DE102005047038A1

DE102005047038A1 - Spannungsversorgungsrauschunterdrückungsschaltung und - verfahren

Info

Publication number: DE102005047038A1
Application number: DE102005047038A
Authority: DE
Inventors: Mikihiro Kajita
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2006-04-27
Also published as: JP4127259B2; JP2006101254A; CA2521570A1; US20060092675A1; US8278998B2

Abstract

Durch die vorliegende Erfindung werden eine Spannungsversorgungsrauschunterdrückungsschaltung und ein Spannungsversorgungsrauschunterdrückungsverfahren zum Reduzieren von Spannungsversorgungsrauschen bei einer beliebigen Frequenz bereitgestellt, wobei Spannungsversorgungsrauschen zwangsweise bei einer Resonanzfrequenz einer Parallelresonanzschaltung in Resonanz gebracht wird, die eine Spule und einen Kondensator aufweist, um die Frequenz des Rauschsignals auf die Resonanzfrequenz oder näherungsweise auf die Resonanzfrequenz der Parallelresonanzschaltung einzustellen, woraufhin das auf die Resonanzfrequenz oder näherungsweise auf die Resonanzfrequenz der Parallelresonanzschaltung eingestellte Rauschsignal unter Verwendung eines Tiefpaßfilters, der einen Widerstand und einen Kondensator aufweist, unterdrückt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spannungsversorgungsrauschunterdrückungsschaltung und ein Spannungsversorgungsrauschunterdrückungsverfahren und insbesondere eine Spannungsversorgungsrauschunterdrückungsschaltung und ein Spannungsversorgungsrauschunterdrückungsverfahren, durch die das durch Schalten einer Stromquelle erzeugte Spannungsversorgungsrauschen reduziert wird.

Gegenwärtig wird, weil LSI- (hochintegrierte) Chips immer schneller werden, durch Spannungsversorgungsrauschen die Spanne für bei der Konstruktion der Chips zu berücksichtigenden Verzögerungen vermindert, wodurch manchmal eine Fehlfunktion einer Analogschaltung verursacht wird.

D.h., ein Stromfluß, der jedesmal erzeugt wird, wenn ein Transistor, z.B. ein CMOS- (Complementary Metal Oxide Semiconductor) Transistor ein- oder ausgeschaltet wird, verursacht eine Spannungsschwankung in einer Spannungsversorgung. Derartige Spannungsschwankungen könnten die Verzögerung einer Torschaltung in einem logischen Pfad ändern, wodurch die Verzögerung des Pfades selbst sich in Abhängigkeit von der Größe der Spannungsschwankung der Spannungsversorgung ändert. Beim Schaltungsdesign muß die Größe dieser Schwankung berücksichtigt werden. Wenn die Spannungsschwankung der Spannungsversorgung nicht auf einen gewünschten Wert unterdrückt werden kann, wird jedoch die Spanne für Verzögerungen kleiner, und im schlimmsten Fall ist kein Fenster für eine Übertragung verfügbar.

In einer Analogschaltung wird die Spannungsversorgung manchmal zum Erzeugen eines in der Schaltung verwendeten mittleren Potentials verwendet. Daher ändert sich, wenn dieses mittlere Potential sich ändert, auch das Verhalten der Schaltung selbst, so dass die Schaltung möglicherweise nicht wie vorgesehen arbeitet.

Durch eine Erhöhung der Geschwindigkeit eines LSI-Chips und eine Verminderung des Spannungswertes der Spannungsversorgung nimmt die Größe der Stromänderung tendenziell zu. Wenn die Größe der Stromänderung zunimmt, nimmt die Größe des Rauschens (Spannungsschwankung der Spannungsversorgung) ΔV (die dem Produkt aus der induktiven Komponente L der Spannungsversorgung und der Stromänderung di/dt proportional ist) ebenfalls zu.

Herkömmlich wird hauptsächlich ein auf dem Chip integrierter Entkopplungskondensator verwendet, um das Spannungsversorgungsrauschen zu reduzieren. Normalerweise wird die Kapazität eines Gate-Bereichs als Entkopplungskondensator verwendet. Um zu ermöglichen, dass dieser Entkopplungskondensator mit der Kapazität eines Gate-Bereichs Rauschen, z.B. Hochfrequenzrauschen, verarbeiten kann, muss ein Kompromiß zwischen dem Erfordernis, die Gate-Länge zu reduzieren und der Verminderung der Kapazitätseffizienz pro Flächeneinheit gemacht werden.

Andererseits führt eine Erhöhung der Anzahl von auf dem Chip integrierten Kondensatoren zu einer größeren Chipgröße und höheren Chipkosten. Daher besteht Bedarf für ein kostengünstiges Verfahren zum effizienten Unterdrücken von Spannungsschwankungen einer Spannungsversorgung, das vom Verfahren zum Erhöhen der Anzahl von auf einem Chip integrierten Kondensatoren verschieden ist.

Ein Beispiel eines derartigen Rauschunterdrückungsverfahrens ist in der JP-A-2002-83920 beschrieben. Dieses Dokument betrifft einen Bypass-Kondensator auf einer gedruckten Schaltung oder einem LSI-Gehäuse. In diesem Dokument ist, weil die Wirkung eines Kondensators abgeschwächt wird, wenn ein Bypass-Kondensator einer Spannungsversorgung vom LSI-Chip entfernt angeordnet ist, eine Serienresonanzschaltung zum Bypass-Kondensator parallel geschaltet, um die Impedanz für Rauschen einer spezifischen Frequenz zu vermindern. Durch diese Konfiguration wird ermöglicht, dass die einer gesetzten "spezifischen Frequenz" entsprechende Rauschkomponente die Serienresonanzschaltung durchlaufen kann, kann der Bypass-Kondensator näher am LSI-Chip angeordnet werden, und wird die Spannungsschwankung der Spannungsversorgung unterdrückt.

