DE3623735A1 - Signaluebertragungsschaltung - Google Patents
SignaluebertragungsschaltungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Signalübertragungsschaltung
zum Übertragen von Signalen zwischen elektrischen Schaltungen,
die auf den jeweiligen Schichten einer aus mehreren
übereinander liegenden Schichten aufgebauten elektrischen
Schaltung ausgebildet sind, wobei die elektrischen
Schaltungen mit hoher Dichte angeordnet sind, und
insbesondere eine Signalübertragungsschaltung, die sich
für eine Signalübertragung zwischen benachbarten Plättchen
einer großen Anzahl von in kompakte Bauweise übereinander
angeordneten Plättchen eignet.
Es ist eine kompakte Bauweise von elektrischen Schaltungen
mit hoher Dichte bekannt, bei der eine große Anzahl von
Plättchen übereinander angeordnet wird und eine große Anzahl
von Elektroden an den gegenüberliegenden Außenflächen der
Plättchen vorgesehen wird, so daß diese gegenseitig für die
Signalübertragung zwischen den Plättchen miteinander in Kontakt
stehen. Diese Verfahren der Signalübertragung auf der
Grundlage des Kontaktes der Elektrodenflächen ist jedoch mit
der Schwierigkeit verbunden, daß mit steigender Anzahl von
Elektroden die Gefahr zunimmt, daß ein Teil der Elektroden
einen fehlerhaften Kontakt hat, so daß dieses Verfahren unpraktisch
ist. Zur Lösung dieses Problems ist in der JP OS
2 662/81 eine aus mehreren übereinander liegenden Schichten
aufgebaute elektrische Schaltung vorgeschlagen worden, bei
der die Elektroden zwischen benachbarten Plättchen zur Signalübertragung
über eine kapazitive Kopplung gekoppelt sind.
Bei dieser auf einer kapazitiven Kopplung beruhenden Schaltung
ergibt sich eine Änderung des über die kapazitive Kopplung
zu übertragenden Signals, d. h. wird ein Signal über den
Kondensator übertragen, das eine Wellenform hat, die durch
Differenzieren des Signals erhalten wird. Wenn das sich ergebende
Signal benutzt wird, wird somit eine Flip-Flop-Schaltung
so angesteuert, daß das zu übertragende Signal reproduziert
und in dieser Flip-Flop-Schaltung gehalten wird. Unter Berücksichtigung
der Tatsache, daß die Flip-Flop-Schaltung für Störungen
oder Rauschsignale empfindlich ist, werden zwei differentielle
Ausgangssignale von einem einzigen Eingangssignal
gebildet und dazu benutzt, eine Elektrode eines von zwei Paaren von
kapazitiven Elektroden differentiell anzusteuern, so daß Lade/
Entladeströme der Kopplungskondensatoren fließen können, ohne
über die Energieversorgungsleitungen zwischen den einzelnen
Plättchen umzufließen, wodurch verhindert wird, daß die Flip-
Flop-Schaltung aufgrund der Störungen oder Rauschsignale fehlerhaft
arbeitet, die in den Energieversorgungsleitungen induziert
werden.
Diese aus mehreren übereinander liegenden Schichten aufgebaute
elektrische Schaltung, die eine Flip-Flop-Schaltung verwendet,
wie es oben beschrieben wurde, hat jedoch den Nachteil, daß
eine Verzögerung in der Signalübertragung an der Flip-Flop-
Schaltung auftritt, so daß diese Schaltung vom Standpunkt der
Arbeitsgeschwindigkeit unzufriedenstellend ist. Um eine fehlerhafte
Arbeit der Flip-Flop-Schaltung aufgrund von Störungen
oder Rauschsignalen zu vermeiden, werden darüberhinaus zwei
Paare von kapazitiven Elektroden verwandt und differentiell
angesteuert. Diese Schaltungsanordnung macht somit zwei Paare
von kapazitiven Elektroden erforderlich, um ein einziges Signal
zu übertragen, so daß sie sich zur Übertragung einer großen
Anzahl von Signalen nicht eignet.
Durch die Erfindung soll eine Signalübertragungsschaltung geschaffen
werden, die die Signalübertragung zwischen den elektrischen
Schaltungen einer aus mehreren übereinander angeordneten
Schichten aufgebauten elektrischen Schaltung über eine
kapazitive Kopplung bewirkt, ohne daß eine Flip-Flop-Schaltung
benötigt wird, um das zu übertragende Signal zu reproduzieren
und das sich ergebende Signal zu halten, wodurch sichergestellt
wird, daß keine Signalverzögerung an einer Flip-Flop-Schaltung
auftritt, um eine Signalübertragung mit hoher Geschwindigkeit
zu bewirken, und Differentialschaltungen, die dann benötigt werden,
wenn die Flip-Flop-Schaltung benutzt wird, zur Vermeidung
einer fehlerhaften Arbeit nicht immer erforderlich sind.
Durch die Erfindung soll weiterhin eine Signalübertragungsschaltung
für die Signalübertragung zwischen den elektrischen Schaltungen
einer aus mehreren übereinander liegenden Schichten aufgebauten
elektrischen Schaltung über eine kapazitive Kopplung
geschaffen werden, die eine große Anzahl von Signalen mit gegenüber
der bekannten Schaltung der Hälfte der kapazitiven
Elektroden übertragen kann.
Die erfindungsgemäße Signalübertragungsschaltung ist so ausgebildet,
daß eine empfangende Schaltung, die so geschaltet ist,
daß sie ein Signal von einer kapazitiven Elektrode eines
Kopplungskondensators empfängt, einen so hohen Eingangswiderstand
hat, daß dieser praktisch als unendlich groß angesehen werden
kann, um den logischen Signalpegel eines Signals zu halten,
das an der anderen kapazitiven Elektrode liegt, und eine Klemmschaltung
mit dem Eingang der empfangenden Schaltung verbunden
ist, so daß das Signal an der empfangenden Schaltung innerhalb
eines Bereiches eines bestimmten Eingangssignalspegels für
die empfangende Schaltung geändert wird. Die obige Anordnung
macht es möglich, daß die empfangende Schaltung eine Änderung
eines Signals einer übertragenden Schaltung in Form einer
Gleichspannungspegeländerung empfängt und somit keine Anordnung
einer Flip-Flop-Schaltung für die empfangende Schaltung notwendig
ist. Es reicht tatsächlich ein einziges Paar von kapazitiven
Elektroden für die Signalübertragung aus.
Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung besonders
bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben.
Es zeigen
Fig. 1 das Schaltbild einer aus mehreren übereinander
liegenden Schichten aufgebauten elektrischen
Schaltung gemäß eines Ausführungsbeispiels der
Erfindung,
Fig. 2 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise
des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels,
Fig. 3 bis 6 in Diagrammen die verschiedenen Möglichkeiten
der Energieversorgung, die bei den jeweiligen
Ausführungsbeispielen in Fig. 1, 7-10, 12 und 19
anwendbar sind,
Fig. 7-10 die Schaltbilder weiterer Ausführungsbeispiele
der Erfindung jeweils,
Fig. 11 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise
des in Fig. 10 dargestellten Ausführungsbeispiels,
Fig. 12 das Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels
der Erfindung,
Fig. 13 u. 14 die Schaltbilder abgewandelter Formen der Schaltung
des Kopplungskondensators in Fig. 12,
Fig. 15 eine Draufsicht auf ein Plättchen mit einer Anzahl
von Signalübertragungsschaltungen gemäß der Erfindung,
Fig. 16 eine Schnittansicht längs der Linie 16-16 in
Fig. 15,
Fig. 17 und 18 in schematischen Darstellungen weitere
Ausführungsbeispiele von übereinander angeordneten
Plättchen, von denen jedes kapazitive Kopplungsschaltungen
trägt und
Fig. 19 das Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels
der Erfindung.
