CN1938897A - 数据传输装置、数据传输线和数据传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种数据传输装置。该数据传输装置使用传输线，该传输线包括接地导体(305)、信号导体(201)和将它们彼此绝缘的绝缘材料(3)。绝缘材料包括电介质(320)，该电介质在所产生的电场和电介质极化之间呈现出非线性关系。传输线的每单位长度的有效电抗根据信号电压而改变。数据通过传输线在多个集成电路(102)之间传输，从而实现了比常规技术更高速度的数据传输。
Description
技术领域
本发明涉及数据传输装置、数据传输线和数据传输方法，更具体地，涉及集成电路之间的数据传输装置、数据传输线和数据传输方法。
背景技术
美国专利第5,319,755号(参考文献1)公开了一种各集成电路之间的常规数据传输方法。根据该方法，如图1所示，用作数据总线的传输线1将存在于各集成电路芯片2中的输入/输出电路3连接在一起。传输线1传输数字信号，以在各集成电路2之间传输数据。
该方法提出了在各集成电路2之间数据传输速度的上限，并且很难传输几个GHz或更高的基本时钟。当通过传输线1传播的基本时钟频率等于或小于几个GHz时，该问题可以忽略不计。然而，当基本时钟频率变得等于或高于几个GHz时，由于传输线1的特性，信号呈现出分散现象，且该分散现象的影响不能忽略。分散现象是指脉冲传输速度根据频率分量而改变，由此输入和输出脉冲的形状不同或脉冲宽度增加，抑制了高速脉冲传输。当集成电路2的输入/输出电路3所附的电容器5具有较大值时，这个问题变得很严重。
美国专利第5,023,574号(参考文献2)公开了一种产生高速脉冲的技术。根据该技术，在传输线中以适当间距设置多个变容二极管以产生非线性波。此技术的缺点在于只能应用在传输线的结构非常特殊的情况下，即，在板表面上形成传输线，例如微带线或共面线，这是因为变容二极管必须沿传输线插在其中途。
日本专利特开第2001-111408(参考文献3)公开了一种用于封装高速信号传输线的结构。在该结构中，设置发送板上的阻抗失配部分和接收板上的阻抗失配部分之间的距离，使信号传输时间变成信号转换周期的一半时间的整数倍。该结构抑制了由反射波引起的时间波动，并降低了抖动。日本专利特开第2001-251030号(参考文献4)公开了一种各集成电路间的线路系统，其通过在连接各集成电路的线路上设置电容性负载结构来控制信号的传输延迟。
日本专利特开第2003-198215号(参考文献5)公开了一种统一信号传输速度的装置。根据该参考文献，在传输线路板上，在低介电常数区域中形成长传输线，并在高介电常数区域中形成短传输线，其中该传输线路板上在介电板上安装了多个电路元件，并在介电基板上形成了用于连接该多个电路元件的多条传输线。日本专利特开第5-63315号(参考文献6)公开了一种印刷线路板，其中在该印刷线路板上的信号线部分上设置了多个延迟衰减器(pad)，且延迟衰减器在数量上与延迟时间的变化相对应，以便使控制信号和数据信号变成同相。
日本专利特开第5-283824号(参考文献7)公开了一种电路板，其通过用具有不同介电常数的材料涂覆具有特定介电常数的电路板并控制介电常数，由此防止在多个具有不同电极焊盘的器件之间的反射。
发明内容
所要解决的技术问题
因此，本发明的目的在于，在多个集成电路之间的数据传输中实现几个G比特/秒至10G比特/秒或更高的高数据传输速度。
本发明的另一目的是通过使用传输线来实现高数据传输速度，所述传输线甚至不仅形成在普通印刷线路板上，而且还形成在高密度的多层印刷线路板的各层中。
解决所述问题的手段
