特開 2024-823 信号伝送装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024000823

(43)【公開日】2024-01-09

(54)【発明の名称】信号伝送装置

(51)【国際特許分類】

   H04L 25/02 20060101AFI20231226BHJP

   G06F 3/00 20060101ALI20231226BHJP

【ＦＩ】

H04L25/02 303Z

H04L25/02 V

G06F3/00 K

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022099758

(22)【出願日】2022-06-21

(71)【出願人】

【識別番号】000006231

【氏名又は名称】株式会社村田製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】太田 圭亮

【テーマコード（参考）】

5K029

【Ｆターム（参考）】

5K029AA02

5K029CC01

5K029DD24

5K029JJ08

(57)【要約】

【課題】ノイズの低減と、他の装置との間の信号線路における信号の反射の低減とを実現できる信号伝送装置を提供する。
【解決手段】信号伝送装置は、回路基板と、前記回路基板に設けられ、外部の装置と差動信号を伝送するケーブルを着脱可能なコネクタと、前記回路基板に実装される集積回路と、前記回路基板に設けられており、前記集積回路と前記コネクタとの間で前記差動信号の授受を行うための信号線路と、前記信号線路に設けられており、前記集積回路から出力されるノイズを抑制するためのコモンモードチョークコイルと、前記信号線路において、前記コモンモードチョークコイルと前記コネクタとの間に設けられたリタイマＩＣと、を含む。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

回路基板と、
前記回路基板に設けられ、外部の装置と差動信号を伝送するケーブルを着脱可能なコネクタと、
前記回路基板に実装される集積回路と、
前記回路基板に設けられており、前記集積回路と前記コネクタとの間で前記差動信号の授受を行うための信号線路と、
前記信号線路に設けられており、前記集積回路から出力されるノイズを抑制するためのコモンモードチョークコイルと、
前記信号線路において、前記コモンモードチョークコイルと前記コネクタとの間に設けられたリタイマＩＣと、を含む信号伝送装置。

【請求項2】

前記コモンモードチョークコイルは、前記集積回路から前記信号線路へ前記差動信号を出力する端子の直近に設けられている請求項１に記載の信号伝送装置。

【請求項3】

前記リタイマＩＣは、
前記差動信号を受信し、シングルエンド信号を出力する受信部と、前記受信部から出力される前記シングルエンド信号からデータおよびクロックを生成するクロックデータリカバリ部と、前記クロックデータリカバリ部によって生成されるデータを前記クロックのタイミングで記憶するエラスティックバッファと、前記エラスティックバッファからデータを読み出すためのクロックを生成するクロック生成部と、前記エラスティックバッファから読み出されるデータを入力し、差動信号を出力する送信部と、を含む請求項１または請求項２に記載の信号伝送装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、信号伝送装置に関する。

【背景技術】

【0002】

信号伝送装置にＵＳＢ－ＩＣなどのコントローラＩＣが実装されることがある。例えば、ＵＳＢ－ＩＣは、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）信号を出力する。ＵＳＢ信号は、ＵＳＢの規格に準拠した差動信号である。ＵＳＢ信号は、コネクタを介して、信号伝送装置の外部の装置に入力される。

【0003】

ここで、コントローラＩＣにおいて発生するノイズを低減するために、コモンモードチョークコイル（ＣＭＣＣ：Common Mode Choke Coil）を設けることがある。コモンモードチョークコイル（以下、ＣＭＣＣと記すことがある）は、例えば、コントローラＩＣとコネクタとの間に設けられる（例えば、特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００９－１３５７６０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