In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Signalübertragungsschaltung dargestellt, das zwischen zwei
elektrischen Schaltungsplatten vorgesehen ist. Plättchen 1
und 2 sind mit gegenüberliegenden kapazitiven Elektroden jeweils
versehen, um einen Kopplungskondensator 3 zu bilden. Das
Plättchen 1 weist eine übertragende Schaltung 4 zum Ansteuern
einer der kapazitiven Elektroden auf und das Plättchen 2 weist
eine empfangende Schaltung 5 zum Empfang eines Signals von der
anderen kapazitiven Elektrode und eine Klemmschaltung 6 auf,
die den Signalpegel innerhalb eines Bereiches einer bestimmten
Eingangsspannung für die empfangende Schaltung 5 festklemmt.
Die übertragende Schaltung 4 umfaßt einen PMOS-Transistor 7
und einen NMOS-Transistor 8, wobei diese Transistoren mit ihren
Gate-Elektroden zur Bildung eines Signaleingangs und mit ihren
Drain-Elektroden zum Zuführen eines Signals zu einer kapazitiven
Elektrode des Kopplungskondensators 3 miteinander verbunden
sind. Die Source-Elektrode des PMOS-Transistors 7 ist mit einer
Energieversorgung V DD verbunden und die Source-Elektrode des
NMOS-Transistors 6 liegt an einer Energieversorgung V SS . In
ähnlicher Weise umfaßt die empfangende Schaltung 5 einen PMOS-
Transistor 9 und einen NMOS-Transistor 10, wobei diese
Transistoren gegenseitig in derselben Weise wie die Transistoren
der übertragenden Schaltung 4 geschaltet sind, so daß die
Gate-Elektroden miteinander verbunden sind, um das Signal von der
anderen kapazitiven Elektrode zu empfangen, und die Drain-Elektroden
zur Erzeugung eines Ausgangssignals miteinander verbunden
sind. Es ist nicht immer notwendig, daß die Energieversorgungen
V DD und V SS der übertragenden Schaltung 4 mit den Energieversorgungen
V′ DD und V′ SS der empfangenden Schaltung 5
identisch sind. Unabhängig davon, ob diese Energieversorgungen
identisch sind oder nicht, muß darauf geachtet werden, daß
keine Störungen oder Rauschsignale zwischen den Energieversorgungen
V DD und V′ DD und zwischen den Energieversorgungen V SS
und V′ SS induziert werden. Die einzelnen Plättchen können in
verschiedener Weise mit Energie versorgt werden, wie es beispielsweise
später anhand der Fig. 3 bis 6 beschrieben wird.
Die Klemmschaltung 6 umfaßt zwei Dioden 11 und 12, wobei die
Anode der Diode 11 und die Kathode der Diode 12 gemeinsam mit
der anderen kapazitiven Elektrode verbunden sind. Die Kathode
der Diode 11 ist mit einer Energieversorgung V″ DD verbunden,
während die Anode der Diode 12 an einer Energieversorgung V″ SS
liegt. Die Energieversorgung V″ DD liegt auf einem geeigneten
Potential, das gleich der oder kleiner als die obere Eingangsgrenzspannung
für die empfangende Schaltung 5 ist, und die Energieversorgung
V″ SS liegt auf einem geeigneten Potential, das
gleich der oder größer als die untere Eingangsgrenzspannung
für die empfangende Schaltung 5 ist. Die Spannungspotentiale
V″ DD und V″ SS sind insbesondere so gewählt, daß irgendwo zwischen
V″ DD und V″ SS der logische Schwellenwert eines Inverters
liegt, der die empfangende Schaltung 5 bildet, und daß V″ DD
und V″ SS innerhalb eines Bereiches liegen, der von einer oberen
Eingangsgrenzspannung und einer unteren Eingangsgrenzspannung
des Inverters begrenzt wird, wobei V″ DD - V″ SS gleich der oder
kleiner als die Eingangssignalamplitude ist.
Im folgenden wird die Arbeitsweise der in Fig. 1 dargestellten
Schaltung beschrieben. Fig. 2 zeigt die Wellenformen der Signale,
die bei der Signalübertragung durch die in Fig. 1 dargestellte
Schaltung auftreten. Wenn angenommen wird, daß das Eingangssignal
der übertragenden Schaltung 4 am Anfang einen niedrigen
Pegel hat, so hat das Ausgangssignal der übertragenden
Schaltung, die als Inverter arbeitet, einen hohen Pegel. Die
empfangende Schaltung 5 ist nicht mit der übertragenden Schaltung
gleichspannungsgekoppelt, so daß ihr Eingangssignalpegel
nicht festliegt und daher auch ihr Ausgangssignalpegel undefiniert
ist. Wenn sich das Eingangssignal der übertragenden Schaltung
4 von einem niedrigen Pegel auf einen hohen Pegel ändert
und sich folglich ihr Ausgangssignal von einem hohen Pegel auf
einem niedrigen Pegel ändert, wird das Eingangssignal der empfangenden
Schaltung 5 zwangsweise von einem Anfangssignalpegel
heruntergesetzt. Sobald das Eingangssignal der empfangenden
Schaltung 5 zwangsweise auf einen Wert unter V″ SS herabgesetzt
ist, beginnt die Diode 12 zu leiten, was zur Folge hat, daß das
Eingangssignal der empfangenden Schaltung 5 schließlich auf
einen vorbestimmten niedrigen Eingangssignalpegel für die empfangende
Schaltung 5 geklemmt wird und deren Ausgangssignal
auf einen hohen Pegel kommt. Da die Dioden 11 und 12 der
Klemmschaltung so lange sperren, bis das Ausgangssignal der übertragenden
Schaltung sich anschließend ändert, und da die Gate-Elektroden
der MOS-Transistoren 9 und 10 einen Gleichstromeingangswiderstand
von 1013 Ω oder mehr haben, wird die Eingangsspannung
der empfangenden Schaltung 5 im wesentlichen konstant gehalten,
so daß ihr Ausgangssignal auf einem hohen Pegel bleibt.
Wenn folglich das Eingangssignal der übertragenden Schaltung 4
einem hohen Pegel erreicht, fallen der Ausgangssignalpegel der
übertragenden Schaltung 4 und der Eingangssignalpegel der
empfangenden Schaltung 5 bei jeweils niedrigen Pegel zusammen.
Wenn einmal die Übereinstimmung des Ausgangssignalpegels mit
dem Eingangssignalpegel erreicht ist, wird eine Änderung des
Pegels des über den Kopplungskondensator 3 übertragenen Signals
in eine Änderung des Eingangssignalpegels um den Schwellenwert
der empfangenden Schaltung 5 herum umgewandelt und darauf
übertragen.