Andere verwandte Techniken zum Lösen dieses Problems sind in der JP-A-2003-258612, JP-A-06-138241 und JP-A-07-321470 beschrieben.

Gemäß der in der JP-A-2002-83920 beschriebenen Technik ist es jedoch schwierig, eine Filterfunktion für das Spannungsversorgungsrauschen zu konstruieren, so lange die Rauschkomponenten nicht bekannt sind, die normalerweise schwer vorausbestimmbar sind. Tatsächlich ist es jedoch, weil ein Rauschsignal viele Frequenzkomponenten enthält, und die einen LSI-Chip beeinflussenden Frequenzkomponenten des Rauschsignals von der LSI-Operation abhängig ist, schwierig, diese bereits in der Konstruktions- oder Designstufe vorauszubestimmen. Daher besteht ein typisches Problem darin, dass das Rauschen nicht ausreichend vermindert werden kann. Auch in den anderen vorstehend erwähnten Dokumenten wird keine Technik zum Lösen dieses Problems dargestellt.

Hinsichtlich der vorstehend erwähnten und anderer typischer Probleme und Nachteile ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Spannungsversorgungsrauschunterdrückungsschaltung und ein Spannungsversorgungsrauschunterdrückungsverfahren bereitzustellen, durch die Spannungsversorgungsrauschen mit beliebigen Frequenzen reduziert werden kann. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst.

Mit einer derartigen exemplarischen Struktur und einem derartigen Verfahren wird erfindungsgemäß eine Resonanz in der Spannungsversorgung zwangsweise induziert, so dass das Spannungsversorgungsrauschen bei einer vorgegebenen Resonanzfrequenz in Resonanz tritt, und wird das Rauschen durch ein Tiefpaßfilter unterdrückt.

