JP4162630B2 - 信号伝送回路並びに同回路を備えた電子機器及びケーブル - Google Patents

Description

本発明は信号伝送回路に関し、特にコモンモードフィルタ及び容量性素子を備えた信号伝送回路に関する。

一般に、電子機器間のデジタル信号の授受には差動伝送方式が用いられている。差動伝送方式とは、１対の線路に互いに逆方向のデジタル信号を入力する方式で、信号線から発生する放射ノイズや、外来ノイズを差動伝送により相殺することができる。外来ノイズが相殺されることによりノイズが減少するため、信号を小振幅で送信することができ、更に、信号が小振幅となるため、信号の立ち上がり、降下時間が短縮され、信号伝送の高速化が実現されるという利点がある。

この差動伝送方式を用いたケーブルとして、ＵＳＢ、ＤＶＩ方式等のものがあり、近年では、より多くのデジタル信号の伝送を可能とするＨＤＭＩ方式のものも登場している。ＨＤＭＩ方式は、ＤＶＤプレーヤーやセットトップボックス等のデジタル送信機器と、デジタルＴＶ等のデジタルテレビとを非圧縮のデジタル信号で接続する高速シリアルインターフェースであり、ケーブル一本で映像信号及び音声信号を高速で伝送することができる。

一方、伝送速度の高速化に伴い、信号線間の差動信号の微小なずれによってもノイズが発生することとなる。この問題を解決するために、ケーブル等のインターフェースにコモンモードチョークコイルを挿入することによりノイズを軽減させる伝送回路が提案されている。（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−８５１１８号公報

ところで、高周波や高速のパルス信号を伝送する場合には、伝送路のインピーダンスを整合させる必要があり、インピーダンスが整合していない場合には、信号の高周波成分がインピーダンスの不整合部分で反射を起こすため、リターンロスが大きくなり、信号が大きく減衰してしまう。また、反射によって不要な輻射が生じる場合もある。
一方、インターフェースによって接続されるデジタルＴＶ等の入力部には、通常、静電対策部品として、バリスタ、コンデンサ、ツェナーダイオード等の容量性素子が挿入されている。図１２は、伝送路に容量性素子（１．１ｐＦ）を挿入した場合と挿入しない場合の伝送路内の各位置での特性インピーダンスを示したグラフである。容量成分の増加はインピーダンスを低下させることとなるため、静電対策部品の配置された場所では、その容量成分によって特性インピーダンスが減少している。そのため、静電対策部品の配置された場所で信号の高周波成分が反射し、ノイズを引き起こすこととなる。

そこで、本発明は、静電対策用の容量性素子による特性インピーダンスの低下を緩和する信号伝送回路を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の信号伝送回路は、ＨＤＭＩ規格の高速差動インターフェースに接続される信号伝送回路であって、コアと、コアに螺旋状に巻かれた第１の信号線及び第２の信号線と、第１の信号線の第１の入力部及び第１の出力部と、第２の信号線の第２の入力部及び第２の出力部とを有し、第１の入力部と第２の入力部には互いに逆位相の信号が入力されるコモンモードフィルタと、第１の入力端子及び第１の出力端子を有し、コモンモードフィルタの第１の出力部に第１の入力端子が接続された第１の容量性素子と、第２の入力端子及び第２の出力端子を有し、コモンモードフィルタの第２の出力部に第２の入力端子が接続された第２の容量性素子とを備え、第１の出力部と第１の入力端子とを結ぶ第１の接続部の長さ、並びに、第２の出力部と第２の入力端子とを結ぶ第２の接続部の長さが共に３ｍｍ以内であり、特性インピーダンスが１００±１５Ω以内であることを特徴としている。

このような構成によると、信号伝送回路内のコモンモードフィルタの出力部と容量性素子の入力部とを結ぶ接続部の長さは３ｍｍ以内である。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明を備えた電子機器であることを特徴としている。

このような構成によると、電子機器内に備えられた信号伝送回路内のコモンモードフィルタの出力部と容量性素子の入力部とを結ぶ接続部の長さは３ｍｍ以内である。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明を備えたケーブルであることを特徴としている。