信号伝送装置においては、ノイズを低減するとともに、信号伝送装置と他の装置との間の信号線路における信号の反射について考慮する必要がある。

【0006】

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ノイズの低減と他の装置との間の信号線路における信号の反射の低減を実現できる信号伝送装置の提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示のある態様による信号伝送装置は、回路基板と、前記回路基板に設けられ、外部の装置と差動信号を伝送するケーブルを着脱可能なコネクタと、前記回路基板に実装される集積回路と、前記回路基板に設けられており、前記集積回路と前記コネクタとの間で前記差動信号の授受を行うための信号線路と、前記信号線路に設けられており、前記集積回路から出力されるノイズを抑制するためのコモンモードチョークコイルと、前記信号線路において、前記コモンモードチョークコイルと前記コネクタとの間に設けられたリタイマＩＣと、を含む。

【発明の効果】

【0008】

本開示にかかる信号伝送装置によれば、ノイズの低減と、他の装置との間の信号線路における信号の反射の低減とを実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、比較例の信号伝送装置の要部の構成を示す図である。

【図2】図２は、図１の構成においてケーブル側に反射するコモンモード信号の例を示す図である。

【図3】図３は、実施形態による信号伝送装置の要部を示す図である。

【図4】図４は、リタイマＩＣの構成例を示す図である。

【図5】図５は、ＣＭＣＣの例を示す外観図である。

【図6】図６は、図５のＣＭＣＣに差動信号を入力した場合の周波数特性を示す図である。

【図7】図７は、図５のＣＭＣＣにコモンモード信号を入力した場合の周波数を示す図である。

【図8】図８は、信号伝送装置におけるノイズの測定について説明する図である。

【図9】図９は、信号伝送装置におけるノイズの測定について説明する図である。

【図10】図１０は、ノイズに関する評価の例を示す図である。

【図11】図１１は、信号伝送装置に関して、コネクタ側から見た反射特性の測定について説明する図である。

【図12】図１２は、信号伝送装置に関して、コネクタ側から見た反射特性の測定について説明する図である。

【図13】図１３は、図３の構成においてケーブル側に反射するコモンモード信号の例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下に、本開示の信号伝送装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、各実施形態の構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。各実施形態は例示であり、異なる実施の形態で示した構成の部分的な置換又は組み合わせが可能である。以下の各実施形態の説明において、他の実施形態と同一又は同等の構成部分については同一の符号を付し、その説明を簡略又は省略する。以下に記載した構成は適宜組み合わせることが可能である。また、本開示の要旨を逸脱しない範囲で構成の省略、置換又は変更を行うことができる。

【0011】

（比較例）
本開示の理解のため、比較例について先に説明する。

【0012】

図１は比較例の信号伝送装置１０ａの要部の構成を示す図である。図１において、信号伝送装置１０ａは、回路基板１ａと、コントローラＩＣ１１と、コネクタ２０と、ＣＭＣＣ１２と、信号線路１５と、を有する。コントローラＩＣ１１、コネクタ２０、ＣＭＣＣ１２、および、信号線路１５は、回路基板１ａに実装される。

【0013】

コネクタ２０は、回路基板１ａに設けられている。コネクタ２０は、ケーブル２を着脱できる。コネクタ２０にケーブル２を接続することにより、信号伝送装置１０ａに対して、図示しない外部の装置を電気的に接続できる。ケーブル２は、例えば、外部の装置に差動信号を伝送するケーブルである。

【0014】

コントローラＩＣ１１は、所定の規格に沿った信号を入出力できるコントローラとしての機能を有する集積回路である。コントローラＩＣ１１は、回路基板１ａに実装される。コントローラＩＣ１１は、図示しない外部の装置がコネクタ２０に接続されている場合に、コネクタ２０を介して外部の装置と差動信号の授受を行う集積回路である。コントローラＩＣ１１は、例えば、ＵＳＢ信号を入出力できるＵＳＢ－ＩＣである。コントローラＩＣ１１は、コントローラとしての機能を有するＣＰＵ（Central Processing Unit）であってもよい。