Die neuartigen charakteristischen Merkmale der vorliegenden Erfindung sind in den beigefügten Patentansprüchen dargestellt. Die Erfindung und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachstehenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verdeutlicht; es zeigen:
1 ein Schaltungsdiagramm zum Darstellen eines Beispiels einer Spannungsversorgungseinheit mit einer erfindungsgemäßen exemplarischen Spannungsversorgungsrauschunterdrückungsschaltung;
2 einen Graphen zum Darstellen der Größe des Spannungsversorgungsrauschens, wenn die erfindungsgemäße exemplarische Spannungsversorgungsrauschunterdrückungsschaltung zwangsweise in Resonanz gebracht wird;
3 ein Diagramm zum Darstellen der Größe des Spannungsversorgungsrauschens, nachdem das Rauschsignal ein Tiefpaßfilter durchlaufen hat;
4 ein Ablaufdiagramm zum Darstellen der Arbeitsweise eines exemplarischen Rauschunterdrückungsverfahrens, das in der erfindungsgemäßen Rauschunterdrückungsschaltung verwendet wird;
5 einen Graphen zum Darstellen der Frequenzcharakteristik von Spannungsversorgungsrauschen, wenn die erfindungsgemäße exemplarische Spannungsversorgungsrauschunterdrückungsschaltung zwangsweise in Resonanz gebracht wird;
6 einen Graphen zum Darstellen der Frequenzcharakteristik von Spannungsversorgungsrauschen, nachdem das Rauschsignal nach der Resonanz das Tiefpaßfilter durchlaufen hat;
7 ein Diagramm zum Darstellen eines Beispiels, in dem Resonanzgeneratoren in einem LSI-Chip zwischen Spannungsversorgungsanschlüssen (VDD) und Erdungsanschlüssen (VSS) angeordnet sind;
8 ein Konfigurationsbeispiel zum Darstellen eines Beispiels, in dem die erfindungsgemäße Spannungsversorgungsrauschunterdrückungsschaltung auf eine Makroschaltung angewendet wird;
9 ein Konfigurationsdiagramm zum Darstellen eines Beispiels, in dem die erfindungsgemäße Spannungsversorgungs rauschunterdrückungsschaltung auf einen E/A-Puffer angewendet wird;
10 ein Konfigurationsdiagramm eines Beispiels, in dem die erfindungsgemäße Spannungsversorgungsrauschunterdrückungsschaltung in einer gemeinsamen Spannungsversorgung einer Digitalschaltung und einer Analogschaltung verwendet wird;
11 ein Schaltungsdiagramm zum Darstellen eines Beispiels einer herkömmlichen Spannungsversorgungseinheit;
12 einen Graphen zum Darstellen eines Beispiels der Größe des Spannungsversorgungsrauschens in der in 11 dargestellten herkömmlichen Spannungsversorgungseinheit;
13 einen Graphen zum Darstellen der Frequenzcharakteristik von Spannungsversorgungsrauchen in der herkömmlichen Spannungsversorgungseinheit;
14 eine Querschnittansicht zum Darstellen eines Beispiels, in dem eine Resonanzerzeugungsschaltung in einem LSI-Chip zwischen dem Spannungsversorgungsanschluss (VDD) und dem Erdungsanschluss (VSS) angeordnet ist;
15 ein Schaltungsdiagramm zum Darstellen eines Beispiels des in der erfindungsgemäßen Spannungsversorgungsrauschunterdrückungsschaltung angeordneten Tiefpaßfilters;
16 ein Schaltungsdiagramm zum Darstellen eines Beispiels der in der erfindungsgemäßen Spannungsversorgungsrauschunterdrückungsschaltung angeordneten Parallelresonanzschaltung; und
17 ein Schaltungsdiagramm zum Darstellen eines Beispiels der in der erfindungsgemäßen Spannungsversorgungsrauschunterdrückungsschaltung angeordneten Parallelresonanzschaltung.
Nachstehend werden exemplarische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen wird eine erfindungsgemäße Spannungsversorgungsrauschunterdrückungsschaltung zur Verdeutlichung im Vergleich mit einer herkömmlichen Spannungsversorgungsrauschunterdrückungsschaltung dargestellt.
Erste exemplarische Ausführungsform
1 zeigt ein Schaltungsdiagramm zum Darstellen eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Spannungsversorgungseinheit mit einer Spannungsversorgungsrauschunterdrückungsschaltung, und 11 zeigt ein Schaltungsdiagramm zum Darstellen eines Beispiels einer herkömmlichen Spannungsversorgungseinheit.
Zunächst wird ein Beispiel einer herkömmlichen Spannungsversorgungseinheit beschrieben. Wie in 11 dargestellt ist, weist das Beispiel einer herkömmlichen Spannungsversorgungseinheit auf: eine Stromquelle 1, eine Spule 2, einen Widerstand 3, einen Kondensator 4, einen Kondensator 5, einen Widerstand 6 und eine Spule 7. Diese Spannungsversorgungseinheit weist ferner einen VDD-Anschluss (positiven Spannungsausgangsanschluss) 18 und einen VSS-Anschluss (negativen Spannungsausgangsanschluss) 19 auf.
Der Widerstand 3 und die Spule 2 sind zwischen einem Anschluss 13 der Stromquelle 1 und dem VDD-Anschluss 18 in Serie geschaltet, und der Widerstand 6 und die Spule 7 sind zwischen einem Anschluss 14 der Stromquelle 1 und dem VSS-Anschluss 19 in Serie geschaltet.
Außerdem ist der Kondensator 5 zwischen dem Anschluss 13 und dem Anschluss 14 der Stromquelle 1 geschaltet, und der Kondensator 4 ist zwischen dem VDD-Anschluss 18 und dem VSS-Anschluss 19 geschaltet.
Ein Beispiel einer Stromquelle 1 ist ein Transistor (LSI). Wie in der Figur dargestellt ist, ist der die Stromquelle darstellende Transistor 1 zwischen dem VDD-Anschluss 18 und dem VSS-Anschluss 19 geschaltet. Durch diese Anordnung wird bei jedem Schaltvorgang ein Stromfluß vom VDD-Anschluss 18 zum VSS-Anschluss 19 verursacht, wodurch ein "Sprung" in der Versorgungsspannung auftritt. Dieser Sprung der Versorgungsspannung wird zu Spannungsversorgungsrauschen, durch das eine in 1 nicht dargestellte, mit dem VDD-Anschluss 18 und dem VSS-Anschluss 19 verbundene elektronische Schaltung nachteilig beeinflußt wird.
