JP4825390B2 - 高速コネクタと回路基板との間の相互接続 - Google Patents
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Description
発明の背景
本発明は、多層印刷回路基板と高速同軸コネクタとの間に構成される相互接続に関する。より詳細には、それは印刷回路基板と同軸ケーブルとの間に接触を確立する、印刷回路基板とコネクタの結合に関する。本発明は、コネクタを通しての接地経路の長さを最小にすることによって、信号ラインインピーダンスを制御し、それによってコネクタを通して伝わる高速信号の完全性を維持する。
【0002】
集積回路の他の回路基板、ケーブル、または他の電子素子への相互接続は、技術上公知である。通常、かかる相互接続は、特に、回路のスイッチング速度(信号遷移時間とも称される)が、信号が相互接続におけるコネクタ、すなわち印刷回路基板上のコネクタを通して伝わるのに必要な時間の長さに比べて遅かった場合に、形成するのが困難ではなかった。しかし、回路のスイッチング速度は現代の集積回路および関連コンピュータ技術と一致して増加し続けるので、満足な相互接続の設計および製造がより困難になった。
【0003】
具体的にいえば、綿密に制御される電気的特性を有する、印刷回路基板およびそれらの付随相互接続を設計し、製造して、信号の健全性に対して満足な制御を達成する必要性が増大している。(インピーダンスのような)電気的特性をどの程度制御する必要があるのかは、回路のスイッチング速度にかなり依存する。すなわち、回路のスイッチング速度が速くなるほど、正確に制御されるインピーダンスを相互接続内に設ける重要性がますます大きくなる。
【0004】
高速回路に対して必要なインピーダンス制御を与えるために開発されたコネクタが、技術的に充実している。たとえば、米国特許第6,024,587号が、多層印刷回路基板間に電気的接続を設ける高速回路相互接続装置を開示する。この技術は、最適な印刷回路基板相互接続設計が印刷回路基板とコネクタとの間の物理的間隔を最小にすることによって、辛うじて制御される信号ライン特性インピーダンスの長さを最小にすることを教示している。この技術はまた、電力および接地コンタクト専用の多重ピン付きの比較的大きなピンおよびソケットコネクタを含むコネクタ設計が、高速印刷回路基板に対してほんの辛うじて受理できる性能を与えることを教示している。
【0005】
残念なことに、現在利用できる高速相互接続解決は概して複雑であって、小さい製造変動にさえも非常に敏感である、かつ結果として製造するのが高価で困難である、非常に正確な構成要素設計を必要とする。必要とされるのは、製造するのが安価で容易である一方で、高速集積回路に対して必要なインピーダンス制御を与える印刷回路基板相互接続装置である。
【0006】
発明の概要
本発明は、印刷回路基板および高速同軸コネクタを経済的な方法で接続する相互接続装置を記載している。電気的コネクタ組立品が信号および接地のトレースを有する印刷回路基板を含み、信号トレースは信号コンタクトパッドに接続され、接地トレースは接地コンタクトパッドに接続される。接地コンタクトパッドは印刷回路基板の縁に隣接して位置付けられる。ピンヘッダーが印刷回路基板の信号コンタクトパッドに接続される。ピンヘッダーは表面実装またはスルーホールピンヘッダー、あるいは技術的に既知である他の適当なピンヘッダーであることがある。ピンヘッダーのピンを受入れるコネクタが、印刷回路基板の縁に隣接する接地コンタクトパッドと接触するコンタクトビームを有する同軸ケーブル端子を含む。このように、信号および接地の経路の長さが相互接続によって最小にされ、それによって高速装置におけるコネクタの性能を改善する。
【0007】
発明の詳細な説明
