JP3799949B2 - プリント基板 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アナログ回路とデジタル回路とが混在して実装されたプリント基板に関し、特に、高周波ノイズを低減するプリント基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、デジタル回路の開発が進み、デジタル回路とアナログ回路とが混在して実装されたプリント基板が広く用いられている。このようなプリント基板において、アナログ信号はそれぞれの周波数成分が時々刻々元信号に応じて連続的に変化しており、これを忠実に伝送する必要がある。したがって、アナログ回路は、デジタル回路からの信号が混入するのを防止する必要がある。そのため、デジタル回路とアナログ回路とを分離して実装したプリント基板が広く用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このようなプリント基板において、回路の高密度化により、アナログ回路とデジタル回路との分離には限界が有り、デジタル回路の扱う高周波信号やその高周波成分がアナログ回路に高周波ノイズとして混入する場合がある。ここで、プリント配線板には回路部品等が実装されるが、部品の配置によってはデジタル回路の高周波信号が流れる信号線とそのリターン線とで形成されるループの面積が大きくなる場合がある。このような回路に高周波信号が流れた場合、このループがアンテナとなりプリント基板表面から高周波ノイズが輻射されるが、このようなノイズをノーマルモードノイズという。ループの面積が大きくなると、プリント基板表面から外部に輻射する高周波ノイズは増加する。アナログ回路とデジタル回路との分離が完全にできない場合、デジタル回路から発せられるこのようなノイズはアナログ回路に混入し、その高周波ノイズはアナログ入出力端子からケーブルを介して外部に輻射する。また、大地電位に対するアナロググランドの電位が変動し、主にケーブルを介して高周波ノイズが輻射する。このようなノイズをコモンモードノイズという。従って、プリント基板より外部に放射されるノイズを低減するためには、ノーマルモードノイズおよびコモンモードノイズを共に低減する必要がある。
【０００４】
また、多層基板を用いて、外層にデジタル回路とアナログ回路とを別の層に分離して実装し、内層を遮蔽層にする方法が用いられている。このような多層基板において高密度に回路部品を実装する場合には、電源パターンを外層に配置するために細かくせざるをえず、これに伴なう電圧降下によって回路が誤動作する場合がある。
【０００５】
本発明は上記従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、デジタル回路とアナログ回路とが混在するにもかかわらず、高周波ノイズがきわめて低減され得るプリント基板を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明におけるプリント基板は、アナログ回路と、アナロググランドと、デジタル回路と、外部に接続される外部接続部とを有する第１の表面層と、第２の表面層と、デジタルグランドプレーン層を含む中間層と、該アナロググランドと該デジタルグランドとの間に接続された第１のコンデンサとを備える。
【０００７】
好ましい実施形態においては、上記第１のコンデンサは、上記外部接続部の近傍において上記アナロググランドと上記デジタルグランドとの間に接続されている。
【０００８】
好ましい実施形態においては、上記アナログ回路と上記アナロググランドとの間に接続された第２のコンデンサをさらに備える。
【０００９】
好ましい実施形態においては、上記外部接続部に接続されたノイズ除去フィルタをさらに備える。
【００１０】
以下、本発明によるプリント基板の作用について説明する。
本発明によるプリント基板は、アナログ回路、アナロググランド、デジタル回路を設ける第１の表面層と、デジタルグランドプレーン層を含む中間層と、第２の表面層とを備えている。高周波ノイズが混入したアナロググランドを第１のコンデンサを介して、デジタルグランドプレーンに接続することにより、高周波ノイズは第１のコンデンサを介してデジタルグランドに分流される。デジタルグランドプレーンにおいては、第１のコンデンサにより分流された高周波ノイズの流れるループ面積を小さくすることができる。したがって、プリント基板表面から輻射するノーマルモード高周波ノイズを低減することができる。