Um dieses Spannungsversorgungsrauschen zu reduzieren, ist der Kondensator 5 als Entkopplungskondensator mit beiden Enden des Transistors 1 verbunden. D.h., indem die Kapazität des Kondensators 5 derart festgelegt oder eingestellt wird, dass die Reaktanz des Kondensators 5 bei einer gewünschten Frequenz ausreichend abnimmt, durchläuft der größte Teil des Spannungsversorgungsrauschsignals den Kondensator 5 und wird zur Erde abgeleitet. Dadurch wird verhindert, daß das Spannungsversorgungsrauschen über den VDD-Anschluss 18 und den VSS-Anschluss 19 an eine externe Einheit ausgegeben wird.
In 11 werden beispielsweise folgende Werte vorausgesetzt: Induktivität der Spulen 2 und 7: 30 pH, Widerstandswert der Widerstände 3 und 6: 1 Ω, Kapazität des Kondensators 4: 0,3 pF. Für die Stromquelle 1 gilt: ΔI = 10 mA, Tr/Tf (Anstiegszeit/Abfallzeit) = 100 ps und Kapazität des Entkopplungskondensators (Kondensator 5): 400 pF.
12 zeigt einen Graphen zum Darstellen eines Beispiels der Größe des Spannungsversorgungsrauschens, das in der in 11 dargestellten herkömmlichen Spannungsversorgungseinheit erzeugt wird. Die vertikale Achse stellt die Spannung (V) dar, und die vertikale Achse stellt die Zeit (ns) dar. Die Rauschsignalwellenform (Spannungsschwankung der Spannungsversorgung) der in 11 dargestellten herkömmlichen Spannungsversorgungseinheit ist in 12 dargestellt, wobei der Spitzenwert des Rauschsignals etwa 37 mV beträgt. Dies ist ein Fall, bei dem der Spannungswert der Spannungsversorgung 1,0 V beträgt.
Nachstehend wird unter Bezug auf 1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Spannungsversorgungseinheit beschrieben. In der Figur bezeichnen die gleichen Bezugszeichen wie in 11 die gleichen Strukturelemente, so dass diese nicht näher beschrieben werden.
Das Beispiel der erfindungsgemäßen Spannungsversorgungseinheit weist auf: eine Stromquelle 1, eine Spule 2, einen Widerstand 3, einen Kondensator 4, einen Kondensator 5, einen Widerstand 6, eine Spule 7, ein Tiefpaßfilter 16 und eine Parallelresonanzschaltung 15. Die Spannung wird ei ner in 1 nicht dargestellten elektronischen Schaltung über einen VDD-Anschluss (positiver Spannungsausgangsanschluss) 18 und einen VSS-Anschluss (negativer Spannungsausgangsanschluss) 19 zugeführt.
Das Tiefpaßfilter 16 weist einen Widerstand 10 und einen Kondensator 11 auf, und die Parallelresonanzschaltung 15 weist eine Spule 8 und einen Kondensator 9 auf. Das Tiefpaßfilter 16 und die Parallelresonanzschaltung 15 bilden eine Spannungsversorgungsrauschunterdrückungsschaltung.
Wie in 1 dargestellt ist, sind das Tiefpaßfilter 16 und die Parallelresonanzschaltung 15 mit der herkömmlichen Spannungsversorgungseinheit (die die Stromquelle 1, die Spulen 2 und 7, die Widerstände 3 und 6 und die Kondensatoren 4 und 5 aufweist) in Serie geschaltet.
Das erfindungsgemäße Tiefpaßfilter ist nicht auf die in 1 dargestellte Konfiguration eines Tiefpaßfilters 16 beschränkt. Erfindungsgemäß kann ein in 15 dargestelltes Tiefpaßfilter 16a verwendet werden. Das Tiefpaßfilter 16a weist Widerstände 81 und 82, Kondensatoren 83 und 84 und einen Spannungsfolger 85 auf. Die Konfiguration des Tiefpaßfilters 16a ermöglicht eine höhere Grenzfrequenzgenauigkeit des Tiefpaßfilters 16a als beim Tiefpaßfilter 16.
Auch die erfindungsgemäße Parallelresonanzschaltung ist nicht auf die in 1 dargestellte Parallelresonanzschaltung beschränkt. Stattdessen kann erfindungsgemäß die in 16 dargesteltle Parallelresonanzschaltung 15a verwendet werden. Die Parallelresonanzschaltung 15a weist Spulen 91 und 92 und Kondensatoren 93, 94, 95, 96 und 97 auf.
Außerdem kann an Stelle der in 1 dargestellten Parallelresonanzschaltung 15 die in 17 dargestellte Parallelresonanzschaltung 15b verwendet werden. Die Parallelresonanzschaltung 15b weist eine Spule 8 und einen regelbaren Kondensator 9a auf. Als regelbarer Kondensator 9a kann ein Varactor verwendet werden. Durch diese Konfiguration ist die Resonanzfrequenz der Parallelresonanzschaltung einstellbar.
Diese Tiefpaßfilter und Parallelresonanzschaltungen sind beliebig kombinierbar.
Nachstehend wird die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Spannungsversorgungsrauschunterdrückungsschaltung beschrieben. 2 zeigt einen Graphen zum Darstellen der Größe des Spannungsversorgungsrauschens, das erzeugt wird, wenn die exemplarische erfindungsgemäße Spannungsversorgungsrauschunterdrückungsschaltung zwangsweise in Resonanz gebracht wird, und 3 zeigt einen Graphen zum Darstellen der Größe des Spannungsversorgungsrauschens, nachdem das Rauschsignal das Tiefpaßfilter durchlaufen hat.
Spannungsversorgungsrauschen weist normalerweise mehrere Frequenzkomponenten auf. Die Resonanzfrequenz der Parallelresonanzschaltung 15 muss möglichst weitgehend höher sein als die Taktfrequenz einer elektronischen Schaltung, z.B. einer Core-Logikschaltung in einem in 7 dargestellten LSI-Chip, die mit einem VDD- und einem VSS-Anschluss verbunden ist. Dies ist erforderlich, um zu verhindern, dass die elektronische Schaltung durch die Parallelresonanzschaltung beeinflußt wird und dadurch fehlerhaft arbeitet. Normalerweise können Rauschkomponenten höherer Harmonischer erzeugt werden, deren Frequenz der 2-, 4-, 8-,... fachen Systemtaktfrequenz entsprechen. Rauschkomponenten mit der bis zu 4-fachen Systemtaktfrequenz haben einen wesentlichen Einfluß auf die Spanne des Rauschabstands. Rauschkomponenten der 8-fachen Systemtaktfrequenz haben dagegen nur einen geringen Einfluß auf die Spanne des Rauschabstands.
Daher wird durch die vorliegende Erfindung, wenn die Resonanzfrequenz der 4-fachen Systemtaktfrequenz entspricht, eine gewisse Wirkung erzielt, wobei jedoch große Sorgfalt beim Schaltungsdesign erforderlich ist. Wenn die Resonanzfrequenz der 5- bis 8-fachen Systemtaktfrequenz gleicht, wird durch die vorliegende Erfindung bei normalem Schaltungsdesign eine ausreichende Wirkung erzielt. Wenn die Resonanzfrequenz größer ist als die 9-fache Systemtaktfrequenz, kann durch die vorliegende Erfindung ohne jegliche Berücksichtigung des Designs eine ausreichende Wirkung erzielt werden.