図1および2に示された本発明は、少なくとも1つの信号トレース(図示せず)および少なくとも1つの接地トレース(図示せず)を有する印刷回路基板10を含む。接地トレースは接地コンタクトパッド18に接続される一方で、信号トレースは信号コンタクトパッド16に接続される。ピンヘッダー20が、回路基板10に取り付けられた第1のピン端部22aから第2のピン端部22bまで延びる複数のコンタクトピン22を含む。ピンヘッダー20は表面実装ピンヘッダーとしてここに示され、そして説明される。ピンヘッダー20はまた、スルーホールピンヘッダー、または技術的に既知である他の適当なタイプのピンヘッダーであることがある。ピンヘッダーは、一般に、たとえば、インディアナ州ニューアルバニーのSamtec、ペンシルバニア州ハリスバーグのAMP、およびミネソタ州セントポールのMinnesota Mining and Manufacturing Companyなど様々な供給元から入手できる。
【0008】
一般に入手できるピンヘッダー20はコンタクトピン22の2つの列23a、23bを含む。通常、ピンの1つの列が接地面に接続され、一方ではピンの第2の列が回路基板の信号トレースに接続される。最も一般には第1の列23a(回路基板10から最も遠い列)は接地面に接続され、一方では第2の列23b(回路基板10に最も近い列)は回路基板10の信号トレースに接続される。もちろん、列23aおよび23bにおけるピン22の様々な結合が、いくつもの方法で回路基板10に接続される。
【0009】
本発明の1つの実施形態において、機械的安定性をピンヘッダー20に付加するためだけに、ピン22の第1の列23aは回路基板10に取り付けられる。すなわち、列23a中のピン22は回路基板10上のどんな素子にも電気的に接続されず、無視し得る。もう一つの選択肢として、列23a中のピン22は回路基板10の接地面と電気的に接触しているままであることがある。第1の列23aは相互接続を通る最長の非シールド経路を有する列であり、したがって、第1の列23bのピン22は回路基板10上の信号トレースに電気的に接続されるために使用されることが好ましいことに留意する必要がある。(信号コンタクトパッド16に接続する)単一列のピンだけを有するピンヘッダーを使用することが可能であり、ピンヘッダーは、図に示されたようなピン22の第2の列以外の手段によって、回路基板10上に安定化されることもまた分かるだろう。
【0010】
第2の列23b中のコンタクトピン22は、信号コンタクトパッド16を経由して印刷回路基板10に電気的に接続する。列23b中の各コンタクトピン22の第1の端部22aは、信号コンタクトパッド16のうちの1つに接続される。図1および2に示されたように、回路基板10はピンヘッダー20を回路基板10の両側に含むことがあり、信号パッド16および接地コンタクトパッド18も同様に位置付けられる。
【0011】
図で分かるように、発明組立品はまた、コンタクトピン22の第2の端部22bを受け入れる、かつそれらを同軸ケーブル31に接続するコネクタキャリア30を含む。コネクタキャリア30は、コネクタハウジング34内に位置づけられた複数の同軸ケーブル端子32を含む。単一同軸ケーブル端子32の拡大図が図3に示される。複数の同軸ケーブル端子32の各々が、嵌合する信号コンタクトピン22の第2の端部22bを受け入れるように適合される。
【0012】
各同軸ケーブル端子32は、コネクタキャリア30がピンヘッダー20と係合する時に印刷回路基板10上の接地コンタクトパッド18に電気的に接続する、その先端38に隣接するコンタクトビーム36を含むことを除いて、同軸ケーブル端子32は従来の設計である。このように、印刷回路基板10から同軸ケーブル31への電気的経路ができるだけ短くされ、それによって表面実装ピンヘッダー20で以って別様に期待される、コネクタキャリア30の性能を劇的に改善する。
【0013】
コネクタキャリア30が印刷回路基板10上の各ピンヘッダー20に対して設けられ、1つのコネクタは印刷回路基板10のどちらかの側に位置付けられる。印刷回路基板10のどちらかの側におけるコネクタキャリア30の使用が、印刷回路基板10と同軸ケーブル端子32との間の機械的接触力を平衡させることが好ましく、それによって印刷回路基板10が長い間に曲がったり、ゆがんだりするのを防止する。
【0014】