【００１１】
好ましい実施形態においては、外部接続部の近傍で第１のコンデンサをアナロググランドおよびデジタルグランドに接続する。外部接続部の近傍で第１のコンデンサを接続することにより、アナログ回路に混入した高周波ノイズに対するインピーダンスを小さくできるので、高周波ノイズに対しては、アナロググランドとデジタルグランドとの接続点から外部接続部に至る経路が短くなったとみなせる。したがって、外部接続部のアナロググランド接続端子とプレーン状でインピーダンスが極めて小さいデジタルグランドとが概略同一電位となるため、プリント基板表面から輻射するノーマルモード高周波ノイズだけでなく、外部接続部からケーブルを介して輻射するコモンモード高周波ノイズも低減することができる。
【００１２】
好ましい実施形態においては、アナログ回路を第２のコンデンサを介してアナロググランドと接続するので、アナログ回路に混入した高周波ノイズは主に第２のコンデンサを介してアナロググランドへ伝送する。そして、アナロググランドへ伝送した高周波ノイズは第１のコンデンサを介してデジタルグランドに分流されるので、第２のコンデンサがない場合よりさらに外部接続部からケーブルを介して外部に輻射する高周波ノイズを低減できる。
【００１３】
好ましい実施形態においては、プリント基板はノイズ除去フィルタをさらに備えているので、外部接続部からケーブルに漏洩する高周波ノイズをも減衰させることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明における好ましい実施の形態について具体的に説明するが、本発明はこれらの実施形態には限定されない。本実施形態においては、中間層を２層有する多層基板を例として説明するが、中間層の数は２層には限定されない。
【００１５】
図１は、本発明の好ましい実施形態によるプリント基板を示す概略断面図である。プリント基板１は、第１の表面層２、第２の表面層３、第１の中間層４および第２の中間層５を有している。プリント配線板については限定されず、通常の４層配線板が用いられる。図２は、本発明の好ましい実施形態によるプリント基板を説明するブロック図である。以下、図１および図２を参照して説明する。
【００１６】
第１の表面層２は、アナログ回路６、アナロググランド７、デジタル回路８が取付けられている。つまり、第１の表面層２は、回路部品を実際に取りつけ、信号線を配線する層として用いられる。
【００１７】
第１の表面層２は、外部接続部９がさらに取付けられている。外部接続部9は、例えば、アナログ入出力端子等であり、外部機器もしくは他のプリント基板等にケーブル等を介して接続される。外部接続部９は、アナログ回路６（詳細には、アナログ回路に接続される信号線）およびアナロググランド７が接続されている。（あるいは、外部接続部９としてデジタル入出力端子を用いてもよい）。
【００１８】
第２の表面層３は特に限定されないが、代表的には、第１の表面層２と同様にアナログ回路６、アナロググランド７およびデジタル回路８が取付けられている。ここで、第１の表面層２、第２の表面層３、第１の中間層４および第２の中間層５はスルーホール１０を介して接続される。
【００１９】
アナログ回路６およびデジタル回路８に外部から電源を供給するために電源供給部１１を用いる。電源供給部１１は、アナログ回路６、アナロググランド７、デジタル回路８、デジタルグランド１２に接続されている。本実施形態においては、後述するように、第２の中間層５を介してデジタル回路８に電源を供給する。
【００２０】
アナログ回路６、アナロググランド７およびデジタル回路８の実装については限定されず、用途に応じて任意に第１および第２の表面層に実装することができる。例えば、複数のアナロググランド７を第１および第２の表面層の任意の１点において接続する（図示せず）ことにより、アナロググランド同志の共通インピーダンスを低下させることができる。また、例えば図２に示すように、アナロググランド７とデジタルグランド１２とを電源供給部１１に接続する際に、両グランドの接続点Ａから電源供給部１１までの経路を短くすることにより、アナロググランドとデジタルグランドとの間の共通インピーダンスを低下させ、アナロググランドの電位を安定させることができる。