Beispielsweise ist es wünschenswert, den Ausgangsanschlüssen der Spannungsversorgung ein Tiefpaßfilter und eine Parallelresonanzschaltung hinzuzufügen, die auf eine Frequenz angestimmt sind, die höher ist als die Rauschfrequenz (d.h. die vorzugsweise der 5- bis 6-fachen Taktfrequenz entspricht).
Hinsichtlich des vorstehend beschriebenen Erfordernisses für die Resonanzfrequenz werden die Kenngrößen der Spule und des Kondensators der Parallelresonanzschaltung 15 beispielsweise folgendermaßen festgelegt: Induktivität der Spule 8: 50 pH und Kapazität des Kondensators 9: 50 pF.
2 zeigt einen Graphen zum Darstellen der Frequenzkomponenten von Spannungsversorgungsrauschen, wenn die erfindungsgemäße Rauschunterdrückungsschaltung zwangsweise in Resonanz gebracht wird, 3 zeigt einen Graphen zum Darstellen der Frequenzkomponenten des Spannungsversorgungsrauschsignals, nachdem das Spannungsversorgungsrauschsignal das Tiefpaßfilter nach der Resonanz durchlaufen hat, und 4 zeigt ein Ablaufdiagramm zum Darstellen der Arbeitsweise des in der erfindungsgemäßen exemplarischen Rauschunterdrückungsschaltung ausgeführten Rauschunterdrückungsverfahrens. In den 2 und 3 stellen die vertikale Achse die Spannung (V) und die horizontale Achse die Zeit (ns) dar.
Zunächst wird die mit der Spannungsversorgungseinheit in Serie geschaltete Parallelresonanzschaltung 15 zwangsweise in Resonanz gebracht, um zu veranlassen, dass die Rauschfrequenzen der Resonanzfrequenz der Parallelresonanzschaltung 15 gleichen oder näherungsweise gleichen (Schritt S1 in 4). Wenn die Werte wie vorstehend beschrieben festgelegt sind, ergeben sich während der Resonanz die in 2 dargestellten Frequenzkomponenten des Spannungsversorgungsrauschens der Parallelresonanzschaltung 15. Gemäß 2 beträgt der Spitzenwert des Rauschsignals etwa 25 mV und ist damit wesentlich kleiner als der Spitzenwert des Rauschsi gnals (etwa 37 mV) in der vorstehend beschriebenen, in 12 dargestellten herkömmlichen Spannungsversorgungseinheit.
Dann werden die Spannungsversorgungsrauschsignale, deren Frequenz der Parallelresonanzfrequenz gleicht oder näherungsweise gleicht, durch das mit der Parallelresonanzschaltung 15 in Serie geschaltete Tiefpaßfilter 16 unterdrückt (Schritt S2 in 4). Dann wird, wie in 3 dargestellt ist, der Spitzenwert des Rauschsignals weiter auf 16 mV reduziert.
Dadurch kann die erfindungsgemäße Spannungsversorgungseinheit das Spannungsversorgungsrauschen bezüglich des Spannungsversorgungsrauschens der herkömmlichen Spannungsversorgungseinheit auf die Hälfte oder weniger reduzieren.
5 zeigt einen Graphen zum Darstellen der Frequenzcharakteristik von Spannungsversorgungsrauschen, wenn die erfindungsgemäße Spannungsversorgungsrauschunterdrückungsschaltung zwangsweise in Resonanz gebracht wird, 6 zeigt einen Graphen zum Darstellen der Frequenzcharakteristik von Spannungsversorgungsrauschen, nachdem die Rauschsignale nach der Resonanz das Tiefpaßfilter durchlaufen haben, und 13 zeigt einen Graphen zum Darstellen der Frequenzcharakteristik von Spannungsversorgungsrauschen, das durch die herkömmliche Spannungsversorgungsrauschunterdrückungsschaltung erzeugt wird. In den 5, 6 und 13 stellen die vertikale Achse die Amplitude (mag) und die horizontale Achse die Frequenz (Hz) dar.
Nachstehend wird unter Bezug auf die 5, 6 und 13 die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen exemplarischen Spannungsversorgungsrauschunterdrückungsschaltung ausführlicher beschrieben.
13 zeigt die Frequenzcharakteristik des Spannungsversorgungsrauschens 101 der herkömmlichen Spannungsversorgungseinheit. Gemäß dieser Figur tritt der Spitzenwert des Spannungsversorgungsrauschens am Mittelpunkt zwischen 100 MHz und 1 GHz auf, wobei der Rauschsignalpegel etwa 0,023 mag beträgt.
Andererseits zeigt 5, dass, wenn die erfindungsgemäße Spannungsversorgungsrauschunterdrückungsschaltung zwangsweise in Resonanz gebracht wird, der Pegel des in 13 dargestellten Spannungsversorgungsrauschens 101 auf den Pegel des Spannungsversorgungsrauschens 102 reduziert wird, und außerdem tritt das neue Spannungsversorgungsrauschen 103 (dessen Pegel 0,025 mag oder mehr beträgt) der Resonanzfrequenz bei einer Frequenz (etwa am Mittelpunkt zwischen 1 GHz und 10 GHz) auf, die höher ist als diejenige des Spannungsversorgungsrauschens 102. Der Grund, warum der Pegel des Spannungsversorgungsrauschens 102 (etwa 0,010 mag) bezüglich des Pegels des ursprünglichen Spannungsversorgungsrauschens 101 wesentlich reduziert ist, ist, dass die Energie des ursprünglichen Spannungsversorgungsrauschens 101 zum Spannungsversorgungsrauschen 103 der Resonanzfrequenz verschoben ist. Andererseits zeigt 6, dass das Spannungsversorgungsrauschen 103 der Resonanzfrequenz, das das Tiefpaßfilter 16 durchläuft, unterdrückt ist (auf etwa 0,005 mag), und der Pegel des Spannungsversorgungsrauschens dem durch das Bezugszeichen 103a dargestellten Pegel entspricht.
Wie vorstehend beschrieben wurde, wird ein wesentlicher Rauschunterdrückungseffekt erzielt, indem veranlaßt wird, dass die Energie des Spannungsversorgungsrauschens, dessen Spitzenwert ursprünglich im Niedrigfrequenzbereich liegt (vergl. 13), durch Resonanz zu einer Resonanzfrequenz im Hochfrequenzbereich verschoben (vgl. 5) und dann das Spannungsversorgungsrauschen unter Verwendung des Tiefpaßfilters unterdrückt wird (vgl. 6).
D.h., durch Parallelresonanz, falls diese erzeugt wird, wird die Impedanz der Spannungsversorgung bei der Resonanzfrequenz wesentlich erhöht. Weil der Spannungsversorgungsstrom, multipliziert mit der Impedanz der Spannungsversorgung, die Spannungsschwankung der Spannungsversorgung darstellt, nimmt die Spannungsschwankung mit zunehmender Impedanz zu.