为了实现上述目的，根据本发明的数据传输装置的特征在于，包括多个集成电路，其每个都具有至少一个输入/输出电路，以及传输线，其连接到集成电路的输入/输出电路，并具有这样的元件，该元件根据信号电压和信号电流的至少其中之一来改变每单位长度的有效电抗。
根据本发明的数据传输线的特征在于，其包括这样的元件，该元件根据信号电压和信号电流的至少其中之一来改变每单位长度的有效电抗。
根据本发明的数据传输方法的特征在于，该方法包括这样的步骤：制备传输线并通过该传输线在多个集成电路之间传输信号，其中所述传输线的每单元长度的有效电抗根据信号电压和信号电流中的至少之一而改变。
发明效果
本发明可以根据所传输的脉冲信号的信号电压和信号电流中的至少一个来改变传输线(数据传输线)每单位长度的有效电抗。结果，在传输线中产生了非线性波，并且所传输的脉冲信号可以在不受由传输线引起的分散现象影响的情况下到达接收侧。由于几乎不改变脉冲波形并且几乎不增加脉冲宽度，因此可以实现高速的数据传输。
与现有技术不同，传输线中不再需要插入变容二极管。利用传输线可以实现高速数据传输，其中所述传输线甚至不仅形成在普通印刷线路板上，而且还形成在高密度多层印刷线路板的各层中。
附图说明
图1示出了多个集成电路之间的常规数据传输装置的框图，该常规数据传输装置通过传输线在多个集成电路之间传输数据；
图2示出了根据本发明第一实施例的各集成电路之间的数据传输装置布局的框图；
图3示出了用于实现图2所示的集成电路间的数据传输装置的具体结构示例的平面图；
图4示出了沿图3中的线A-A’的截面图；
图5示出了沿图3中的线B-B’的截面图；
图6示出了用于传输线的电场和电介质的介电极化之间关系的曲线图；
图7示出了在将具有图6所示特征的电介质用于所述传输线时，所述传输线的电容和信号电压之间的关系曲线图；
图8示出了用于传输线的磁场和磁性物质的磁化作用之间的关系曲线图；
图9示出了在将具有图8所示特征的磁性物质用于传输线时，所述传输线的电感和信号电流之间的关系曲线图，；
图10示出了根据本发明第二实施例的各集成电路之间的数据传输装置布局的框图；
图11示出了用于实现图10所示的各集成电路间的数据传输装置的具体结构示例的平面图；
图12示出了沿图11中的线C-C’的截面图；
图13示出了沿图11中的线D-D’的截面图；
图14示出了根据该实施例和现有技术的各集成电路间数据传输装置的电路仿真结果曲线图；
图15示出了根据本发明第三实施例的传输线布局的平面图；
图16示出了沿图15中的线E-E’的截面图。
具体实施方式
将参考附图描述本发明的实施例。
【实施例概要】
如图2和10所示，根据本发明实施例的集成电路间的数据传输装置包括多个集成电路102以及连接多个集成电路102的传输线101(各集成电路间的数据传输线)。
一个集成电路102包括具有适当排列的内部电路104和至少一个合适的输入/输出电路103。输入/输出电路103连接到传输线101。这些电路的排列没有特别的限制，且可利用已知排列的集成电路102。
传输线101每单位长度的有效电抗分量根据信号电压和信号电流中的至少一个而改变。更具体地，传输线101包括这样的元件，该元件根据信号电压和信号电流中的至少一个而改变有效电容分量和有效电感分量中的至少一个。
如图3至5所示，可以在适当的印刷线路板200中形成传输线101。在这种情况下，传输线101包括形成在印刷线路板200上的接地导体305、设置在印刷线路板200中的绝缘材料3和设置在绝缘材料3中的信号导体201。注意，接地导体305可以形成在印刷线路板200中。
可选地，如图11至13所示，传输线101可以形成在适当的印刷线路板200上。在这种情况下，传输线101包括形成在印刷线路板200上且彼此间隔开的接地导体305和信号导体501，以及绝缘材料3，将该绝缘材料3夹在印刷线路板200上的接地导体305和信号导体501之间，并与接地导体305和信号导体501相接合。