【００２１】
第１の中間層４はプレーンである。プレーンとは、外周部およびスルーホール１０とその周辺を除いて全面が導体で形成された面である。第１の中間層４は、デジタルグランド１２として用いられている。つまり、第１および第２の表面層に取付けられたデジタル回路８からのグランド線はスルーホール１０を介してデジタルグランド１２である第１の中間層４に接続されている。第１の中間層４はプレーンであり回路部品等は実装されていないので、デジタルの高周波信号がデジタルグランド１２を伝送する際にループ面積を小さくすることができる。ループ面積が小さくなると、高周波信号の基板表面からの輻射は小さくすることができる（詳細は後述する）。
【００２２】
第２の中間層５は、本発明においては特に限定されないが、プレーンであることが好ましい。第１の中間層４にプレーンを用いたのと同じ理由である。本実施形態では、第２の中間層５はデジタルの電源パターンとして用いられる。つまり、第２の中間層５は、スルーホール１０を介して電源供給部１１およびデジタル回路８に接続されており、電源供給部１１からの電源をデジタル回路８に供給する。デジタル電源パターン層である第２の中間層５は、１つのパターンで形成してもよく、複数のパターンに分割して形成してもよい。
【００２３】
第１の中間層４および第２の中間層５の積層順序は、本発明においては任意であり、第１の表面層２および第２の表面層３に実装される回路に応じて決定すればよい。例えば、第１の表面層２に高周波信号を伝送するデジタル回路８が設置されている場合においては、第１の表面層２の隣をデジタルグランド１２である第１の中間層４とすることが好ましい。デジタルグランドは分割のないプレーンパターンを用いるので、高周波信号の流れるループの面積を小さくできるからである。
【００２４】
プリント基板１は、第１のコンデンサ１３をさらに備えている。第１のコンデンサ１３は、一端がアナロググランド７に、他端がスルーホール１０を介して第１の中間層４のデジタルグランド１２に接続されている。つまり、アナロググランド７とデジタルグランド１２とは第１のコンデンサ１３を介して接続されている。第１のコンデンサ１３は、代表的には、高周波数（例えば、数１０〜数１００MＨｚ）においてインピーダンスが低いチップ型セラミックコンデンサ等を用い、容量は例えば数１００ｐFである。図３（ａ）は、第１のコンデンサ１３をアナロググランド７とデジタルグランド１２との間に接続した状態を示す概略図である。
【００２５】
以下、第１のコンデンサ１３を設けた際のプリント基板１の動作について図２および図３（ａ）を用いて説明する。アナログ回路６に混入した高周波ノイズは、アナロググランド７を流れ、第１のコンデンサ１３を介してデジタルグランド１２に伝送される。本発明においては、デジタルグランド１２はプレーンであり、回路部品等は設置されていない。したがって、デジタルグランド１２においては高周波ノイズが伝送するループの面積は、第１の表面層２を伝送する場合と比べてきわめて小さくすることができる。したがって、ループの面積をきわめて小さくできるので、プリント基板表面から輻射する高周波ノイズはきわめて良好に低減できる。さらに、ループの面積を小さくすることにより、実効インダクタンスを小さくすることができ、高周波ノイズ電圧をきわめて小さくすることができる。
【００２６】
好ましい実施形態においては、第１のコンデンサ１３は、外部接続部９の近傍においてアナロググランド７およびデジタルグランド１２に接続されている。外部接続部９の近傍とは、外部接続部９におけるアナロググランド電位がプリント基板の基準電位であるデジタルグランド１２の電位と概略同一電位となる位置である。従って、第１のコンデンサ１３は、外部接続部９に可能な限り近接して接続するのが好ましいが、実用上は、第１のコンデンサ１３は、外部接続部９から２ｍｍ〜１０ｍｍの位置に接続される。
【００２７】