Wenn angenommen wird, daß das Eingangssignal der übertragenden
Schaltung 4 am Anfang einen hohen Pegel hat, dann arbeitet die
Diode 11 bei einer Änderung vom hohen Pegel auf den niedrigen
Pegel so, daß das Ausgangssignal der übertragenden Schaltung 4
und das Eingangssignal der empfangenden Schaltung 5 bei jeweils
bestimmten hohen Pegeln zusammenfallen, woraufhin eine
Änderung des Ausgangssignalpegels der übertragenden Schaltung 4
sicher auf die empfangende Schaltung 5 übertragen wird. Bei der
Signalübertragungsschaltung, die auf einer kapazitiven Kopplung
basiert, wie es gemäß der Erfindung der Fall ist, fällt der anfängliche
logische Pegel des Ausgangssignals der übertragenden
Schaltung nicht immer mit dem anfänglichen logischen Pegel des
Eingangssignals der empfangenden Schaltung zusammen, die Übereinstimmung
dieser logischen Signalpegel kann jedoch dann erhalten
werden, wenn sich das Ausgangssignal der übertragenden
Schaltung zum erstenmal ändert. Ein Impuls, der dieser Änderung
entspricht, kann somit zweckmäßigerweise aus einem Rücksetzsignal
gebildet werden, das dann erzeugt wird, wenn die Energieversorgung
für die Schaltung angeschaltet wird. Bei dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel fließen tatsächlich Streuströme
durch den Eingang der empfangenden Schaltung 5 und der Klemmschaltung
6, so daß die Beibehaltung des Eingangspotentials der
empfangenden Schaltung 5 über ein Zeitintervall in der Größenordnung
von Sekunden nicht garantiert werden kann. Dieses Ausführungsbeispiel
wird somit im typischen Fall für eine Signalübertragung
benutzt, bei der bekannt ist, daß sich das Signal
innerhalb kurzer Zeitintervalle rechtzeitig ändert. Insbesondere
dann, wenn das Signal über ein langes Zeitintervall unverändert
bleibt, kann jedoch dieses Ausführungsbeispiel dann benutzt
werden, wenn ein Rücksetzsignal von der anschließenden Übertragung
eines Datensignals angelegt wird, um dafür zu sorgen, daß
der logische Pegel des Ausgangssignals der übertragenden Schaltung
4 mit dem logischen Pegel des Eingangssignals der empfangenden
Schaltung 5 zusammenfällt.
Im folgenden wird die Energieversorgung der Plättchen 1 und 2
beschrieben. Wie es schematisch in den Fig. 3 bis 6 dargestellt
ist, kann die Energieversorgung in verschiedener Weise
erfolgen.
Bei dem in Fig. 3 dargestellten Beispiel werden die Plättchen
1 und 2 mit Energie von einer Energiequelle 200 versorgt.
In diesem Fall sind V DD und V′ DD einander gleich und sind V SS
und V′ SS einander gleich. Die Anschlüsse 211 und 212 für die
Energieversorgung sind am Umfangsrand des Plättchens 1 vorgesehen
und V DD und V SS liegen von der Energiequelle 200über
diese Anschlüsse am Plättchen 1. In ähnlicher Weise sind Energieversorgungsanschlüsse
213 und 214 am Umfangsrand des Plättchens
2 vorgesehen und liegen V′ DD und V′ SS von der
Energiequelle 200 über diese Anschlüsse am Plättchen 2. Bei diesem
Beispiel ist es notwendig, im Plättchen 2 eine Schaltung zum
Erzeugen von V″ DD und V″ SS aus V′ DD und V′ SS vorzusehen.
Bei dem in Fig. 4 dargestellten Beispiel werden beide Plättchen
1 und 2 gleichfalls von der Energiequelle 200 mit Energie
versorgt. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden Energieversorgungsleitungen
für jedes Plättchen nicht benötigt. Insbesondere
verlaufen die Energieversorgungsanschlüsse 211′ und 212′ für
das Plättchen 1 durch das Plättchen 1 hindurch und verlaufen
die Energieversorgungsanschlüsse 213′ und 214′ für das Plättchen
2 gleichfalls durch das Plättchen 2 hindurch. Die Anschlüsse
211′ und 212′ sind über eine externe Verdrahtung mit
der Energiequelle 200 verbunden. Um das Plättchen 2 mit Energie
zu versorgen, wird es mit dem Plättchen 1 in Kontakt gebracht,
so daß die Anschlüsse 211′ und 212′ des Plättchens 1
jeweils in einen direkten Kontakt mit den Anschlüssen 213′
und 214′ des Plättchens 2 kommen. Da bei diesem Beispiel die
Anzahl der Anschlüsse für einen direkten Kontakt sehr klein
ist, besteht keine Möglichkeit, daß ein fehlerhafter Kontakt
auftritt.
Das in Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel hat im Grunde
den gleichen Anschluß wie das in Fig. 3 dargestellte Beispiel,
wobei jedoch die Energiequelle 201 V DD (=V′ DD ), V SS (=V′ SS ),
V″ DD und V″ SS liefert und zusätzlich zu den Anschlüssen 213
und 214 für die Versorgung von V′ DD und V′ SS Anschlüsse 217
und 218 am Umfangsrand des Plättchens 2 vorgesehen sind, um
V″ DD und V″ SS zuzuführen. Die Signalübertragung von Plättchen 2
auf das Plättchen 1 ist gleichfalls zusätzlich zur Signalübertragung
vom Plättchen 1 auf das Plättchen 2 notwendig, so daß
das Plättchen 1 mit einer empfangenden Schaltung versehen ist.
In Fig. 5 sind somit Anschlüsse 215 und 216 und die zugehörige
Verdrahtung dargestellt, um V″ DD und V″ SS der
Klemmschaltung der empfangenden Schaltung zu liefern.
Bei dem in Fig. 6 dargestellten Beispiel sind die Energieversorgungen
V DD und V SS für das Plättchen 1 nicht gemeinsam mit
den jeweiligen Energieversorgungen V′ DD , V′ SS für das Plättchen
2, sondern davon getrennt. Das Plättchen 1 wird mit V DD
und V SS von einer Energiequelle 202 über Energieversorgungsanschlüsse
211 und 212 versorgt, während das Plättchen 2 mit
V′ DD und V′ SS von einer Energiequelle 203 über Energieversorgungsanschlüsse
213 und 214 versorgt wird. Eine Energiequelle
204 ist zwischen V SS und V′ SS geschaltet, so daß V SS um eine
Ausgangsspannung V S der Energiequelle 204 von V′ SS verschieden
ist.
Fig. 7 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Signalübertragungsschaltung, bei dem eine zusätzliche
Schaltung vorgesehen ist, die die Eingangsspannung der empfangenden
Schaltung bei ihrer Änderung aufgrund vom Streuströmen
bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel kompensiert.
Wenn bei der Schaltungsanordnung des in Fig. 1 dargestellten
Ausführungsbeispiels der Pegel des Eingangssignals
für die übertragende Schaltung 4 über ein langes Zeitintervall
konstant gehalten wird, d. h. wenn beispielsweise ein
niedriger Signalpegel andauert, nimmt der Pegel des Eingangssignals
der empfangenden Schaltung 5 (hoher Pegel) durch die
Streuströme allmählich ab, die aus der Gate-Elektrode beispielsweise
des NMOS-Transistors 10 fließen, was zu einem
Ladungsverlust des Kopplungskondensators 3 führt. Bei dem in
Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel werden diese Streuströme
kompensiert, so daß ein Signal übertragen werden kann,
das ein Signalmuster trägt, dessen Pegel über ein langes Zeitintervall
unverändert ist.