接地导体305接地，将信号电压施加在信号导体201和接地导体305之间，且绝缘材料3将信号导体201和接地导体305彼此绝缘。
例如，绝缘材料3包括电介质320，该电介质320是这样一种元件，其根据信号电压和信号电流中的至少一个来改变传输线101的每单位长度的有效电抗。如图6所示，电介质320是在电介质320中产生的电介质极化和电场之间呈现出非线性关系的材料。例如，作为电介质320可利用锆酸钛酸铅、钽酸铋锶(bismuth strontium tantalate)、铁电体和液晶中的至少一种。
取代电介质320，还可利用磁性物质330作为上述元件。如图8所示，磁性物质330是在磁性物质330中产生的磁化作用和磁场之间显示出非线性关系的材料。例如，可利用镍锌铁氧体和铁硅铝磁合金(Fe-Si-Al合金)中的至少一种作为磁性物质330。
注意，在传输线101中，根据信号电压和信号电流中的至少一个而改变的每单位长度有效电抗的改变分量的最大值优选等于或大于与信号电压和信号电流无关的固定分量。
如图3至5所示，上述集成电路102和传输线101可以形成在相同的印刷线路板200上，或者形成在不同基板上。还可以采用这样的设置，即，其中单独形成传输线101并将其连接到各集成电路102的输入/输出电路103。
以下将更详细地描述本发明的实施例。
[第一实施例]
根据本发明第一实施例，将参考图2至5阐释集成电路和传输线101之间的数据传输装置1。
如图2所示，多个集成电路102具有连接到传输线101的多个输入/输出电路103。各集成电路102通过从输入/输出电路103发送数字脉冲来交换数据，或通过经由输入/输出电路103接收数字脉冲来交换数据。
在图3至5中，每个集成电路102由集成电路芯片102形成，并将多个集成电路芯片102布置在印刷线路板200上。集成电路102具有作为输入/输出电路103的输入/输出端子103。
印刷线路板200具有传输线101。传输线101是带状线，其由绝缘材料3、形成在绝缘材料3上的接地导体305和布置在绝缘材料3中的信号导体201构成。绝缘材料3具有贯通孔210。集成电路芯片102的输入/输出端子103通过贯通孔210连接到信号导体201。
绝缘材料3使用电介质320。电介质320是诸如铁电体或液晶的材料，如图6所示，其在电场E和电介质中的电介质极化P之间呈现出非线性关系。在图6的示例中，电介质320具有这样的特性，即，随着电场E的绝对值的增大，电介质极化P的绝对值也逐渐增大。
由此，如图7所示，带状线每单位长度的电容性分量C(pF)随信号电压V而改变。在图7的示例中，电容性分量C随信号电压V的升高而减小。
当满足等式(1)的关系时，响应于输入到传输线101的电脉冲信号，产生了具有脉冲宽度T的非线性波，其中脉冲宽度T是由等式(2)给出的：
C(V)＝1/(aV+b) ...(1)
T＝[LC(V0){(aV0+b)/a}/A]1/2 ...(2)
其中，A是脉冲振幅，V0是信号电压的偏移值。
由等式(3)给出了非线性波的波形(信号电压)：
V(x，t)＝Asech2(kx-ωt) ...(3)
在这种情况下，k满足等式(4)且ω满足等式(5)：
sinhk＝[A/F(V0)]1/2 ...(4)
ω＝[A/{LC(V0)F(V0)]1/2 ...(5)
其中，
F(V0)≡1/{aC(V0)}＝a/b+V0 ...(6)
其中，V0是信号电压的偏移值。
在第一实施例中，如图2所示，在传输线101的信号导体210和接地导体305之间形成非线性电容器820。
