーダンスの平衡条件にできるだけ影響を与えないように、ブリッジ回路とはできるだけ遠い位置で接続されることが好ましい。

図５は実施例４を示すもので、第１のパターン１０と第２のパターン１１がコンデンサ２３で接続されている点のみが実施例１と異なる。ブリッジ回路の前段で信号線２と接続される第１のパターン１０とシグナルグランド線３と接続される第２のパターン１１の平衡度を高めることが可能である。

このとき、コンデンサ２３とブリッジ回路の二段階でコモンモードノイズに対する対策が可能であり、コモンモードノイズに対する耐ノイズ性をさらに高めることができる。

図６は実施例５を示すもので、信号源１とプリント回路板７が信号線２とシグナルグランド線３とを有するケーブルで接続されており、かつケーブルに磁性体コア２４を周回している。この構成によれば、ケーブルにおいて信号線２とシグナルグランド線３の平衡度を高めることが可能となる。

このとき、磁性体コア２４とブリッジ回路の二段階でコモンモードノイズに対する対策が可能であり、コモンモードノイズに対する耐ノイズ性をさらに高めることができる。

図７は実施例６を示すもので、信号源１と受信回路４が同一プリント回路板上に配置されている点のみが実施例１と異なる。受信回路４の前段にブリッジ回路を構成する回路素子を設けることにより、受信回路４に加わるノイズ電圧を低減することが可能となる。

実施例１によるプリント回路板を示す平面図である。 図１の接続構造を示すもので、（ａ）は図１の装置の回路図、（ｂ）は（ａ）を補足する等価回路図である。 実施例２によるプリント回路板を示す平面図である。 実施例３によるプリント回路板を示す平面図である。 実施例４によるプリント回路板を示す平面図である。 実施例５によるプリント回路板を示す平面図である。 実施例６によるプリント回路板を示す平面図である。 一従来例によるプリント回路板のコモンモード対策を示す回路図である。 別の従来例によるプリント回路板のコモンモード対策を示す回路図である。

符号の説明

１ 信号源
２ 信号線
３ シグナルグランド線
４ 受信回路
５ 入力端
６ 基準端
７ プリント回路板
８ 筐体
９ ネジ穴
１０ 第１のパターン
１１ 第２のパターン
１３ 第１のＧＮＤパターン
１４ 第２のＧＮＤパターン
１５ 第１の回路素子
１６ 第２の回路素子
１７ 第３の回路素子
１８ 第４の回路素子
１９ 高抵抗の回路素子
２３ コンデンサ
２４ 磁性体コア

Claims (6)

1. 信号源から送信される信号の受信回路を備えるプリント回路板において、
   前記信号源からの信号線に接続され、前記受信回路の入力端に接続された第１の配線パターンと、
   前記信号源からのＧＮＤ線に接続され、前記受信回路の基準端に接続された第２の配線パターンと、
   接地された筐体と接続する第１のＧＮＤパターンと、
   前記受信回路の基準端と接続する第２のＧＮＤパターンと、
   前記第１の配線パターンに実装された第１の回路素子と、
   前記第２の配線パターンに実装された第２の回路素子と、
   一端が前記第１の配線パターンにおける前記第１の回路素子よりも入力端側に実装され、他端が前記第１のＧＮＤパターンに実装された第３の回路素子と、
   一端が前記第２の配線パターンにおける前記第２の回路素子よりも基準端側に実装され、他端が前記第１のＧＮＤパターンに実装された第４の回路素子と、
   を有することを特徴とするプリント回路板。
2. 前記第１の回路素子のインピーダンスをＺ１、前記第２の回路素子のインピーダンスをＺ２、前記第３の回路素子のインピーダンスをＺ３、前記第４の回路素子のインピーダンスをＺ４としたとき、Ｚ１＊Ｚ４＝Ｚ２＊Ｚ３であることを特徴とする請求項１に記載のプリント回路板。
3. 前記第３の回路素子と前記第４の回路素子は、それぞれコンデンサであることを特徴とする請求項１又は２に記載のプリント回路板。
4. 前記第１のＧＮＤパターンと前記第２のＧＮＤパターンは、抵抗素子を介して接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のプリント回路板。
5. 前記第１の配線パターンと前記第２の配線パターンは、コンデンサを介して接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のプリント回路板。
6. 前記信号線と前記ＧＮＤ線を有するケーブルが設けられ、前記ケーブルに磁性体コアを周回したことを特徴とする請求項１又は２に記載のプリント回路板。

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