In Fig. 7 sind gleiche Bauelemente wie in Fig. 1 mit gleichen
Bezugszeichen versehen, so daß sie nicht nochmals beschrieben
werden. Die Dioden 11 und 12 der Klemmschaltung 6 in Fig. 1
sind jeweils durch einen PMOS-Transistor 13 und einen NMOS-
Transistor 14 ersetzt, wobei die Gate-Elektroden dieser Transistoren
gemeinsam mit dem Ausgang (Drain-Elektroden des PMOS-Transistors
9 und des NMOS-Transistors 10) der empfangenden Schaltung
5 verbunden sind. Wenn angenommen wird, daß der Eingangssignalpegel
der empfangenden Schaltung 5 niedrig ist, so wird
ihr Ausgangssignalpegel hoch, so daß NMOS-Transistor 14
durchschaltet, um das Eingangssignal der empfangenden Schaltung
5 auf einem niedrigen Pegel zu halten. Wenn der Eingangssignalpegel
der empfangenden Schaltung 5 hoch ist, wird ihr
Ausgangssignalpegel niedrig, so daß der PMOS-Transistor 13
durchschaltet, um das Eingangssignal auf dem hohen Pegel zu
halten. Die Größe jedes Transistors 13 und 14 muß in einem
zum Kompensieren der Streuströme geeigneten Maß begrenzt sein.
Das heißt mit anderen Worten, daß das Verhältnis W/L ausreichend
klein sein muß, wobei W die Gate-Breite und L die Gate-
Länge bezeichnen. Es kann davon ausgegangen werden, daß der
Drain-Strom i DS des MOS-Transistors proportional zu W/L ist.
Wenn unter den obigen Beschränkungen sich das Ausgangssignal
der übertragenden Schaltung 4 beispielsweise vom niedrigen
Pegel auf den hohen Pegel ändert, kann der NMOS-Transistor 14,
der am Anfang durch das Ausgangssignal mit hohem Pegel der empfangenden
Schaltung 5 durchgeschaltet wurde, schließlich nur
einen kleinen Strom i DS durchlassen, der ausreicht, den
Streustrom zu kompensieren, wodurch eine Erhöhung des Eingangssignalpegels
der empfangenden Schaltung bewirkt wird. Sobald sich
anschließend das Ausgangssignal der empfangenden Schaltung 5
auf den niedrigen Pegel geändert hat, sperrt der NMOS-Transistor
14 und schaltet der PMOS-Transistor 13 durch, was zur Folge
hat, daß der Streustrom von der Gate-Elektrode des NMOS-
Transistors 10 kompensiert werden kann, um dadurch das Eingangssignal
der empfangenden Schaltung 5 auf einem hohem Pegel zu
halten. Der PMOS-Transistor 13 und der NMOS-Transistor 14 erfüllen
gleichfalls die Funktion der Klemmdioden 11 und 12.
Wenn insbesondere das Eingangssignal der empfangenden Schaltung
5 einen niedrigen Pegel hat, kann dieser niedrige Pegel
nicht unter die Energieversorgungsspannung V″ SS fallen, da der
NMOS-Transistor 14 durchgeschaltet ist und den Pegel von V″ SS
schließlich hält. Wie es im vorhergehenden beschrieben wurde,
muß das Verhältnis W/L zwischen der Gate-Breite und der Gate-
Länge des Transistors klein sein und muß der Drain-Strom i DS
begrenzt sein. Wenn somit die Transistoren 13 und 14 aufgrund
eines zu kleinen Drain-Stromes i DS die Klemmfunktion nicht in
zufriedenstellender Weise erfüllen können, werden Klemmdioden
11 und 12 zusätzlich parallel zu den Transistoren 13 und 14
jeweils geschaltet, wie es durch eine gestrichelte Linie in
Fig. 7 dargestellt ist. Aus dem obigen ist ersichtlich, daß
dieses Ausführungsbeispiel der Erfindung die Eingangsspannung
der empfangenden Schaltung hinsichtlich ihrer Änderung kompensieren
kann, die durch einen Streustrom verursacht wird, der
von einem Signal stammt, das sich über ein langes Zeitintervall
nicht ändert.
Fig. 8 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Signalübertragungsschaltung, das wie das in Fig. 7 dargestellte
Ausführungsbeispiel darauf gerichtet ist, eine fehlerhafte
Arbeit der empfangenden Schaltung aufgrund eines Streustromes
zu vermeiden. In Abhängigkeit von der Art des zu übertragenden
Signales muß die übertragende/empfangende Schaltung
nicht durchgehend und konstant arbeiten, sondern können diese
Schaltungen ihren Betrieb nach der Datenübertragung unterbrechen.
Bei einer solchen Anwendungsform ist ein Ausführungsbeispiel
zweckmäßig, bei dem das Eingangspotential der empfangenden
Schaltung zu einem gegebenen Zeitpunkt auf einen vorbestimmten
Pegel gebracht wird. Ein zusätzlich vorgesehener NMOS-
Transistor 15 liegt mit seiner Drain-Elektrode am Eingang der
empfangenden Schaltung 5, mit seiner Source-Elektrode an der
Energieversorgung V″ SS und empfängt an seiner Gate-Elektrode
ein Vorladesignal mit hohem Pegel zu einem Zeitpunkt außerhalb
des Zeitintervalles für die Datemübertragung, um das Eingangssignal
der empfangenden Schaltung 5 auf einen niedrigen Pegel
zu ändern, indem der NMOS-Transistor durchgeschaltet wird. Da
das Potential der Gate-Elektrode niedriger als das oder gleich
dem Source-Potential ist, und der NMOS-Transistor 15 ohne ein
Vorladesignal sperrt, kommt das Eingangssignal der empfangenden
Schaltung 5 von einem niedrigen Pegel auf einen hohen Pegel,
wenn sich das Ausgangssignal der übertragenden Schaltung 4 vom
niedrigen Pegel auf den hohen Pegel ändert. Wenn andererseits
sich das Ausgangssignal der übertragenden Schaltung 4 vom hohen
Pegel auf den niedrigen Pegel ändert, wird das Eingangssignal
der empfangenden Schaltung 5, das die Neigung hat, zum niedrigen
Potential hin abzusinken, auf dem niedrigen Potential
gehalten, da der NMOS-Transistor 15 durchgeschaltet ist. In dieser
Weise erfüllt der NMOS-Transistor 15 auch die Funktion der
Klemmdiode 12 bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel.
Wenn jedoch die Klemmfunktion des Transistors 15
unzureichend ist, wird eine Diode 12 parallel zu den Source-
und Drain-Elektroden des NMOS-Transistors 15 geschaltet. Eine
Klemmdiode 11, wie sie bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel
verwandt wurde, ist bei dem in Fig. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel
nicht erforderlich.