D.h., wenn eine Parallelresonanz erzeugt wird, nimmt die Impedanz der Spannungsversorgung bei der Resonanzfre quenz zu, und das Spannungsversorgungsrauschen bei der Resonanzfrequenz nimmt ebenfalls zu. Wenn diese Parallelresonanz zwangsweise in der Spannungsversorgung induziert wird, wird die Impedanz bei anderen Frequenzen relativ reduziert, und die Impedanz bei der Resonanzfrequenz erhöht. Dadurch nimmt das Spannungsversorgungsrauschen bei der Resonanzfrequenz wesentlich zu und wird das Spannungsversorgungsrauschen bei anderen Frequenzen reduziert.
Wie vorstehend beschrieben wurde, hat die erste exemplarische Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Konfiguration, gemäß der die Spannungsversorgungsrauschkomponenten durch die Parallelresonanz zwangsweise zur Parallelresonanzfrequenz verschoben und dann durch das Tiefpaßfilter unterdrückt werden.
Zweite exemplarische Ausführungsform
7 zeigt ein Diagramm zum Darstellen eines Beispiels, in dem Resonanzgeneratoren in einem LSI-Chip zwischen Spannungsversorgungsanschlüssen (VDD) 18 und Erdungsanschlüssen (VSS) 19 angeordnet sind. Wie in der Figur dargestellt ist, sind die Spannungsversorgungen in einem LSI-Chip gitterförmig angeordnet. Während die in der vorstehend erwähnten JP-A-2002-83920 beschriebene Serienresonanzschaltung nicht in eine derartige Schaltung eingefügt werden kann, ist die erfindungsgemäße Spannungsversorgungsrauschunterdrückungsschaltung in eine derartige Schaltung einfügbar.
7 zeigt ein Beispiel, in dem die Parallelresonanzschaltungen 15 der ersten Ausführungsform in einem LSI-Chip zwischen mehreren Spannungsversorgungsanschlüssen (VDD) 18 und Erdungsanschlüssen (VSS) 19 derart angeordnet sind, dass eine Parallelresonanzschaltung für jeweils mehrere VDD- und VSS-Anschlüsse (G) bereitgestellt wird. Obwohl in 7 nicht dargestellt, ist das Tiefpaßfilter 16 der ersten Ausführungsform in der tatsächlichen Konfiguration mit der Parallelresonanzschaltung in Serie geschaltet.
14 zeigt ein Querschnittdiagramm zum Darstellen eines Beispiels, in dem die Resonanzerzeugungsschaltung in einem LSI-Chip 21 zwischen einem Spannungsversorgungsanschluss (VDD) 18 und einem Erdungsanschluss (VSS) 19 angeordnet ist. In einem LSI-Chip 160 sind ein CMOS 162, ein (dem Tiefpaßfilter 16 in 1 entsprechendes) Tiefpaßfilter 104 und eine (der Parallelresonanzschaltung 15 in 1 entsprechende) Parallelresonanzschaltung 105 auf einem Si-Substrat 161 angeordnet, und diese Komponenten sind über ihre benachbarten Teile miteinander verbunden. Der CMOS 162 und das Tiefpaßfilter 104 sind über eine (nicht dargestellte) Verdrahtungsmetallschicht verbunden, die zwischen dem Si-Substrat 161 und den Spannungsversorgungsanschlüssen VDD und VSS bereitgestellt wird.
Metallschichten 109 (Spannungsversorgungsmetallschicht 107 und Erdungsmetallschicht 106) und Verdrahtungsmetallschichten (nicht dargestellt) sind zwischen der Parallelresonanzschaltung 105 und den Spannungsversorgungsanschlüssen VSS 18 und VSS 19 angeordnet, und die Schichten und die Spannungsversorgungsanschlüsse sind über Kontaktierungslöcher verbunden. Ein Ende der Parallelresonanzschaltung 105 ist über das Kontaktierungsloch 112 und durch die Spannungsversorgungsmetallschichten 107 und 110 mit dem Spannungsversorgungsanschluss VDD 18 verbunden und über einen Lötanschluss 150 ein Kontaktierungsloch 121 und eine Spannungsversorgungsschicht 131 mit einer Gleichspannungsversorgung 163 verbunden. Die Kontaktierungslöcher 121 und 122, die Spannungsversorgungsschicht 131 und eine Erdungsschicht 132 sind in einer gedruckten Schaltung 164 angeordnet. Ähnlicherweise ist das andere Ende der Parallelresonanzschaltung 105 über ein Kontaktierungsloch 112a und durch die Erdungsmetallschicht 106, das Kontaktierungsloch 113 und eine Erdungsmetallschicht 108 mit dem Spannungsversorgungsanschluss VSS 19 verbunden und über einen Lötanschluss 151, das Kontaktierungsloch 122 und die Erdungsschciht 132 mit der Gleichspannungsversorgung 163 verbunden.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Konfiguration wird durch die zweite exemplarische Ausführungsform die gleiche Wirkung erzielt wie bei der ersten exemplarischen Ausfüh rungsform (vgl. 3). Der in 1 dargestellte LSI-Chip 1 mit einer Größe von etwa 100 μm nimmt nicht viel Platz ein. Weil die Frequenzcharakteristiken auf die Resonanzfrequenz eingestellt sind, muss die Schaltung nicht für viele Frequenzen konstruiert werden.
Dritte exemplarische Ausführungsform
8 zeigt ein Konfigurationsdiagramm zum Darstellen eines Beispiels, in dem die erfindungsgemäße Spannungsversorgungsrauschunterdrückungsschaltung auf eine Makroschaltung angewendet wird. Eine "Makroschaltung" bezeichnet einen Schaltungsblock mit einer in einem Chip, z.B. in einem RAM-(Direktzugriffsspeicher) Schaltung oder in einer SerDes-(Serial-Deserial) Schaltung, integrierten speziellen Funktion.
Gemäß 8 sind eine Parallelresonanzschaltung 32, ein Tiefpaßfilter 33 und eine Makroschaltung 31 mit einer nicht dargestellten Spannungsversorgung in Serie geschaltet. Die Parallelresonanzschaltung 32 hat die gleiche Konfiguration wie die Parallelresonanzschaltung 15 der ersten exemplarischen Ausführungsform, und das Tiefpaßfilter 33 hat die gleiche Konfiguration wie das Tiefpaßfilter 16 der ersten Ausführungsform.
Wenn die Makroschaltung 31 wie in 8 dargestellt angeordnet ist, wird die Spannungsversorgungsrauschunterdrückungsschaltung (Parallelresonanzschaltung 32 + Tiefpaßfilter 33) zwischen die Makroschaltung 31 und eine externe Spannungsversorgung derart angeordnet, als ob sie eine Reglerschaltung wäre. Durch diese Konfiguration wird eine rauscharme Spannungsversorgung bereitgestellt, durch die insbesondere dann ein wesentlicher Vorteil erzielt wird, wenn die Makroschaltung eine Analogschaltung ist.