根据第一实施例的各集成电路间的数据传输线1可以采用这样的电介质，其中该电介质根据信号电压和信号电流中的至少一个来改变传输线101每单位长度(cm)的有效电感分量。
由于传输线101中产生的非线性波是没有任何分散的孤立波，因此在接收侧脉冲宽度不会增大，即波形不会发生变化。各集成电路102之间的数据传输可以采用短宽度脉冲，实现几个G比特/秒至10G比特/秒或更高的高速数据传输。
已经描述了使用电介质320作为绝缘材料3的示例，但是还可以利用磁性物质330作为绝缘材料3。如图8所示，磁性物质330是在磁性物质330中产生的磁化作用M和磁场H之间呈现非线性关系的材料。在图8的示例中，磁性材料330具有这样的特性，即，随着磁场H的绝对值的增大，磁化作用M的绝对值也逐渐增大。
类似于上述电介质320的使用，通过使用磁性物质330作为绝缘材料3的一部分，响应于输入到传输线101的电脉冲信号而产生了非线性波。
例如，使传输线101每单位长度(cm)的有效电感分量根据信号电流而改变，例如随图9中所示的状态改变(有效电感分量随信号电流的增大而减小)。这种布局可以响应于输入到传输线101的电脉冲信号而产生非线性波。各集成电路102之间的数据传输可以采用短宽度脉冲，实现几个G比特/秒至10G比特/秒或更高的高速数据传输。
【第二实施例】
根据本发明第二实施例，将参考图10至13描述各集成电路和传输线101之间的数据传输装置1。
第二实施例与第一实施例的区别在于，传输线101的信号导体501形成在印刷线路板200的表面上。传输线101连接到多个集成电路102的输入/输出电路103上，所述多个集成电路102布置在印刷线路板200上，以执行各集成电路102之间的数据传输。
在图11至13中，每个集成电路102由集成电路芯片102形成，并将多个集成电路芯片102布置在印刷线路板200上。集成电路102具有作为输入/输出电路103的输入/输出端子103。
印刷线路板200具有传输线101。传输线101是共面线，其由以下部分构成：信号线导体501、布置在信号线导体501两侧上而与信号线导体501间隔开的接地导体305、以及设置在信号线导体501与接地导体305之间的绝缘材料3。
被包含作为绝缘材料3的至少一部分的电介质320是诸如铁电体或液晶的材料，其在电场E和电介质中的电介质极化P之间呈现出非线性关系。共面线的每单位长度的电容性分量C根据信号电压V而改变。由于在多个集成电路102之间的数据传输中，相应于将要传输的电脉冲信号在传输线101中产生了非线性波，因此可以实现几个G比特/秒至10G比特/秒或更高的高速数据传输。
并且在第二实施例中，磁性物质330可以取代包含在绝缘材料3中的电介质320。
图12和13所示的整个印刷线路板200可以由绝缘层3构成，例如硅、玻璃或陶瓷。
可选地，印刷线路板200可以由至少部分包含电介质320或磁性物质330的绝缘材料3构成。在这种情况下，在印刷线路板200表面上，插入在信号线导体501和接地导体305之间的绝缘材料3也可以既不包括电介质320也不包括磁性物质330。
在第二实施例中，如图10所示，集成电路102的输入/输出电路103和非线性电容器820之间的连接点与传输线101相连。非线性电容器820具有电容值随信号电压的升高而减小的特性。传输线101每单位长度的有效电容值根据信号电压而变化。因此，通过调整电路布局以在传输线101中产生非线性波，由此可以实现本发明。
可以进行电路仿真(SPICE)来确认如下情形之一：在根据第二实施例的传输线101中，在包含电介质320或磁性物质330的绝缘材料3中产生了非线性波。