Das Vorladesignal wird so erzeugt, wie es zum Beispiel im folgenden
angegeben ist. Die Übertragung des Datensignals wird
so gesteuert, daß sie synchron mit dem Taktsignal erfolgt, das
für den Betrieb der logischen Schaltungen auf den Plättchen
benutzt wird. Das Datensignal wird der übertragenden Schaltung
über ein Signal geliefert, das eine Datenübertragung synchron
mit dem Taktsignal anweist, und wird durch die empfangende
Schaltung empfangen, so daß die Daten in einem Sperrglied oder
Signalspeicher (Flip-Flop-Schaltung) synchron mit dem Datenübertragungssignal
gespeichert werden. Da sich bei dieser Anordnung
das Ausgangssignal der empfangenden Schaltung bei
Fehlen des Datenübertragungssignals ändern kann, kann eine
Schaltung verwandt werden, die durch das Datenübertragungssignal
betätigt wird, um ein Signal zu erzeugen, das als Vorladesignal
zu einem derartigen Zeitpunkt benutzt wird, daß das
Datenübertragungssignal nicht überlagert wird. Wenn insbesondere
das Vorladesignal an die Gate-Elektrode des NMOS-Transistors
15 vor der Übertragung des Datensignals anzulegen ist,
kann auf eine Änderung des Ausgangssignals der übertragenden
Schaltung 4 vom hohen Pegel auf den niedrigen Pegel der Eingang
der empfangenden Schaltung vorgeladen werden, um den Pegel
der Energieversorgung V″ SS vor der Auslösung der
Datenübertragung wiederzugewinnen, so daß die Klemmdiode 12 überflüssig
wird. Bei einer derartigen Anordnung müssen natürlich die
MOS-Transistoren eine ausreichend hohe Durchbruchspannung haben.
Statt des NMOS-Transistors 15, der bei dem in Fig. 8 dargestellten
Ausführungsbeispiel verwandt wird, wird bei dem in
Fig. 9 dargestellten vierten Ausführungsbeispiel ein PMOS-
Transistor 50 dazu verwandt, den Eingang der empfangenden Schaltung
5 auf einen hohen Pegel vorzuladen. Wie bei dem in Fig. 8
dargestellten Ausführungsbeispiel erfüllt der PMOS-Transistor
50 gleichfalls eine Klemmfunktion. Wenn die Klemmfunktion unzureichend
ist, kann eine Diode 11 wie die Diode 12 bei dem
in Fig. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel parallel zur
Source- und Drain-Elektrode des PMOS-Transistors 50 geschaltet
werden. Die Arbeitsweise des in Fig. 9 dargestellten Ausführungsbeispiels
ist der Arbeitsweise des in Fig. 8 dargestellten
Ausführungsbeispiel ähnlich, so daß sie nicht nochmals im
einzelnen beschrieben wird.
Gemäß der Erfindung ist auf der Eingangsseite der empfangenden
Schaltung ein parasitärer Kondensator gebildet und wird
die Ausgangssignalamplitude der übertragenden Schaltung durch
den Kopplungskondensator un den parasitären Kondensator geteilt,
was zu einer Eingangssignalamplitude der empfangenden
Schaltung führt, die kleiner als die Ausgangssignalamplitude
der übertragenden Schaltung ist. Wenn daher die Energieversorgungsspannungen
für die übertragende Schaltung und die empfangende
Schaltung einander gleich sind, was anzeigt, daßV DD - V SS =
V′ DD - V′ SS bei den Ausführungsbeispielen der Fig.1, 7, 8
und 9 ist, wird die Eingangssignalamplitude kleiner als die
Energieversorgungsspannung. Der Klemmbereich der Klemmschaltung
ist so festgelegt, daß er in den Bereich der Energieversorgungsspannung
fällt und schmaler als der Bereich der Energieversorgungsspannung
ist, so daß V″ DD V′ DD und V″ SS
V′ SS ist, und der Inverter der empfangenden Schaltung
arbeitet als Verstärker, um seine Ausgangssignalamplitude innerhalb
des Bereiches von V′ DD - V′ SS zu ändern. Daher fließt ein zwar
kleiner aber konstanter durchgehender Strom im Inverter der
empfangenden Schaltung. Um das zu verhindern, kann die
Energieversorgungsspannung der übertragenden Schaltung angehoben werden,
um die Ausgangssignalamplitude der übertragenden Schaltung
zu erhöhen.
Die Schaltung des fünften Ausführungsbeispiels der Erfindung,
das in Fig. 10 dargestellt ist, ist darauf gerichtet, den Fluß
des durchgehenden Stromes selbst dann anzuschließen, wenn die
Eingangssignalamplitude der empfangenden Schaltung kleiner als
die Energieversorgungsspannung ist (V′ DD - V′ SS ). Die Eingangssignalspannung
der empfangenden Schaltung 4 wird auf die Energieversorgungsspannung
V′ DD oder V′ SS unter Verwendung eines
PMOS-Transistors 16 mit einem großen Gate-Breiten zu Gate-Längen-
Verhältnis W/L und eines NMOS-Transistors 17 mit einem großen
Gate-Breiten zu Gate-Längen-Verhältnis W/L angehoben. Ein
Eingangssignal, dessen Signalamplitude mit V sig bezeichnet ist,
liegt an einem Inverter 20, der aus einem PMOS-Transistor 18
mit einem großen Gate-Längen-Verhältnis W/L
und einem NMOS-Transistor 19 mit einem kleinen Gate-Breiten zu
Gate-Längen-Verhältnis W/L besteht und der eine logische Schwellenspannung
V TH20 hat, die um V′ DD - V sig /2 herum liegt, und an
einem Inverter 23, der gleichfalls aus einem PMOS-Transistor 21
mit einem kleinen Gate-Breiten zu Gate-Längen-Verhältnis W/L
und einem NMOS-Transistor 22 besteht und eine logische Schwellenspannung
V TH23 hat, die um V′ SS + V sig /2 herum liegt. Die obigen
Spannungen V′ DD , V′ SS , V sig , V TH20 und V TH 23 stehen in einer
Beziehung zueinander, wie es schematisch in Fig. 11 dargestellt
ist. Die Inverter 24 und 29 haben logische Schwellenspannungen,
die um (V′ DD + V′ SS )/2 herum liegen, und NOR-Glieder 25,
26, 27, 28 und 30 mit zwei Eingängen sind mit den Invertern 24
und 29 in der in Fig. 10 dargestellten Weise verbunden. Der
Ausgang des NOR-Gliedes 28 entspricht dem Ausgang der empfangenden
Schaltung. Die Bauelemente 24 bis 27, 29 und 30 bilden
eine Schaltung zum Steuern der Gate-Elektroden der MOS-Transistoren
16 und 17.
Im folgenden wird die Arbeitsweise dieser Schaltung anhand des
in Fig. 11 dargestellten Zeitdiagramms beschrieben. Wenn angenommen
wird, daß der Eingangssignalpegel der empfangenden Schaltung
zunächst V′ SS beträgt, dann haben die Ausgangssignale der
Inverter 20 und 23 beide einen hohen Pegel, liegt das Ausgangssignal
des NOR-Gliedes 25 auf einem hohen Pegel, hat das Ausgangssignal
des NOR-Gliedes 26 einen niedrigen Pegel, liegt das
Ausgangssignal des Inverters 29 auf einem hohen Pegel, hat das
Ausgangssignal des NOR-Gliedes 30 einen niedrigen Pegel und liegt
das Ausgangssignal des NOR-Gliedes 28 auf einem hohen Pegel.
Folglich sperren die PMOS-Transistoren 16 und 13 und der
NMOS-Transistor 17 und ist der NMOS-Transistor 14 durchgeschaltet,
um dadurch sicherzustellen, daß der Streustrom
zum Halten des Eingangspotentials auf V′ SS kompensiert wird.