このような構成によると、ケーブル内に備えられた信号伝送回路内のコモンモードフィルタの出力部と容量性素子の入力部とを結ぶ接続部の長さは３ｍｍ以内である。

また、請求項４に記載のプリント基板は、請求項１に記載の信号伝送路を搭載するプリント基板であって、前記第１の接続部に相当するパターンの長さ、並びに、前記第２の接続部に相当するパターンの長さが共に３ｍｍ以内であることを特徴としている。

このような構成によると、信号伝送回路を搭載するプリント基板のコモンモードフィルタの出力部と容量性素子の入力部とを結ぶパターンの長さは３ｍｍ以内である。また、請求項５に記載の発明は、前記第１の容量性素子及び前記第２の容量性素子は、バリスタであることを特徴としている。

本発明の請求項１に記載の信号伝送回路によれば、信号伝送回路内の容量性素子による特性インピーダンスの減少を緩和することができる。

本発明の請求項２に記載の電気機器によれば、電気機器に備えられた信号伝送回路内の容量性素子による特性インピーダンスの減少を緩和することができる。

本発明の請求項３に記載のケーブルによれば、ケーブルに備えられた信号伝送回路内の容量性素子による特性インピーダンスの減少を緩和することができる。

本発明の請求項４に記載のプリント基板によれば、プリント基板に搭載された信号伝送回路内の容量性素子による特性インピーダンスの減少を緩和することができる。

本発明の第１の実施の形態による信号伝送回路について図１から図７を参照しながら説明する。

図１は、ＤＶＤプレーヤー２とデジタルテレビ４をＨＤＭＩケーブル３で接続した状態を示した図であり、本実施の形態による信号伝送回路１はデジタルテレビ４の入力部に設けられている。ＨＤＭＩケーブル３は、差動伝送方式を用いたケーブルであり、接続端子部３１、３２を備えている。信号伝送回路１は、ＨＤＭＩケーブル３の接続端子部３２と接続されている。ＨＤＭＩケーブル３の他端は、接続端子部３１によってＤＶＤプレーヤー２と接続されている。ＤＶＤプレーヤー２からのデジタル信号は、ＨＤＭＩケーブル３及び信号伝送回路１を介してデジタルテレビ４に高速伝送される。

信号伝送回路１は、信号線Ｄ＋、Ｄ−と、コモンモードフィルタ１２と、バリスタ１３、１４と、接続部１５とを備えた差動伝送回路である。信号線Ｄ＋、Ｄ−は、コモンモードフィルタ１２の入力部とそれぞれ接続されている。コモンモードフィルタ１２の出力部は、導体である接続部１５を介してデジタルテレビ４及び静電対策用のバリスタ１３、１４の入力端子と接続されている。バリスタ１３、１４の出力端子は、グランドに接続されている。本実施の形態では、コモンモードフィルタ１２として、ＡＣＭシリーズ（ＴＤＫ製）の高周波成分の減衰が少ない特性のものを使用している。バリスタ１３、１４としては、ＡＶＲシリーズ（ＴＤＫ製）のものを使用している。

ここで、図２（ａ）及び図２（ｂ）を用いて、コモンモードフィルタ１２の構造及び動作について説明する。コモンモードフィルタ１２は、互いに絶縁され、強く結合させた２本の信号線２２、２３をリング状のフェライトコア２１に複数回巻きつけた構成となっている。信号線２２、２３の入力側は、ＨＤＭＩケーブル３の接続端子部３２と接続され、出力側は、デジタルテレビ４と接続されている。

本実施の形態では、コモンモードフィルタ１２は、信号に対しては、デイファレンシャルモードで用いられる。図２（ａ）は、デイファレンシャルモードでのコモンモードフィルタ１２の動作を説明する図である。デイファレンシャルモードでは、信号２４は、信号線２２、２３に互いに逆方向の信号として入力される。そのため、各信号線２２、２３によってフェライトコア２１上に生じる磁束２５、２６は、互いに逆方向の磁束となり、打ち消し合うこととなる。従って、信号線２２、２３が生み出す磁界２７によって生じるインピーダンス（インダクタンス）がほとんどないので、信号２４は、ほとんど減衰することなく出力される。