接地コンタクトパッド18を印刷回路基板10の縁42に隣接して設けることによって得られた、改善された性能は、劇的であり、図4a〜4cに示されたデータから分かる。図4a〜4cは、ある周波数範囲にわたって相互接続装置を通って伝わる正弦波の減衰または損失を表わす。このデータを生成する試験方法は技術上公知である。データは、SD−24 TDRサンプリングヘッドを有するTektronix CSA 803通信信号アナライザーを用いて生成された。
【0015】
図4aは、接地経路が従来の方法で列23aのコンタクトピン22を通してルーティングされる場合の相互接続性能を示す。−3dB(Vout/Vinが0.707にほぼ等しい)より大きい減衰が受理できないことが一般に認められている。従来のタイプの相互接続装置は、約800MHzまでにだけ満足する性能を与えることが図4aから容易に分かる。この小さい相互接続装置の帯域幅は現在の高性能装置には明らかに受け入れられない。
【0016】
図4bは、接地経路がコンタクトビーム36を通してだけ印刷回路基板10の縁42におけるコンタクトパッド18へルーティングされる場合の相互接続装置の改善された性能を示す。印刷回路基板10の縁42に直ぐ隣接するコンタクトビーム36および接地コンタクトパッド18を通して接地経路をルーティングすることが、装置性能を改善するということが分かる。ここに述べられた本発明の相互接続装置は約4.3GHzまで満足する性能を与える。これは、図4aの従来の相互接続装置と比較して明らかに劇的であり、かつ予想されない改善である。
【0017】
図4cは、接地経路がコンタクトビーム36を通してコンタクトパッド18へ、かつ第1の列23aのコンタクトピン22を通して両方でルーティングされる場合の相互接続装置の改善された性能を示す。コンタクトビーム36および列23のコンタクトピン22の両方を通して接地する組合せが、コンタクトビーム36だけを用いるよりもさらによい性能を与える。図4cに示されたように、この組合せは約4.8GHzまで満足する性能を生ずる。
【0018】
図5a〜5cは、図4a〜4eのコネクタに対するタイムドメイン反射率計(TDR)グラフを示す。TDRグラフは、信号が250ピコ秒、100ピコ秒、および35ピコ秒の立ち上がり時間で相互接続装置を通して伝わる時のインピーダンスの変化を示す。理想的に、装置のTDRグラフは一定のインピーダンスを有するだろう。相互接続装置を設計する場合に、1つの目標は、信号が相互接続装置を通して伝わる時のインピーダンスの変化を最小にすることである。インピーダンスの変化を最小にすることによって、信号の歪みおよび減衰が小さくされ、それによって装置性能を改善する。コンタクトビーム36および接地コンタクト18を用いる本発明の相互接続装置(図5bおよび5c)が、接地をコンタクトピンを通してルーティングする従来の装置(図5a)より非常にすばらしい、インピーダンスに対する制御を与えることが、TDRグラフを比較することによって分かる。具体的にいえば、コンタクトビーム36を利用する相互接続装置は、相互接続装置を通して、かなりより滑らかなインピーダンスプロフィールおよびより狭いインピーダンス範囲を示す。
【0019】
個別電力コネクタ50が、図1に示されるように信号コネクタキャリア30と嵌合されることがある。電力コネクタ50は、技術的に既知である方法でピンヘッダー52に接続する。
【0020】
印刷回路基板10の両側に位置づけられたコネクタ30、50は、コネクタ30、50を印刷回路基板10上に正しく定置するリードイン機構62付きのガイド60を含む。コネクタ30、50は、図6に、回路基板10上のピンヘッダー20に嵌合されて示される。コネクタ30、50は、コネクタを互いに対して、かつ印刷回路基板10に対して圧迫する、弾性帯または他の手段(図示せず)によってのように、互いに対して弾性的に固定されることが好ましい。このように、コネクタ30、50は回路基板10上で別々に「浮動する」ことが可能である。回路基板10上で浮動できることが、業界で平均的である回路基板厚さの変動に対する適合を可能にする。コネクタ30、50はまた、コネクタ30、50を印刷回路基板10を保持する電子素子(図示せず)に取り付ける螺子66を受け入れる取付タブまたは耳64を含む。