用于该仿真的电路与图10中所示的相同，并且将多个非线性电容器820和多个集成电路102以1cm的间隔连接到具有90cm全长的传输线101上。作为传输线101的参数，每单位长度(1cm)的电容值C＝1.1pF，电感值L＝2.9nH，且电阻R＝4.8mΩ。非线性电容器820是变容二极管(可变电容二极管)。非线性电容器820具有图7所示的特性，且当信号电压升高时电容值减小。
作为与该仿真的比较，使用并测试这样的装置，在所述装置中采用图1所示的各集成电路间的常规数据传输装置，并且每个集成电路102中的固定电容器840具有与信号值无关的预定电容值(2pF)。
图14示出了当向传输线101的一端(发送侧)提供0.3ns宽的矩形脉冲1101作为输入脉冲时，出现在传输线101另一端(接收侧)上的波形。当电容值恒定时，像现有技术那样，则由于分散现象，出现在接收侧上的波形1103的脉冲宽度增大了且振幅减小了。相反，在使用非线性电容器820时，如第二实施例那样，出现在接收侧上的波形1102其脉冲宽度几乎没有增大且其振幅很少减小。
在本发明中，例如，优选条件之一是图10所示的非线性电容器820的电容值根据信号电压而变化。
另一个优选条件是，非线性电容器820的最大值等于或大于图10中传输线101的每单位长度的电容值(与信号电压无关的固定值)。通过满足该条件，非线性电容器820的影响变得显著，从而促使在传输线101中产生非线性波。
期望的是传输线101形成在印刷线路板200的表面上，但可以形成在印刷线路板200中。当传输线101形成在印刷线路板200表面上时，即，电路板的表面上，可以根据电路板的面积而仅仅形成有限数量的传输线。相反，当传输线101形成在电路板中时，它们可以形成并层叠在电路板或多层板中。通过增加层数，可以增加传输线101的数量。当传输线101的数量确定时，电路板可以通过多层化以减小面积，从而实现了有效缩小尺寸且实施高密度封装的电路。
[第三实施例]
将参考图15和16阐释根据本发明第三实施例的传输线101。
与第一和第二实施例不同，根据第三实施例，与印刷线路板200分开形成传输线101。平行排列多条传输线101以形成柔性多芯电缆700，该柔性多芯电缆覆盖有适当的外层绝缘体600。
在柔性多芯电缆700中，接地导体305形成多个平行排列的封闭导线管800。封闭导线管800是具有上、下、右、左壁表面的圆柱状导线管。每个封闭导线管800填充有至少部分包含电介质320或磁性物质330的绝缘材料3。绝缘材料3包括信号导体201。
即使采用这种布置，每单位长度的电容性分量C根据信号电压V而改变。类似于第一实施例，在传输线101中可以产生非线性波，以实现几个G比特/秒至10G比特/秒或更高的高速数据传输。
在上述实施例中，传输线101形成在印刷线路板200上，且每单位长度的有效电抗根据信号电压和信号电流中的至少一个而变化。在多个集成电路102之间的数据传输中，相应于将要传输的电脉冲信号在传输线101中产生了非线性波。结果，电脉冲信号到达接收侧，而不会受到任何由传输线101引起的分散现象的影响。电脉冲信号的脉冲波形几乎不变，其脉冲宽度几乎不增大，从而可以执行高速数据传输。
上述实施例可以通过印刷线路板200实现高速数据传输，并且与使用昂贵的光通讯或同轴电缆相比可以大大降低成本。许多通道可以包含在一个印刷线路板200中，这对高密度数据传输作出了贡献。即，可以在多个集成电路之间实现低成本、高速、高密度的数据传输。
Claims (25)
1.一种数据传输装置，特征在于包括：
多个集成电路，其每一个具有至少一个输入/输出电路；和
传输线，其连接到所述多个集成电路的输入/输出电路，并具有根据信号电压和信号电流中的至少一个来改变每单位长度的有效电抗的元件。
2.根据权利要求1的数据传输装置，特征在于所述传输线至少形成在印刷线路板中或形成在印刷线路板上。