一方、コモンモードノイズ２８に対しては、コモンモードフィルタ１２は、コモンモードで用いられる。図２（ｂ）は、コモンモードでのコモンモードフィルタ１２の動作を説明する図である。コモンモードでは、コモンモードノイズ２８は、信号線２２、２３の同方向に生じる。そのため、各信号線２２、２３によってフェライトコア２１上に生じる磁束２５、２６は、互いに同方向の磁束となり、強め合うこととなる。従って、信号線２２、２３が生み出す磁界２７によって生じるインピーダンス（インダクタンス）が高くなり、コモンモードノイズ２８はほとんど出力されない。このようにして、コモンモードフィルタ１２は、ノイズのみを減衰させることができる。

このような構成により、ＤＶＤプレーヤー２から出力された信号は、外来ノイズをほとんど伴うことなく、ＨＤＭＩケーブル３、信号伝送回路１を介してデジタルテレビ４に入力する。

上記コモンモードフィルタ１２により外来ノイズを減少させることができたが、伝送路の特性インピーダンスの不連続点での信号の反射によって生じるノイズも減少させなければならない。そのため、ここでＴＤＲ法により特性インピーダンスを測定する。ＴＤＲ法とは、伝送路の特性インピーダンスの不連続点で反射されたパルスを測定することにより、伝送路の特性インピーダンスを計測する測定法である。

図３は、伝送路１０の特性インピーダンスをＴＤＲ法により測定するための測定環境を示す図である。高速オシロスコープ５とレシーバＩＣ６は伝送路１０を介して接続されている。伝送路１０は、同軸ケーブル７と信号伝送回路１とを有している。高速オシロスコープ５は、ＴＤＲモジュール５１を有している。高速オシロスコープ５は、ＴＤＲモジュール５１を介して同軸ケーブル７と接続され、同軸ケーブル７の他端は信号伝送回路１と接続される。信号伝送回路１の他端にはレシーバＩＣ６が接続される。

高速オシロスコープ５としては、Ａｇｉｌｅｎｔ（８６１００）を、ＴＤＲモジュール５１としては、ＴＤＲｍｏｄｕｌｅ（５４７５４）を用いる。レシーバＩＣ６は、電源がオフのときに無限大の入力インピーダンスを有し、高速オシロスコープ５からの信号を１００％反射させる。同軸ケーブル７は、２本の差動信号線からなり、それぞれ５０Ωの特性インピーダンスを有するため、同軸ケーブル７全体の特性インピーダンスは１００Ωとなる。

本実施の形態によるＴＤＲ法の測定方法について図３及び図４を用いて説明する。まず、高速オシロスコープ５が入射電圧ステップＥｉを発生させ、この入射電圧ステップＥｉを伝送路１０に出力する。伝送路１０上で特性インピーダンスの不連続点が存在しない場合には、入射電圧ステップＥｉがレシーバＩＣ６でそのまま反射され、高速オシロスコープ５上には、図４（ａ）に示すように、入射電圧ステップＥｉのみが表示される。

一方、伝送路１０の特性インピーダンスに不連続点が存在する場合には、その不連続点で入射電圧ステップの一部が反射される。この場合、高速オシロスコープ５上には、図４（ｂ）に示すように、反射波Ｅｒが入射電圧ステップＥｉに代数的に追加されて表示される。この結果より、特性インピーダンスの不連続点の位置と特性インピーダンスの値を求めることができる。すなわち、反射波Ｅｒが測定されるまでの時間Ｔにより、特性インピーダンスの不連続点の位置を、反射波Ｅｒの値により、その位置での特性インピーダンスを求めることができる。

図５（ａ）は、上記の方法により測定したコモンモードフィルタ１２を備えない伝送路の特性インピーダンスを示したグラフであり、図５（ｂ）は、コモンモードフィルタ１２を備えた伝送路１０の特性インピーダンスを示したグラフである。ここでは、コモンモードフィルタ１２としては、ＡＣＭ２０１２Ｄ−９００（ＴＤＫ製）を用い、バリスタ１３、１４にはそれぞれ容量の異なる５種類のものを用いた。図５（ａ）と比べて、図５（ｂ）では、どの容量のバリスタ１３、１４の場合でも、特性インピーダンスの低下が改善されている。

図６は、コモンモードフィルタ１２を備えない場合と、備えた場合とのバリスタ１３、１４の位置での最小の特性インピーダンスの変化を示したグラフである。どの容量のバリスタ１３、１４の場合でも、前者に比べて後者は、２０Ω近く最小特性インピーダンスが上昇している。