【0021】
このように、高速同軸ケーブル相互接続装置に合った経済的な印刷回路基板が論証された。この相互接続装置は、一般に入手できる低価格部品を使用し、高速装置において優れた性能を与える。本発明はその好ましい実施形態を参照して本明細書中で記載されてきたが、当業者は、本発明の範囲および精神から逸脱せずに、変更が本発明に対して行なわれることがあることを認めるだろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の相互接続装置の斜視図である。
【図2】 相互接続装置の断面図である。
【図3】 相互接続装置で使用される同軸ケーブル端子の拡大斜視図である。
【図4a】 本発明の相互接続装置の改善された周波数性能を示す減衰線図である。
【図4b】 本発明の相互接続装置の改善された周波数性能を示す減衰線図である。
【図4c】 本発明の相互接続装置の改善された性能をある周波数範囲にわたって示す減衰線図である。
【図5a】 本発明の相互接続装置の改善されたインピーダンス制御を示すグラフである。
【図5b】 本発明の相互接続装置の改善されたインピーダンス制御を示すグラフである。
【図5c】 本発明の相互接続装置の改善されたインピーダンス制御を示すグラフである。
【図6】 係合された構成における相互接続装置の斜視図である。
Claims (5)
- 高速電気信号を伝送する電気コネクタ組立品であって、
少なくとも一つの信号トレースおよび少なくとも一つの接地トレースを有する印刷回路基板であって、前記信号トレースは信号コンタクトパッドに接続され、前記接地トレースは接地コンタクトパッドに接続される印刷回路基板と、
少なくとも一つのコンタクトピンを有する第1のピンヘッダーであって、前記コンタクトピンの第1の端部が前記信号コンタクトパッドに接続される第1のピンヘッダーと、
前記少なくとも一つのコンタクトピンの第2の端部を受け入れる第1のコネクタであって、前記接地コンタクトパッドと接触するコンタクトビームを有する第1のコネクタと、
を備えることを特徴とする電気コネクタ組立品。 - 前記第1のコネクタが同軸ケーブル用の端子を含み、前記端子は前記コンタクトピンの前記第2の端部を受け入れ、前記コンタクトビームを支持するように構成されたことを特徴とする、請求項1に記載の電気コネクタ組立品。
- 前記印刷回路基板が少なくとも一つの信号コンタクトパッドおよび少なくとも一つの接地コンタクトパッドを前記印刷回路基板の各側に含み、第2のピンヘッダーおよび第2のコネクタを前記印刷回路基板の各側にさらに備えることを特徴とする、請求項1に記載の電気コネクタ組立品。
- 前記第1および第2のコネクタが前記印刷回路基板上で別々に浮動することを特徴とする、請求項3に記載の電気コネクタ組立品。
- 高速電気信号を印刷回路基板と同軸ケーブルとの間で伝送する電気コネクタ組立品であって、
複数の信号トレースおよび少なくとも一つの接地トレースを有する印刷回路基板と、
複数の信号ピンを有するピンヘッダーであって、前記複数の信号ピンの各々の第1の端部が前記複数の信号トレースの対応する物に電気的に接続されるピンヘッダーと、
前記ピンヘッダーと嵌合し、前記複数の信号ピンの各々の第2の端部を受け入れるように構成された複数の同軸ケーブル端子を有するコネクタであって、前記複数の同軸ケーブル端子の各々が、前記少なくとも一つの接地トレースと電気的に接続するために、そこから延びるコンタクトビームを有し、前記少なくとも一つの接地トレース、および前記複数の同軸ケーブル端子の前記コンタクトビームは、前記印刷回路基板上の前記接地トレースと前記同軸ケーブル端子との間に形成された信号リターンパスの長さを最小にするように位置づけられるコネクタと、を備えることを特徴とする電気コネクタ組立品。
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