【0015】

信号線路１５は、回路基板１ａに設けられている。信号線路１５は、コントローラＩＣ１１とコネクタ２０との間において、差動信号の授受を行うための線路である。ＣＭＣＣ１２は、信号線路１５に設けられている。ＣＭＣＣ１２は、コントローラＩＣ１１から出力されて信号線路１５を伝送する信号のコモンモードノイズを抑制する。

【0016】

図１に示す信号伝送装置１０ａにおいて、コントローラＩＣ１１から出力される信号は、信号線路１５を伝送し、コネクタ２０およびケーブル２を介して図示しない外部の装置に伝送される。また、図示しない外部の装置から出力される信号は、ケーブル２およびコネクタ２０を介して信号伝送装置１０ａに入力される。信号伝送装置１０ａに入力される信号は、信号線路１５を伝送してコントローラＩＣ１１に入力される。信号線路１５を伝送する信号のコモンモードノイズは、ＣＭＣＣ１２によって低減される。このため、信号伝送装置１０ａからコネクタ２０を介してケーブル２へ流れるコモンモードノイズはＣＭＣＣ１２によって低減される。

【0017】

ここで、ＣＭＣＣ１２は、コントローラＩＣ１１とコネクタ２０との間に設けられている。このため、コントローラＩＣ１１から出力される信号については、周波数帯域によっては、矢印Ｙ１で示すようにＣＭＣＣ１２によって反射される。矢印Ｙ１のように反射される信号が信号伝送装置１０ａの各部に入力されることは好ましくない。

【0018】

また、外部の装置から出力される信号についても、コネクタ２０を通過した後、周波数帯域によっては、矢印Ｙ２で示すようにＣＭＣＣ１２によって反射される。矢印Ｙ２のように反射される信号は、コネクタ２０を通過してケーブル２に入力される。矢印Ｙ２のように反射される信号がケーブル２を通って外部の装置に入力されることは好ましくない。

【0019】

図２は、図１の構成においてケーブル２側に反射するコモンモード信号の例を示す図である。図２において、横軸は周波数［ＧＨｚ］、縦軸はＳパラメータのＳｃｃ１１［ｄＢ］を示す。Ｓｃｃ１１は、コモンモード信号の反射特性を示す。

【0020】

図２において、信号範囲１００は、所定の規格によって信号の品位に対する指標として定められている範囲である。信号範囲１００は、例えば、ＵＳＢの規格において、ＵＳＢのコネクタ側に反射するコモンモード信号を規定した範囲である。ここで、ノイズ除去用のＣＭＣＣ１２は、入力されたコモンモード信号を、通過させずに入力側に反射させる特性を持つ。したがって、ＣＭＣＣ１２の反射特性により、矢印Ｙ２のように、コネクタ２０側にコモンモード信号が反射してしまう。そのため、図１に示す比較例の構成において、は、図２の信号範囲１００を外れる部分があり、コモンモードリターンロスの指標を満足することができない。

【0021】

（実施形態）
次に、実施形態による信号伝送装置について説明する。

【0022】

図３は、実施形態による信号伝送装置１０の要部を示す図である。図３に示すように、本例の信号伝送装置１０は、回路基板１と、コントローラＩＣ１１と、コネクタ２０と、ＣＭＣＣ１２と、信号線路１５と、リタイマＩＣ１３と、を有する。図１を参照して説明した比較例と異なる点は、信号線路１５にリタイマＩＣ１３を追加した点である。リタイマＩＣ１３は、信号線路１５において、ＣＭＣＣ１２とコネクタ２０との間に設けられている。なお、信号伝送装置１０は、例えば、ノート型パーソナルコンピュータ、デスクトップ型パーソナルコンピュータ、ゲーム機などである。