ところで、上記したように、コモンモードフィルタ１２を信号伝送回路１に備えることにより特性インピーダンスはある程度改善されるが、より高品質な画像等を提供するためには、できる限り特性インピーダンスを整合させる必要がある。そこで、本発明では、コモンモードフィルタ１２−バリスタ１３、１４間すなわち接続部１５の長さｄを３ｍｍ以内とする。ここで、長さｄとは、コモンモードフィルタ１２の出力部１２３とバリスタ１３の入力端子１３１の電気的な長さ、及び、コモンモードフィルタ１２の出力部１２４とバリスタ１４の入力端子１４１の電気的な長さを意味する。

図７（ａ）及び図７（ｂ）は、チップ型のコモンモードフィルタ１２とバリスタ１４をプリント基板上に配置した場合の長さｄを示した図であり、図８（ａ）及び図８（ｂ）は、リード型のコモンモードフィルタ１２とバリスタ１４をプリント基板上に配置した場合の長さｄを示した図である。図７（ａ）、図７（ｂ）及び図８（ａ）、図８（ｂ）に示すように、コモンモードフィルタ１２とバリスタ１３、１４がプリント基板上に配置された場合には、コモンモードフィルタ１２の出力部１２３とバリスタ１３の入力端子１３１の電気的な長さとは、出力部１２３の先端Ａと入力端子１３１の先端Ｂとを結ぶパターン上の長さｄを意味する。

図９は、長さｄと最小特性インピーダンスの関係を示したＴＤＲ法による実験データである。バリスタ１３、１４の容量に関わらず、長さｄが短いほどその特性がよくなっていることが分かる。ここで、特に注目したい点は、長さｄが３ｍｍを超えると、最小特性インピーダンスが大きく低下してしまうことである。これは、逆に言えば、長さｄが３ｍｍ以内ならば最小特性インピーダンスの極端な低下を抑えることができるということである。このように、長さｄを３ｍｍ以内とすることで、最小特性インピーダンスの極端な低下を抑えることができ、特性インピーダンスの不整合による反射を軽減させることができる。この場合、各信号線２２、２３における長さｄが等しくなくても、それぞれを３ｍｍ以内に配置すれば本発明の効果は得られる。同時に、コモンモードフィルタ本来のコモンモードノイズを抑える効果も期待できる。

また、高速差動インターフェースには、このノイズに対する規格として、特性インピーダンスが１００±１５Ω以内であることが要求される。通常、コモンモードフィルタ１２及びバリスタ１３、１４にどのような値のものを用いるかは、ある程度決まってしまっているため、特性インピーダンスが規格内に収まらないことも考えられる。このような場合に、長さｄを３ｍｍ以内とすることで特性インピーダンスが規格内に収まる場合も生じる。また、長さｄは近ければ近いほどその特性インピーダンスも改善されるが、基板のパターンの都合上、近接して配置できない場合もあり得る。そのような場合でも長さｄを３ｍｍ以内に置くことができれば、特性インピーダンスの不整合を軽減することができる。

本発明の第２の実施の形態による信号伝送回路について図１０を参照しながら説明する。図１０は、信号伝送回路１がＨＤＭＩケーブル３内に備えられた場合の図である。この場合、信号伝送回路１は、ケーブル上に備えられていても接続端子部に備えられていてもよい。このような場合にも第１の実施の形態と同様の効果が得られる。

本発明の第３の実施の形態による信号伝送回路について図１１を参照しながら説明する。図１１は、信号伝送回路１がＤＶＤプレーヤー２内に備えられた場合の図である。この場合、信号伝送回路１は、ＤＶＤプレーヤー２の出力部に備えられていてもよい。このような場合にも第１の実施の形態と同様の効果が得られる。

本発明による信号伝送回路は、上述した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した範囲で種々の変形や改良が可能である。例えば、信号伝送回路１は、上記位置に限らず、ＤＶＤプレーヤー２からの出力後、デジタルＴＶ４の最初の回路の前に入っていれば良い。ＤＶＤプレーヤー２は、パーソナルコンピュータや、セットトップボックス等の他のデジタル送信機器でもよい。ＨＤＭＩケーブル３は、ＤＶＩ、ＵＳＢ、ＩＥＥＥ等の方式のケーブルでもよい。デジタルテレビ４は、ＬＣＤモニタ等の他のデジタル映像機器でもよい。バリスタ１３は、コンデンサ、ツェナーダイオード等の他の容量性素子でもよい。