Wenn anschließend das Ausgangssignal der übertragenden Schaltung
4 auf einen hohen Pegel kommt und die Eingangsspannung
der empfangenden Schaltung um V sig von V′ SS aus ansteigt,
dann wird das Ausgangssignal des Inverters 23 auf den niedrigen
Pegel umgekehrt. Dann kommt das Ausgangssignal des
NOR-Gliedes 27 auf den hohen Pegel, kommt das Ausgangssignal
des Inverters 29 auf den niedrigen Pegel und kommt das Ausgangssignal
des NOR-Gliedes 28 auf den niedrigen Pegel, um
dadurch das Ausgangssignal der empfangenden Schaltung umzukehren.
Gleichzeitig sperrt der NMOS-Transistor 14 und schaltet
der PMOS-Transistor 16 durch, um die Eingangsspannung
der empfangenden Schaltung zur Energieversorgungsspannung
V′ DD anzuheben. Wenn die Eingangsspannung V′ DD - V sig /2 überschreitet,
kommt auch das Ausgangssignal des Inverters 20
auf den niedrigen Pegel, so daß das Ausgangssignal des Inverters
24 auf einen hohen Pegel kommt, des Ausgangssignal des
NOR-Gliedes 25 auf den niedrigen Pegel kommt, das Ausgangssignal
des NOR-Gliedes 26 auf einen hohen Pegel kommt, das
Ausgangssignal des NOR-Gliedes 27 auf den niedrigen Pegel
kommt und das Ausgangssignal des Inverters 29 auf den hohen
Pegel kommt, was dazu führt, daß der PMOS-Transistor 16
sperrt und der PMOS-Transistor 13 durchschaltet. Der Eingangsstreustrom
wird daher durch den PMOS-Transistor 13 kompensiert.
Wenn umgekehrt das Ausgangssignal der übertragenden Schaltung
4 vom hohen Pegel auf den niedrigen Pegel kommt und die
Eingangsspannung der empfangenden Schaltung um V sig von V′ DD
aus abnimmt, wird das Ausgangssignal des Inverters 20 zunächst
auf den hohen Pegel umgekehrt, so daß das Ausgangssignal
des Inverters 24 auf den niedrigen Pegel kommt und die
Ausgangssignale der NOR-Glieder 30 und 28 auf den hohen Pegel
kommen. Das Ausgangssignal der empfangenden Schaltung wird in
dieser Weise auf den hohen Pegel umgekehrt. Gleichzeitig sperrt
der PMOS-Transistor 13 und schaltet der NMOS-Transistor 17
durch, um die Eingangsspannung der empfangenden Schaltung
auf die Energieversorgungsspannung V′ SS abzusenken. Wenn die
Eingangsspannung unter V′ SS - V sig /2 fällt, kommt auch das Ausgangssignal
des Inverters 23 auf den hohen Pegel, so daß das
Ausgangssignal des NOR-Gliedes 25 auf den hohen Pegel kommt
und die Ausgangssignale der NOR-Glieder 26 und 30 auf den niedrigen
Pegel kommen, und somit der NMOS-Transistor 17 sperrt,
während der NMOS-Transistor 14 durchschaltet. In dieser Weise
wird der Eingangsstreustrom durch den NMOS-Transistor 14 kompensiert.
Die Transistoren 16 und 17 haben ein großes Verhältnis W/L,
um die Eingangsspannung der empfangenden Schaltung schnell
auf die Energieversorgungsspannung V′ DD oder V′ SS auf eine Umkehr
des Ausgangssignals der übertragenden Schaltung hin anzuheben,
und die Transistoren 13 und 14 haben ein kleines Verhältnis
W/L, das zum Kompensieren des Streustromes geeignet ist.
Bei der oben beschriebenen Arbeitsweise sind die zuletzt genannten
Transistoren durchgeschaltet, während die zuerst genannten
Transistoren sperren. Das in Fig. 10 dargestellte Ausführungsbeispiel
erlaubt es somit, daß sich die Eingangsspannung
der empfangenden Schaltung so ändert, wie es bei dem in
Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel der Fall ist.
Das in Fig. 12 dargestellte sechste Ausführungsbeispiel der
Erfindung ist wie das in Fig. 10 dargestellte Ausführungsbeispiel
darauf gerichtet, den Fluß des durchgehenden Stromes
selbst dann auszuschalten, wenn die Eingangssignalamplitude
der empfangenden Schaltung kleiner als die Energieversorgungsspannung
(V′ DD - V′ SS ) ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel
sind ein PMOS-Transistor 31 und ein NMOS-Transistor 32, die die
erste Stufe der empfangenden Schaltung bilden, mit ihren Gate-
Elektroden 45 und 46 nicht miteinander verbunden, sondern
zum Empfang jeweiliger Spannungen um die Schwellenspannungen
des PMOS-Transistors 31 und des NMOS-Transistors 32 herum
getrennt, damit diese Transistoren 31 und 32 nicht gleichzeitig
durchgeschaltet werden. Dazu ist die Gate-Elektrode 45
in der dargestellten Weise mit Klemmdioden 33 und 34, einem
PMOS-Transistor 37 zum Kompensieren des Streustromes und
einem NMOS-Transistor 38 verbunden, so daß die Eingangsspannung
an der Gate-Elektrode 45 in einen Bereich vonV′ DD - ≦ΧεθβαθV THP ≦Χεθβαθ
bis V′ DD - ≦ΧεθβαθV THP ≦Χεθβαθ - V sig fallen kann, wobei V THP die Schwellenspannung
des PMOS-Transistors 31 ist und V sig die
Eingangssignalamplitude bezeichnet. In ähnlicher Weise ist die Gate-
Elektrode 46 in der dargestellten Weise mit Klemmdioden 35
und 36, einem PMOS-Transistor 39 zum Kompensieren des Streu-
Stromes und einem NMOS-Transistor 40 verbunden, so daß die
Eingangsspannung in einem Bereich von V′ SS + V THN bis V′ SS + V THN
+ V sig fallen kann, wobei V THN die Schwellenspannung des NMOS-
Transistors 32 bezeichnet. Die Energieversorgungsspannungen
V″′ DD , V″′ SS , V″″ DD und V″″ SS sind so gewählt, daß sie das
oben erwähnete Festklemmen der Signalpegel an den Gate-Elektroden
45, 46 unterstützen. Ein Inverter aus einem PMOS-Transistor
41 und einem NMOS-Transistor 42 arbeitet als Pufferschaltung
zum Betreiben einer Anzahl von Lasten. Ein Kopplungskondensator
43 ist mit einer kapazitiven Elektrode mit dem Ausgang
der übertragenden Schaltung wie beim ersten bis fünften
Ausführungsbeispiel verbunden, während die andere kapazitive
Elektrode mit dem Eingang der empfangenden Schaltung verbunden
und in zwei Unterelektroden unterteilt ist, von denen eine
mit der Gate-Elektrode 45 verbunden ist, während die andere an
der Gate-Elektrode 46 liegt. Der Anschluß des Kopplungskondensators
43 kann so abgewandelt werden, wie es in den Fig. 13
und 14 dargestellt ist. Bei der in Fig. 13 dargestellten Abwandlungsform
ist derselbe Kopplungskondensator 3 wie beim ersten
bis fünften Ausführungsbeispiel vorgesehen und mit seiner
kapazitiven Elektrode auf der Eingangsseite der empfangenden
Schaltung direkt mit der Gate-Elektrode 45 und über einen
Kondensator 47, der am Plättchen augebildet ist, auch mit
der Gate-Elektrode 46 verbunden. Bei der anderen in Fig. 14
dargestellten Abwandlungsform ist der Kopplungskondensator 3
direkt mit der Gate-Elektrode 46 und über den Kondensator 47
mit der Gate-Elektrode 45 verbunden.