【0023】

（リタイマＩＣ）
リタイマＩＣ１３は、入力される差動信号を一旦シングルエンド信号に変換し、さらに差動信号に変換し、出力する。そのため、入力される信号のコモンモード成分は出力信号側に流れない。このとき、リタイマＩＣ１３は、入力される差動信号に対応する差動信号を、他のクロックに同期させて出力する。つまり、リタイマＩＣ１３は、入力される差動信号を、他のクロックに同期させて再生成する。ＣＭＣＣ１２によるコモンモードの反射信号は、リタイマＩＣ１３によってキャンセルされる。したがって、コネクタ２０側にコモンモードの反射信号が伝送されることは無い。

【0024】

リタイマＩＣ１３は、入力された信号を増幅するのではなく、全く新しく信号を作り直す機能を持つ。そのため、リタイマＩＣ１３から出力される信号は、入力される信号の影響を受けない。

【0025】

図４は、リタイマＩＣ１３の構成例を示す図である。図４において、リタイマＩＣ１３は、受信部（Ｒｘ）１２１と、クロックデータリカバリ部（ＣＤＲ）１２２と、エラスティックバッファ１２３と、クロック生成部（Local Clock）１２４と、送信部（Ｔｘ）１２５とを有する。

【0026】

受信部１２１は、差動信号１１０をシングルエンド信号１１１に変換する。すなわち、受信部１２１は、差動信号１１０を受信し、シングルエンド信号１１１を出力する。

【0027】

クロックデータリカバリ部１２２は、シングルエンド信号１１１を入力し、データ１１２およびクロック１１３を出力する。すなわち、クロックデータリカバリ部１２２は、受信部１２１から出力されるシングルエンド信号１１１からデータ１１２およびクロック１１３を生成する。

【0028】

エラスティックバッファ１２３は、クロックデータリカバリ部１２２によって生成されるデータ１１２およびクロック１１３を入力する。エラスティックバッファ１２３は、データ１１２をクロック１１３のタイミングで記憶する。

【0029】

クロック生成部１２４は、エラスティックバッファ１２３からデータ１１４を読み出すためのクロックＣＫを生成する。クロック生成部１２４は、クロック１１３とは異なるクロックＣＫを生成する。

【0030】

送信部１２５は、データ１１４を差動信号１１５に変換する。すなわち、送信部１２５は、エラスティックバッファ１２３から読み出されるデータ１１４を入力し、差動信号１１５を出力する。

【0031】

（ＣＭＣＣの例）
図５は、ＣＭＣＣの例を示す外観図である。図５において、例えば、ＣＭＣＣ１２の縦の長さＡは０．６５［ｍｍ］、同じく横の長さＢは、０．５［ｍｍ］、同じく高さＣは、０．３［ｍｍ］、である。

【0032】

ＣＭＣＣ１２は、４つの端子Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ２１およびＴ２２を有する。端子Ｔ１１と端子Ｔ１２とは、例えば、信号線路１５において、ＣＭＣＣ１２のコントローラＩＣ１１側に接続される。端子Ｔ２１と端子Ｔ２２とは、例えば、図１中の信号線路１５において、ＣＭＣＣ１２のコネクタ２０側に接続される。

【0033】

ＣＭＣＣ１２を信号線路１５に設けることによって、差動信号の伝送時に発生するコモンモードノイズを抑制することができる。一般的に、コモンモードノイズの発生源は、差動信号を生成するコントローラＩＣ１１である。また、ノイズの放射に関しては、コントローラＩＣ１１から発生したコモンモードノイズが、信号線路１５に伝送することで、信号線路１５上からノイズが放射することが一般的である。コントローラＩＣ１１からＣＭＣＣ１２に伝送したコモンモードノイズをコントローラＩＣ１１側に反射させることで、通過するノイズを抑制することができる。したがって、図３に示すように、信号線路１５において、コントローラＩＣ１１とリタイマＩＣ１３との間にＣＭＣＣ１２を搭載することで、信号線路１５から放射するコモンモードのノイズＮを抑制することができる（図３中のＸ印）。