第１のコンデンサ１３を外部接続部９の近傍で接続することにより、アナロググランド７とデジタルグランド１２との接続点であるＢ点は外部接続部９の近傍となる。ここで、第１のコンデンサ１３を設けない場合には、アナロググランド７とデジタルグランド１２との接続点はＡ点のみであり、高周波ノイズに対してはＡ点から外部接続部９までの経路は高インピーダンスである。しかし、Ｂ点から外部接続部９までの経路はＡ点からと比べてきわめて短いので、高周波ノイズに対するインピーダンスは第１のコンデンサ１３を考慮してもきわめて小さくなる。したがって、プリント基板の基準電位であるＢ点から外部接続部９までについて高周波ノイズが流れることによるアナロググランド電位の変動は概略０であり、外部接続部９とデジタルグランド１２とは概略同一電位となる。デジタルグランド１２を基準電位とするのは、デジタルグランド１２がプレーンであり電位変動が概略０とみなせるからである。外部接続部９とデジタルグランド１２とが概略同一電位となることによって、ケーブルを介して輻射する高周波ノイズをきわめて低減することができる。
【００２８】
好ましい実施形態においては、アナログ回路６を第２のコンデンサ１４を介してアナロググランド７と接続する。第２のコンデンサ１４を接続することにより、アナログ回路６を伝送する高周波ノイズは、第２のコンデンサ１４を介してアナロググランド７に伝送する。アナロググランド７に伝送した高周波ノイズは、第１のコンデンサ１３を介してデジタルグランド１２に伝送する。
【００２９】
第２のコンデンサ１４は、伝送すべきアナログ信号の周波数域により容量は変るが、例えばアナログ回路が２０ｋHzまでの低周波を扱う場合、数百〜数千ｐF程度のものが用いられる。第２のコンデンサ１４の個数および接続位置については限定されないが、少なくとも外部接続部９とアナログ回路６との間に第２のコンデンサ１４の一端を接続する。外部接続部９に高周波ノイズが伝送することを防止するためである。また、アナロググランド７において、第１のコンデンサ１３の接続点に第２のコンデンサ１４を接続すると好ましい。高周波ノイズがアナロググランド７を伝送する距離を最小にすることができるからである。
【００３０】
好ましい実施形態においては、外部接続部９にノイズ除去フィルタ１５を接続する。図３（ｂ）は、ノイズ除去フィルタ１５を接続した状態を示す概略図である。ノイズ除去フィルタ１５は、例えば、高域遮断フィルタが用いられる。外部接続部９に伝送する信号は、ノイズ除去フィルタ１５により高周波ノイズが減衰され、外部接続部９に伝送するべき信号のみが伝送する。したがって、ケーブルを介して輻射される高周波ノイズをさらに低減することができる。
【００３１】
本実施形態においては、多層基板として４層基板を用いたが、本発明は４層基板には限定されない。例えば、６層基板等にも採用され得る。また、第１の中間層をデジタルグランドとしたが、デジタルグランド層に限定されず、プレーンであり、回路部品が設置されていなければよい。
【００３２】
【実施例】
以下、本発明の実施例について具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例には限定されない。
【００３３】
（実施例１）
本発明によるプリント基板を用いてＵＳＢ（ユニバーサル・シリアル・バス）オーディオプロセッサを作製した。第１のコンデンサはアナログ入出力端子から３ｍｍの距離に取付けられている。但し、アナログ入力端子にはマイクロフォン（ホシデン（株）製）、パソコン、ケーブルを、アナログ出力端子にはケーブルを接続する。得られたオーディオプロセッサを用いて通常の方法で、輻射する高周波ノイズを測定した。測定結果を実施例２および比較例１と共に図４に示す。図４において、横軸は周波数（ＭＨｚ）を示し、縦軸はノイズの輻射レベル（ｄＢμＶ）を示す。ＶＣＣＩ（情報処理装置等電波障害自主規制協議会）Limitは規格値である。
【００３４】
（実施例２）
本発明のプリント基板において、第１のコンデンサをアナログ入出力端子から約４ｃｍの距離に設置したこと以外は実施例１と同様にして、ＵＳＢオーディオプロセッサを作製した。得られたオーディオプロセッサを実施例１と同様にしてプリント基板から輻射するノイズを測定した。測定結果を図４に示す。
【００３５】
（比較例１）
第１のコンデンサを設けないこと以外は実施例１と同様にして、オーディオプロセッサを作製した。得られたオーディオプロセッサを実施例１と同様にしてプリント基板から輻射するノイズを測定した。測定結果を図４に示す。
【００３６】
（実施例３）