Wenn das Ausgangssignal bei 44 der übertragenden Schaltung
niedrig ist, werden während des Betriebes die Spannungen an
den Gate-Elektroden 45 und 46 der empfangenden Schaltung jeweils
gleich V′ DD - ≦ΧεθβαθV THP ≦Χεθβαθ - V sig und V′ SS + V THN , um den PMOS-
Transistor 31 durchzuschalten und den NMOS-Transistor 32 zu
sperren und damit den Fluß eines durchgehenden Stromes zu verhindern.
Wenn in ähnlicher Weise das Ausgangssignal 44 der
übertragenden Schaltung einen hohen Pegel hat, werden die Spannungen
an den Gate-Elektroden 45 und 46 der empfangenden Schaltung
gleich V′ DD - ≦ΧεθβαθV THP ≦Χεθβαθ und gleich V′ SS + V THN + V sig jeweils,
so daß der PMOS-Transistor 31 sperrt und der NMOS-Transistor
32 durchschaltet und damit das Fließen eines durchgehenden
Stromes verhindert wird.
Es versteht sich, daß dann, wenn die MOS-Transistoren 37 bis 40
eine ausreichende Klemmfunktion haben, die Klemmdioden 33 bis
36 fehlen können, wie es bei dem in Fig. 7 dargestellten
Ausführungsbeispiel der Fall ist.
Fig. 15 zeigt eine Draufsicht auf ein Plättchen, das Signalübertragungsschaltungen
gemäß des ersten bis sechsten Ausführungsbeispiels
trägt, und Fig. 16 zeigt eine Schnittansicht
längs der Linie 16-16 in Fig. 15. Eine elektrische Schaltung
mit Schichtaufbau, bei der die erfindungsgemäße Ausbildung anwendbar
ist, ist so aufgebaut, daß Plättchen übereinander geschichtet
sind, wie es in Fig. 15 und 16 dargestellt ist. Die
Plättchen enthalten ein Halbleitersubstrat 101 mit einer oberen
Außenfläche, in der eine große Anzahl von Gruppen von übertragenden
Schaltungen 102 und empfangenden Schaltungen 103
ausgebildet ist und an die sich eine Schicht anschließt, die
kapazitive Elektroden 104 und Verdrahtungen 106 enthält, und
mit einer unteren Außenfläche, die sich an eine Schicht anschließt,
die die kapazitiven Elektroden 105 und Verdrahtungen 107
enthält. Die oberen Bauteile sind in der erforderlichen Weise
mit den unteren Bauteilen über elektrisch leitende Bereiche
108 verbunden, die sich durch das Substrat 101 erstrecken.
Die Gruppen von übertragenden Schaltungen 102 und empfangenden
Schaltungen 103 sind nahe am Rand eines logischen Schaltungsteils
109 angeordnet. Die Gruppen von übertragenden Schaltungen
102 und empfangenden Schaltungen 103 und die kapazitiven
Elektroden 104 können auch im logischen Schaltungsteil 109
verteilt sein. Die elektrisch leitenden Bereiche 108 sind mit
dem bekannten selektiven Diffusionsverfahren, das in der JP OS
2 662/81 beschrieben ist, dem Verfahren der Thermowanderung,
das in IEEE, Trans. Computer Bd. C-33, Nr. 1, Januar 1984,
Seite 69 bis 81 beschrieben ist, oder durch Bohren von durchgehenden
Löchern in das Plättchensubstrat ausgebildet, ein
Verfahren, das in der JP OS 2 22 954/84 beschrieben ist. Eine
Vielzahl von Plättchen, von denen jedes Signalübertragungsschaltungen
trägt, wie es in Fig. 15 und 16 dargestellt ist,
wird übereinander angeordnet, wie es in Fig. 17 beispielsweise
gezeigt ist, in der die Plättchen 110 und isolierende
Zwischenschichten 111 mit hoher Dielektrizitätskonstanten
dargestellt sind. Die Darstellung von Fig. 17 ist eine Teilschnittansicht,
um die Signalübertragung zwischen den Plättchen
zu zeigen. Für eine Signalübertragung vom oberen Plättchen
zum unteren Plättchen wird ein Ausgangssignal von einer
übertragenden Schaltung 102 am oberen Plättchen über die
Verdrahtung 106, den elektrisch leitenden Bereich 108 und die
Verdrahtung 107 zu einer kapazitiven Elektrode 105 geleitet, und
wird dann ein Signal von der kapazitiven Elektrode 104 am unteren
Plättchen, die zusammen mit der kapazitiven Elektrode 105
einen Kopplungskondensator bildet, über eine Verdrahtung 106
einer empfangenden Schaltung 103 zugeführt. In ähnlicher Weise
wird für eine Signalübertragung vom unteren Plättchen auf
ein oberes Plättchen ein Ausgangssignal von einer übertragenden
Schaltung 107 am unteren Plättchen über eine Verdrahtung
106 zur kapazitiven Elektrode 104 geführt und wird anschließend
ein Signal von einer kapazitiven Elektrode 105 am
oberen Plättchen, die zusammen mit der kapazitiven Elektrode
104 einen Kopplungskondensator bildet, über die Verdrahtung
107, den elektrisch leitenden Bereich 108 und die Verdrahtung
106 empfangenden Schaltung 103 zugeführt. Um
eine Signalübertragung zwischen nur zwei Plättchen zu bewirken,
kann bei beiden Plättchen auf die elektrisch leitenden
Bereiche 108, die durch das Halbleitersubstrat 101 hindurch
gehen, die Verdrahtungen 107 und die kapazitiven Elektroden
105 in der Schicht, die sich an die untere Außenfläche des
Halbleitersubstrats 101 anschließt, verzichtet werden, da eine
kapazitive Elektrode 104 des einen Plättchens in der Schicht,
die sich an die obere Außenfläche des Halbleitersubstrats 101
anschließt, die übertragende und empfangende Schaltungen 102
und 103 aufweist, einer kapazitiven Elektrode 104 des anderen
Plättchens zur Bildung eines Kopplungskondensators dadurch
gegenüber angeordnet werden kann, daß das zuletzt genannte
Plättchen umgedreht angeordnet wird.
Plättchen mit großem Enrgieverbrauch, die gekühlt werden
müssen, werden so übereinander angeordnet, wie es beispielsweise
in Fig. 18 dargestellt ist. Eine Verbindungsplatte 112,
die auch als Wärmeabstrahl- oder Kühlkörper zum Kühlen der
Plättchen dient, ist an einer oberen Außenfläche mit kapazitiven
Elektroden 113 versehen, die zusammen mit kapazitiven
Elektroden 105 Kopplungskondensatoren bilden, wobei die untere
Außenfläche mit kapazitiven Elektroden 114 versehen ist, die
zusammen mit kapazitiven Elektroden 104 Kopplungskondensatoren
bilden. Die oberen kapazitiven Elektroden 113 sind mit den unteren
kapazitiven Elektroden 114 über Leiter 115 verbunden.
Bei diesem Beispiel ist somit der Kopplungskondensator, der
von den kapazitiven Elektroden 105 und 113 gebildet wird, in
Reihe mit dem Kopplungskondensator geschaltet, der von den
kapazitiven Elektroden 104 und 114 gebildet wird, um einen
sich daraus ergebenden Endkopplungskondensator zu bilden.