【0034】

図３の信号線路１５において、ＣＭＣＣ１２は、コントローラＩＣ１１から信号線路１５へ差動信号を出力する端子Ｔ１、Ｔ２の直近に設けられていることが好ましい。端子Ｔ１、Ｔ２の直近に設ければ、ノイズを抑制する効果が大きい。ここで、無線通信規格の５［ＧＨｚ］の通信帯域へのノイズの影響を抑制するには、例えば、５［ＧＨｚ］に対応する１波長である約６［ｃｍ］の半分の３［ｃｍ］以内を端子Ｔ１、Ｔ２の直近とする。なお、この「３［ｃｍ］」は、一般的な基板材料であるＦＲ－４（Flame Retardant Type 4）の比誘電率４．５を加味した波長短縮結果である。すなわち、コントローラＩＣ１１およびＣＭＣＣ１２を実装する基板上において、端子Ｔ１、Ｔ２から３［ｃｍ］以内の配線長でＣＭＣＣ１２を実装することが好ましい。

【0035】

（ＣＭＣＣの周波数特性）
図６および図７は、図５のＣＭＣＣ１２の周波数特性を示す図である。図６は、図５のＣＭＣＣ１２に差動信号を入力した場合の周波数特性を示す図である。図６において、横軸は周波数［Ｈｚ］、縦軸はＳパラメータのＳｄｄ１１［ｄＢ］を示す。また、図７は、図５のＣＭＣＣ１２にコモンモード信号を入力した場合の周波数を示す図である。図７において、横軸は周波数［Ｈｚ］、縦軸はＳパラメータのＳｃｃ１１［ｄＢ］を示す。図７中の周波数ｆ１は、無線通信規格の２．４［ＧＨｚ］に相当する。周波数ｆ２は、無線通信規格の５［ＧＨｚ］に相当する。これらの周波数ｆ１およびｆ２の近傍の周波数帯において、本例のＣＭＣＣ１２は、良好な反射特性を有する。

【0036】

図３に戻り、リタイマＩＣ１３とコネクタ２０との間にＣＭＣＣ１２を搭載した場合、コネクタ２０側にコモンモード信号が矢印Ｙ３で示すように反射してしまう。ここで、リタイマＩＣ１３は、差動信号を新たに再生成することで、信号を補正するＩＣである。したがって、リタイマＩＣ１３から出力される信号は、矢印Ｙ３で示すように反射するコモンモードの反射信号の影響を受けない。そこで、図３のようにＣＭＣＣ１２をコントローラＩＣ１１とリタイマＩＣ１３との間に搭載する。ＣＭＣＣ１２によるコモンモードの反射信号は、リタイマＩＣ１３によってキャンセルされる。したがって、コネクタ２０側にコモンモードの反射信号が伝送されることは無い。

【0037】

（ノイズの測定）
図８および図９は、信号伝送装置１０におけるノイズの測定について説明する図である。図８および図９においては、信号伝送装置１０と外部の装置１６とがケーブル２を介してＵＳＢ信号２００を授受する場合に、コントローラＩＣとリタイマＩＣとの間の信号線路１５から放射するノイズを測定する。本例では、無線通信規格の２．４［ＧＨｚ］帯域に干渉するノイズの放射レベルについて、スペクトラムアナライザ１８を用いて測定した。

【0038】

図８は、コントローラＩＣ１１とリタイマＩＣ１３との間の信号線路１５にＣＭＣＣを搭載していない場合の計測状況を示す。図９は、コントローラＩＣ１１とリタイマＩＣ１３との間の信号線路１５にＣＭＣＣ１２を搭載している場合の計測状況を示す。