Eine normale Reglerschaltung benötigt eine zusätzliche externe Spannungsversorgung, deren Spannungspegel höher ist als der Spannungspegel der internen Spannungsversorgung, und außerdem einen wesentlich größeren Installationsraum. Die erfindungsgemäße Schaltung benötigt dagegen, wenn sie als Alternative zu einer derartigen normalen Reglerschaltung verwendet wird, nur eine Spannungsversorgung mit einem einzigen Spannungspegel, so daß der zusätzliche Installationsraum auf etwa 1/10 reduziert wird.
Vierte exemplarische Ausführungsform
9 zeigt ein Konfigurationsdiagramm zum Darstellen eines Beispiels, in dem die erfindungsgemäße Spannungsversorgungsrauschunterdrückungsschaltung auf einen E/A-Puffer angewendet wird. Gemäß 9 ist eine Spannungsversorgungsrauschunterdrückungsschaltung 43 zwischen einem E/A-Puffer 41 und einer E/A-Puffer-Spannungsversorgung 42 geschaltet. Die Spannungsversorgungsrauschunterdrückungsschaltung 43 weist eine Parallelresonanzschaltung 51 und ein Tiefpaßfilter 52 auf, die in Serie geschaltet sind, wobei die Parallelresonanzschaltung 51 die gleiche Konfiguration hat wie die Parallelresonanzschaltung 15 der ersten exemplarischen Ausführungsform und das Tiefpaßfilter 52 die gleiche Konfiguration hat wie das Tiefpaßfilter 16 der ersten Ausführungsform.
Eine Spannungsschwankung in der Spannungsversorgung 42 des E/A-Puffers 41, falls diese erzeugt wird, erzeugt Jitter (Wellenformverzerrung), bei einer Signalübertragung. Weil Datenübertragungsraten immer höher werden, nimmt die Übertragungsspanne ab und sind die Übertragungsentfernung und die Übertragungsgeschwindigkeit begrenzt.
Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Spannungsversorgungsrauschunterdrückungsschaltung 43 könnten die Spannungsschwankungen in der Spannungsversorgung reduziert, Jitter unterdrückt und die Übertragungsspanne erhöht werden.
Aufgrund der Konfiguration des E/A-Puffers 41 ist es schwierig, einen Entkopplungskondensator mit dem E/A-Puffer 41 zu verbinden. Daher kann die erfindungsgemäße Spannungsversorgungsrauschunterdrückungsschaltung auf eine derartige Schaltung angewendet werden.
Fünfte exemplarische Ausführungsform
Wenn eine Digitalschaltung und eine Analogschaltung eine gemeinsame Spannungsversorgung verwenden, wird durch Rauschen im Taktsignal der Digitalschaltung manchmal eine Störung in der Analogschaltung verursacht. Daher verwenden die Digitalschaltung und die Analogschaltung herkömmlicherweise getrennte Spannungsversorgungen. Durch die fünfte exemplarische Ausführungsform wird dieses Problem gelöst.
10 zeigt ein Konfigurationsdiagramm zum Darstellen eines Beispiels, in dem die erfindungsgemäße Spannungsversorgungsrauschunterdrückungsschaltung in der gemeinsamen Spannungsversorgung einer Digitalschaltung und einer Analogschaltung verwendet wird.
Gemäß 10 ist eine Spannungsversorgungsrauschunterdrückungsschaltung 63 zwischen einer Digitalschaltung 61 und einer Analogschaltung 62 geschaltet. Die Digitalschaltung 61 und die Analogschaltung 62 sind mit einer nicht dargestellten gemeinsamen Spannungsversorgung verbunden.
Die Spannungsversorgungsrauschunterdrückungsschaltung 63 weist eine Parallelresonanzschaltung 72 und ein Tiefpaßfilter 71 auf, die in Serie geschaltet sind, wobei die Parallelresonanzschaltung 32 die gleiche Konfiguration hat wie die Parallelresonanzschaltung 15 der ersten exemplarischen Ausführungsform, und das Tiefpaßfilter 33 die gleiche Konfiguration hat wie das Tiefpaßfilter 16 der ersten Ausführungsform.
Ein Beispiel der Digitalschaltung 61 ist eine Logikschaltung, und ein Beispiel der Analogschaltung 62 ist eine PLL- (Phasenregelkreis) Schaltung.
Durch Schalten der Spannungsversorgungsrauschunterdrückungsschaltung 63 zwischen der Digitalschaltung 61 und der Analogschaltung 62 gemäß der vorstehenden Beschreibung wird verhindert, dass die Analogschaltung 62 durch Rauschen beeinflußt wird, das durch ein Taktsignal der Digitalschaltung 61 verursacht wird. Natürlich werden sowohl die Digitalschaltung 61 als auch die Analogschaltung 62 durch das in Verbindung mit der ersten Ausführungsform dargestellte Spannungsversorgungsrauschen nicht beeinflußt.
Die erfindungsgemäße Spannungsversorgungsrauschunterdrückungsschaltung, die die Spannungsversorgung, die Resonanzschaltung und das Filter aufweist, kann Spannungsversorgungsrauschen mit beliebigen Frequenzen reduzieren.
D.h., die erfindungsgemäße Spannungsversorgungsrauschunterdrückungsschaltung kann die Größe des normalerweise erzeugten Spannungsversorgungsrauschens wesentlich reduzieren und die Wirkung einer Spannungsschwankung der Spannungsversorgung auf die Schaltungen, insbesondere auf rauschempfindliche Schaltungen, in einem LSI-Baustein unterdrücken. Dadurch wird eine Verminderung der Verzögerungsspanne vermieden, die durch eine Schaltungsstörung und eine Verzögerungsschwankung erzeugt wird. Außerdem wird in einem normalen LSI-Chip außer dem Spannungsversorgungsrauschen auch Substratrauschen erzeugt, das sich über ein Siliziumsubstrat ausbreitet. Auch wenn dieses Rauschen erzeugt wird, kann dieses Rauschen durch Erzeugen einer Resonanz mit dem Spannungsversorgungsrauschen kombiniert werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezug auf erläuternde exemplarische Ausführungsformen beschrieben worden ist, soll die Beschreibung nicht im einschränkenden Sinne verstanden werden. Für Fachleute ist anhand der Beschreibung ersichtlich, dass innerhalb des durch die beigefügten Patentansprüche definierten Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung verschiedene Modifikationen bezüglich den exemplarischen Ausführungsformen möglich und andere oder äquivalente Ausführungsformen realisierbar sind.