は、本実施の形態による信号伝送回路１を示した図である。 は、デイファレンシャルモードでのコモンモードフィルタ１２の動作を説明する図である。 は、コモンモードでのコモンモードフィルタ１２の動作を説明する図である。 は、本実施の形態によるＴＤＲ法の測定環境を示した図である。 は、伝送路に不連続点がない場合のオシロスコープ上の表示である。 は、伝送路に不連続点がある場合のオシロスコープ上の表示である。 は、コモンモードフィルタ１２を備えない信号伝送回路の特性インピーダンスを示したグラフである。 は、コモンモードフィルタ１２を備えた伝送回路の特性インピーダンスを示したグラフである。 は、コモンモードフィルタ１２を備えない場合と、コモンモードフィルタ１２を備えた場合との伝送路１０の特性インピーダンスの変化を示したグラフである。 は、チップ型のコモンモードフィルタ１２及びバリスタ１４をプリント基板上に配置した場合の平面図である。 は、チップ型のコモンモードフィルタ１２及びバリスタ１４をプリント基板上に配置した場合の側面図である。 は、リード型のコモンモードフィルタ１２及びバリスタ１４をプリント基板上に配置した場合の平面図である。 は、リード型のコモンモードフィルタ１２及びバリスタ１４をプリント基板上に配置した場合の側面図である。 は、長さｄと最小特性インピーダンスの関係を示したＴＤＲ法による実験データである。 は、信号伝送回路１がＨＤＭＩケーブル３内に備えられた場合の図である。 は、信号伝送回路１がＤＶＤプレーヤー２内に備えられた場合の図である。 は、伝送回路内に容量性素子を挿入した場合と挿入しない場合の伝送回路内の各位置での特性インピーダンスを示したグラフである。

符号の説明

１ 信号伝送回路
２ ＤＶＤプレーヤー
３ ＨＤＭＩケーブル
４ デジタルテレビ
１０ 伝送路
１２ コモンモードフィルタ
１３、１４ バリスタ
１５ 接続部
２１ フェライトコア
２２、２３ 信号線
３１、３２ 接続端子部
１２１、１２２ 入力部
１２３、１２４ 出力部
１３１、１４１ 入力端子部
１３２、１４２ 出力端子部

Claims (5)

1. ＨＤＭＩ規格の高速差動インターフェースに接続される信号伝送回路であって、
   コアと、前記コアに螺旋状に巻かれた第１の信号線及び第２の信号線と、前記第１の信号線の第１の入力部及び第１の出力部と、前記第２の信号線の第２の入力部及び第２の出力部とを有し、前記第１の入力部と前記第２の入力部には互いに逆位相の信号が入力されるコモンモードフィルタと、
   第１の入力端子及び第１の出力端子を有し、前記コモンモードフィルタの第１の出力部に前記第１の入力端子が接続された第１の容量性素子と、
   第２の入力端子及び第２の出力端子を有し、前記コモンモードフィルタの第２の出力部に前記第２の入力端子が接続された第２の容量性素子と、
   を備え、
   前記第１の出力部と前記第１の入力端子とを結ぶ第１の接続部の長さ、並びに、前記第２の出力部と前記第２の入力端子とを結ぶ第２の接続部の長さが共に３ｍｍ以内であり、特性インピーダンスが１００±１５Ω以内であることを特徴とする信号伝送回路。
2. 請求項１に記載の信号伝送回路を備えた電子機器。
3. 請求項１に記載の信号伝送回路を備えたケーブル。
4. 請求項１に記載の信号伝送回路を搭載するプリント基板であって、前記第１の接続部に相当するパターンの長さ、並びに、前記第２の接続部に相当するパターンの長さが共に３ｍｍ以内であることを特徴とするプリント基板。
5. 前記第１の容量性素子及び前記第２の容量性素子は、バリスタであることを特徴とする請求項１に記載の信号伝送回路。

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