アナログ入出力端子にマイクロフォンおよびケーブルを接続しないこと以外は、実施例１と同様にして、輻射する高周波ノイズを測定した。測定結果を比較例２と共に図５に示す。
【００３７】
（比較例２）
アナログ入出力端子にマイクロフォンおよびケーブルを接続しないこと以外は、比較例１と同様にして、輻射する高周波ノイズを測定した。測定結果を図５に示す。
【００３８】
図４に示すように、実施例１および２によれば、比較例１と比べて特に９６ＭＨｚおよび１４４ＭＨｚの周波数できわめて良好にノイズが低減している。特に、実施例１においては、比較例１に比べて６０パーセント程度にノイズが低減している。しかも、１４４ＭＨｚおよび３３６ＭＨｚの周波数では、比較例１においてはノイズがＶＣＣＩの規格値を越えているが、実施例１においては、ノイズが規格値以下に改善されている。また、実施例１と実施例２とを比べることにより、第１のコンデンサをアナログ入出力端子に近接して設ける程、アナロググランドの電位変動は小さくなり、輻射するノイズは低減することがわかる。さらに、実施例３および比較例２においては、ケーブルおよびマイクロフォンを接続していないので、概略プリント基板表面からの高周波ノイズのみを測定している。図５に示すように、実施例３と比較例２とを比較すると、第１のコンデンサによりループを小さくし、プリント基板表面からのノイズが低減する効果が分かる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明のプリント基板によれば、アナロググランドに混入した高周波ノイズは、第１のコンデンサを介してデジタルグランドプレーンである第１の中間層に伝送しループ面積はきわめて小さくなるとともに、外部接続部でのアナロググランドの電位変動が抑えられるので、デジタル回路とアナログ回路とが混在するにもかかわらず、高周波ノイズがきわめて低減される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好ましい実施形態によるプリント基板を示す概略断面図である。
【図２】本発明の好ましい実施形態によるプリント基板を説明するブロック図である。
【図３】（ａ）は第１のコンデンサを接続した状態を説明する概略図である。（ｂ）は（ａ）においてノイズ除去フィルタを接続した状態を説明する概略図である。
【図４】本発明の実施例における測定結果を示すグラフである。
【図５】本発明の実施例における測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１ プリント基板
２ 第１の表面層
３ 第２の表面層
４、５ 中間層
６ アナログ回路
７ アナロググランド
８ デジタル回路
９ 外部接続部
１２ デジタルグランド
１３ 第１のコンデンサ
１４ 第２のコンデンサ
１５ ノイズ除去フィルタ

Claims (4)

1. アナログ回路と、アナロググランドと、デジタル回路と、外部に接続されるアナログ入出力端子である外部接続部とを有する第１の表面層と、
   第２の表面層と、
   デジタルグランドプレーン層を含む中間層と、
   該アナロググランドと該デジタルグランドプレーン層との間に接続された第１のコンデンサとを備えるプリント基板であり、
   該第１のコンデンサが、該外部接続部におけるアナロググランド電位が該プリント基板の基準電位である該デジタルグランドプレーン層の電位と同一電位となる位置において、該アナロググランドと該デジタルグランドプレーン層との間に接続されている、プリント基板。
2. 前記アナログ回路と前記アナロググランドとの間に接続された第２のコンデンサをさらに備え、
   該第２のコンデンサの一端が前記外部接続部と該アナログ回路との間に接続されている、請求項１に記載のプリント基板。
3. 前記外部接続部に接続されたノイズ除去フィルタをさらに備える、請求項１または２に記載のプリント基板。
4. 電源パターンとして用いられるプレーン層である第２の中間層をさらに備え、
   前記第１の表面層が電源供給部をさらに有し、
   該電源パターンが、該電源供給部と前記デジタル回路とに接続されている、請求項１〜３のいずれかに記載のプリント基板。

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