Claims

Spannungsversorgungsrauschunterdrückungsschaltung zum Reduzieren von in einer Spannungsversorgung erzeugtem Rauschen, mit einer Resonanzschaltung und einem mit der Resonanzschaltung verbundenen Filter.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Resonanzschaltung eine mit der Spannungsversorgung in Serie geschaltete Parallelresonanzschaltung aufweist.
Schaltung nach Anspruch 2, wobei die Resonanzfrequenz der Parallelresonanzschaltung höher ist als die Rauschfrequenz.
Schaltung nach Anspruch 3, wobei das Filter Resonanzfrequenzkomponenten der Parallelresonanzschaltung unterdrückt oder abschwächt.
Schaltung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei eine Stromquelle zum Zuführen eines elektrischen Stroms zur Spannungsversorgung einen LSI- (hochintegrierten) Chip aufweist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Spannungsversorgung eine von mehreren Spannungsversorgungen aufweist, und wobei die Spannungsversorgungen in einem LSI-Chip gitterförmig angeordnet sind.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Spannungsversorgung mit einer Makroschaltung verbunden ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Spannungsversorgung mit einem E/A- (Eingang/Ausgang) Puffer verbunden ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Spannungsversorgung eine gemeinsame Spannungsversorgung einer Digitalschaltung und einer Analogschaltung ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Parallelresonanzschaltung eine Spule und einen Kondensator aufweist, die parallel geschaltet sind, und wobei das Filter ein Tiefpaßfilter mit einem Widerstand und einem Kondensator aufweist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, wobei eine Resonanzfrequenz der Parallelresonanzschaltung höher ist als eine Taktfrequenz einer mit einem Spannungsversorgungsanschluss verbundenen elektronischen Schaltung.
Rauschunterdrückungsschaltung für eine elektronische Schaltung zum Reduzieren von in einer elektronischen Schaltung erzeugtem Rauschen, mit einer Resonanzschaltung und einem mit der Resonanzschaltung verbundenen Filter.
Schaltung nach Anspruch 12, wobei die Resonanzschaltung eine mit einer Spannungsversorgung in Serie geschaltete Parallelresonanzschaltung aufweist.
Schaltung nach Anspruch 13, wobei eine Resonanzfrequenz der Parallelresonanzschaltung höher ist als die Rauschfrequenz.
Schaltung nach Anspruch 14, wobei das Filter Resonanzfrequenzkomponenten der Parallelresonanzschaltung unterdrückt oder abschwächt.
Spannungsversorgungsrauschunterdrückungsverfahren zum Reduzieren von in einer Spannungsversorgung erzeugtem Rauschen, mit den Schritten: zwangsweises Versetzen einer mit der Spannungsversorgung verbundenen Resonanzschaltung in Resonanz, um eine Frequenz des Rauschsignals auf eine Resonanzfrequenz oder näherungsweise auf eine Resonanzfrequenz einzustellen; Unterdrücken oder Abschwächen des Spannungszufuhrrauschens, das auf die Resonanzfrequenz oder näherungsweise auf die Resonanzfrequenz eingestellt wurde, unter Verwendung eines mit der Resonanzschaltung in Serie geschalteten Filters.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Resonanzschaltung eine mit der Spannungsversorgung in Serie geschaltete Parallelresonanzschaltung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Resonanzfrequenz der Parallelresonanzschaltung höher ist als die Frequenz des in einer Spannungsversorgung erzeugten Rauschens.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Filter Resonanzfrequenzkomponenten der Parallelresonanzschaltung unterdrückt oder abschwächt.
Verfahren nach Anspruch 16, 17, 18 oder 19, wobei eine Stromquelle zum Zuführen eines elektrischen Stroms zur Spannungsversorgung einen LSI-Chip aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, wobei die Spannungsversorgung eine von mehreren Spannungsversorgungen aufweist, und wobei die Spannungsversorgungen in einem LSI-Chip gitterförmig angeordnet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, wobei die Spannungsversorgung mit einer Makroschaltung verbunden ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 22, wobei die Spannungsversorgung mit einem E/A-Puffer verbunden ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 23, wobei die Spannungsversorgung eine gemeinsame Spannungsversorgung einer Digitalschaltung und einer Analogschaltung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 24, wobei die Parallelresonanzschaltung eine Spule und einen Kondensator aufweist, die parallel geschaltet sind, und wobei das Filter ein Tiefpaßfilter mit einem Widerstand und einem Kondensator aufweist.
Spannungsversorgungsrauschunterdrückungsvorrichtung zum Reduzieren von in einer Spannungsversorgung erzeugtem Rauschen, mit: einer Einrichtung zum Versetzen eines Spannungsversorgungsrauschsignal in Resonanz, um eine Frequenz des Rauschens auf eine Resonanzfrequenz oder näherungsweise auf die Resonanzfrequenz einzustellen; und einer mit der Einrichtung zum Versetzen des Spannungsversorgungsrauschens in Resonanz in Serie geschalteten Einrichtung zum Unterdrücken oder Abschwächen des Spannungsversorgungsrauschens, das auf die Resonanzfrequenz oder näherungsweise auf die Resonanzfrequenz eingestellt worden ist.