3.根据权利要求1的数据传输装置，特征在于所述多个集成电路和所述传输线形成在单个印刷线路板上。
4.根据权利要求1的数据传输装置，特征在于所述传输线包括：
接地的接地导体，
信号导体，其接收接地导体和信号导体之间的信号电压，以及
绝缘材料，其包含所述元件，并将信号导体和接地导体彼此绝缘。
5.根据权利要求4的数据传输装置，其特征在于该元件包括电介质和磁性物质中的一种。
6.根据权利要求5的数据传输装置，其特征在于该电介质在电介质中产生的电介质极化和电场之间呈现出非线性关系。
7.根据权利要求6的数据传输装置，其特征在于该电介质是锆酸钛酸铅、钽酸铋锶、铁电体和液晶中的至少一种。
8.根据权利要求5的数据传输装置，其特征在于该磁性物质在磁场和在磁性物质中产生的磁化作用之间呈现出非线性关系。
9.根据权利要求8的数据传输装置，特征在于该磁性物质是镍锌铁氧体和铁硅铝磁合金中的至少一种。
10.根据权利要求4的数据传输装置，其特征在于
该接地导体形成多个平行排列的封闭导线管，
该绝缘材料填充每个封闭导线管，且
该信号导体布置在每个绝缘材料中。
11.根据权利要求1的数据传输装置，其特征在于所述传输线中根据信号电压和信号电流中的至少一个而改变的每单位长度有效电抗中的变化分量的最大值不小于与信号电压和信号电流无关的固定分量的值。
12.一种数据传输线，其特征在于包括根据信号电压和信号电流中的至少一个来改变每单位长度有效电抗的元件。
13.根据权利要求12的数据传输线，其特征在于包括：
接地的接地导体，
信号导体，其接收所述接地导体和所述信号导体之间的信号电压，以及
绝缘材料，其包含所述元件，并将所述信号导体和所述接地导体彼此绝缘。
14.根据权利要求13的数据传输线，其特征在于该元件包括电介质和磁性物质中的一种。
15.根据权利要求14的数据传输线，其特征在于该电介质在电介质中产生的电介质极化和电场之间呈现出非线性关系。
16.根据权利要求15的数据传输线，其特征在于该电介质是锆酸钛酸铅、钽酸铋锶、铁电体和液晶中的至少一种。
17.根据权利要求14的数据传输线，其特征在于该磁性物质在磁场和磁性物质中产生的磁化作用之间呈现出非线性关系。
18.根据权利要求17的数据传输线，其特征在于该磁性物质是镍锌铁氧体和铁硅铝磁合金中的至少一种。
19.根据权利要求13的数据传输线，其特征在于
所述接地导体至少形成在印刷线路板中或形成在印刷线路板上，
所述绝缘材料布置在该印刷线路板中，且
所述信号导体布置在所述绝缘材料中。
20.根据权利要求13的数据传输线，其特征在于
在印刷线路板上彼此分开地形成所述接地导体和所述信号导体，且
所述绝缘材料布置在该印刷线路板上的所述接地导体和所述信号导体之间，并接合到所述接地导体和所述信号导体上。
21.根据权利要求12的数据传输线，其特征在于多个数据传输线平行排列。
22.根据权利要求13的数据传输线，其特征在于
所述接地导体形成多个平行排列的封闭导线管，
所述绝缘材料填充每个封闭导线管，且
所述信号导体布置在每个绝缘材料中。
23.根据权利要求12的数据传输线，其特征在于所述根据信号电压和信号电流中的至少一个而改变的每单位长度有效电抗中的变化分量的最大值不小于与信号电压和信号电流无关的固定分量的值。
24.一种数据传输方法，其特征在于包括如下步骤：
制备传输线，其每单位长度的有效电抗根据信号电压和信号电流中的至少一个而改变；以及
通过该传输线在多个集成电路之间传输信号。
25.根据权利要求24的数据传输方法，其特征在于所述传输的步骤包括在传输线中产生与所述信号相应的非线性波的步骤。
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