【0039】

図８および図９において、電波暗箱３００に信号伝送装置１０を載置し、信号伝送装置１０内にアンテナ１４を設けた。アンテナ１４は、コントローラＩＣが実装されている基板から１０ｃｍ離れた位置に設けた。アンテナ１４は、無線通信規格の２．４［ＧＨｚ］帯域に干渉するノイズの放射レベルを受信できるアンテナである。アンテナ１４に接続されたケーブルＣ１をプリアンプ１７に接続し、プリアンプ１７によって増幅した信号をケーブルＣ２によってスペクトラムアナライザ１８に入力した。コネクタ２０には、ケーブル２を介して外部の装置１６を接続した。外部の装置１６は、本例でＳＤＤ（Solid State Drive）による記憶装置である。

【0040】

図１０は、ノイズに関する評価の例を示す図である。図１０において、横軸は周波数（frequency）[ＭＨｚ]、縦軸はノイズレベル（Noise Level）［ｄＢｍ］、である。

【0041】

図１０中の実線は、信号を出力していない状態（No communication）を示す。図１０中の破線は、図８のようにＣＭＣＣを設けずに（No CMCC）、ＵＳＢ４の信号を出力している状態を示す。図１０中の一点鎖線は、図９のようにＣＭＣＣを設けて（with CMCC）、ＵＳＢ４の信号を出力している状態を示す。図１０中の破線の楕円Ｄで示すように、無線通信規格の２．４［ＧＨｚ］帯域に関して、約４．５[ｄＢｍ]の改善を確認できた。したがって、図３に示すように、信号伝送装置１０内のノイズＮを低減できる。

【0042】

（反射特性の測定）
図１１および図１２は、信号伝送装置１０に関して、コネクタ２０側から見た反射特性の測定について説明する図である。図１１および図１２に示すように、コネクタ２０に治具４０を接続し、ネットワークアナライザ１９によって反射特性を測定した。すなわち、コネクタ２０において矢印Ｙ４のように反射する信号について、コモンモードリターンロス、すなわちＳｃｃ１１を測定した。

【0043】

図１１は、コントローラＩＣ１１とリタイマＩＣ１３との間の信号線路１５にＣＭＣＣを搭載していない場合の計測状況を示す。図１２は、コントローラＩＣ１１とリタイマＩＣ１３との間の信号線路１５にＣＭＣＣ１２を搭載している場合の計測状況を示す。

【0044】

治具４０は、信号線路１５のコネクタ２０から５０Ωの同軸線に変換する治具である。図１１および図１２のいずれの場合においても、ケーブルＣ３、Ｃ４によって、治具４０において変換されるコモンモード信号Ｔｘ＋、Ｔｘ－を、ネットワークアナライザ１９のチャンネルＣｈ１、Ｃｈ３に入力した。ネットワークアナライザ１９により、コネクタ２０側から見たコモンモードリターンロス、すなわちＳｃｃ１１を測定した。

【0045】

図１３は、図３の構成においてケーブル２側に反射するコモンモード信号の例を示す図である。図１３において、横軸は周波数［ＧＨｚ］、縦軸はＳパラメータのＳｃｃ１１［ｄＢ］を示す。図２を参照して説明したコモンモード信号１０１とは異なり、コモンモード信号１０２は信号範囲１００内において変化する信号である。したがって、コモンモード信号１０２は、所定の規格を満たしている。

【0046】

以上のように、信号伝送装置１０においては、コントローラＩＣとリタイマＩＣとの間の信号線路１５上に、例えば無線通信規格の２．４［ＧＨｚ］通信帯域に干渉するノイズを抑制するＣＭＣＣ１２を実装している。これにより、コモンモードリターンロス、すなわちＳｃｃ１１の規格を満足しつつ、無線通信規格の通信帯域に干渉するノイズの放射を抑制できる。

【符号の説明】

【0047】

１、１ａ 回路基板
２ ケーブル
１０、１０ａ 信号伝送装置
１１ コントローラＩＣ
１３ リタイマＩＣ
１４ アンテナ
１５ 信号線路
２０ コネクタ
１２１ 受信部
１２２ クロックデータリカバリ部
１２３ エラスティックバッファ
１２４ クロック生成部
１２５ 送信部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】