Fig. 19 zeigt ein siebtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Signalübertragungsschaltung. Bei diesem Ausführungsbeispiel
werden zwei Kopplungskondensatoren 51 und 52 dazu
verwandt, ein Differentialausgangssignal zu übertragen. Eine
Differentialübertragungsschaltung 53 umfaßt PMOS-Transistoren
53 und 57 und NMOS-Transistoren 56 und 58. Diese
Transistoren sind so geschaltet, daß sie zwei Stufen von in Kaskade
angeordneten Invertern bilden, wobei jeder Inverter der Übertragungsschaltung
4 bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen
entspricht. Der Ausgang jedes Inverters ist mit einer Elektrode
eines von zwei Paaren von kapazitiven Elektroden verbunden.
Eine Differentialempfangsschaltung 54 umfaßt PMOS-Transistoren
59 und 61 und NMOS-Transistoren 60 und 62. Die NMOS-
Transistoren 60 und 62 sind mit ihren Gate-Elektroden so geschaltet,
daß sie Differentialsignale empfangen, die von der
anderen Elektrode jedes der beiden Paare von kapazitiven Elektroden
stammen, wobei beide Source-Elektroden mit der Energieversorgung
V′ SS und die Drain-Elektroden jeweils mit den Drain-
Elektroden der PMOS-Transistoren 59 und 61 verbunden sind, um
einen Ausgang und einen invertierenden Ausgang jeweils zu bilden.
Die PMOS-Transistoren 59 und 61 sind mit ihren Gate-Elektroden
mit dem invertierenden Ausgang und dem Ausgang verbunden,
wobei ihre Source-Elektroden beide an der Energieversorgung
V′ DD liegen. PMOS-Transistoren 63 und 65 und NMOS-
Transistoren 64 und 66 können wie die Transistoren 13 und 14bei
dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Eingangsspannungen
für die Differentialempfangsschaltung 54 halten und
die Eingangssignalpegel festklemmen, wobei diese Transistoren
in Form von zwei Stufen von Klemmschaltungen geschaltet sind,
von denen jede der Klemmschaltung von Fig. 7 entspricht. Die
Source-Elektroden der PMOS-Transistoren 63 und 65 sind jedoch
mit der Energieversorgung V″ DD verbunden, deren Spannung nicht
nur unter V DD sondern auch unter V′ DD liegt, so daß der
Eingangssignalpegel auf eine niedrigere Spannung als die Energieversorgungsspannung
V′ DD geklemmt werden kann. Bei diesem Ausführungsbeispiel
werden Signale entgegengesetzter Phase über
zwei Kopplungskondensatoren übertragen, im Grunde ist jedoch
die Arbeitsweise dieses Ausführungsbeispiels die gleiche wie
bei dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel. Die
übertragende/empfangende Schaltung bei diesem Ausführungsbeispiel
arbeitet differentiell und die Signalamplitude kann verglichen
mit dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel als im
wesentlichen verdoppelt angesehen werden. Das hat den Vorteil,
das selbst dann, wenn die Ausgangssignalamplitude der übertragenden
Schaltung durch den Kopplungskondensator geteilt wird,
und der parasitäre Kondensator auf der Eingangsseite der empfangenden
Schaltung gebildet ist, um dadurch die Eingangssignalamplitude
der empfangenden Schaltung herabzusetzen, ein großer
Arbeitsspielraum erhalten werden kann. Faktisch führt die Anwendung
eines differentiellen Betriebs bei dem in Fig. 7 dargestellten
Ausführungsbeispiel zu dem in Fig. 19 dargestellten
Ausführungsbeispiel. Der differentielle Betrieb kann jedoch
ersichtlich auch bei den anderen Ausführungsbeispielen angewandt
werden.
Wie es oben beschrieben wurde, erfolgt die Signalübertragung
gemäß der Erfindung zwischen den übereinander angeordneten
elektrischen Schaltungen über den Kopplungskondensator, so daß
ein fehlerhafter oder mangelnder Kontakt zwischen den Elektroden
nicht auftritt, was bei der herkömmlichen Schaltung der
Fall ist. Dadurch daß der Eingangswiderstand der empfangenden
Schaltung nahezu unendlich groß ist, kann darüberhinaus die übertragende
Wellenform direkt über den Kopplungskondensator empfangen
werden, ohne von einer Schaltung mit einer relativ großen
Zeitverzögerung wie beispielsweise einer Flip-Flop-Schaltung
Gebrauch zu machen, so daß die Geschwindigkeit der Signalübertragung
erhöht werden kann. Da weiterhin die Signalübertragung
nicht immer differentiell sein muß, kann die Anzahl
der kapazitiven Elektroden halbiert werden, um die Kapazität
der Mehrstiftkopplung zu erhöhen.
Claims (19)
1. Signalübertragungsschaltung für eine aus mehreren
übereinander angeordneten Schichten aufgebaute elektrische
Schaltung, die aus einer Vielzahl von plattenartigen elektrischen
Schaltungsbaugruppen besteht, von denen jede wenigstens
eine interne elektrische Schaltung aufweist und
die übereinander geschichtet sind, um Signale zwischen den
elektrischen Schaltungen in zwei benachbarten gewünschten
elektrischen Schaltungsbaugruppen zu übertragen,
gekennzeichnet durch wenigstens eine erste
Elektrode, die in der Nähe der Außenfläche einer ersten Baugruppe
(1) der beiden benachbarten elektrischen Schaltungsbaugruppen
angeordnet ist, wenigstens eine zweite Elektrode, die
in der Nähe der Außenfläche einer zweiten Baugruppe (2) der
beiden benachbarten elektrischen Schaltungsbaugruppen so angeordnet
ist, daß sie der ersten Elektrode gegenüberliegt, wobei
die erste und die zweite Elektrode einen Kopplungskondensator
(3) bilden, eine übertragende Schaltungseinrichtung (4),
die in der ersten Baugruppe (1) angeordnet ist und mit ihrem
Ausgang mit der ersten Elektrode verbunden ist und mit ihrem
Eingang so geschaltet ist, daß sie ein Ausgangssignal von der
elektrischen Schaltung empfängt, die in der ersten Baugruppe
(1) enthalten ist, um die erste Elektrode nach Maßgabe des
Ausgangssignals dieser elektrischen Schaltung zu beaufschlagen,
und eine empfangende Schaltungseinrichtung (5), die in
der zweiten Baugruppe (2) vorgesehen ist und ihrem Eingang
mit der zweiten Elektrode und mit ihrem Ausgang mit einem
Eingang der elektrischen Schaltung verbunden ist, die in
der zweiten Baugruppe (2) vorgesehen ist, um ein Ausgangssignal
nach Maßgabe des Eingangssignals an der zweiten Elektrode
zu erzeugen, wobei die empfangende Schaltungseinrichtung
eine hohe Eingangsimpedanz und eine Klemmeinrichtung (6)
aufweist, die den Pegel des an der zweiten Elektrode erzeugten
Eingangssignals auf einen Wert innerhalb einer bestimmten
Eingangssignalamplitude für die empfangende Schaltungseinrichtung
(5) begrenzt.
2. Signalübertragungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Klemmeinrichtung (6) einen
PMOS-Transistor (13), an dessen Source-Elektrode eine Spannung
liegt, die einem vorbestimmten hohen Pegel des Eingangssignals
an der empfangenden Schaltungseinrichtung (5) entspricht, dessen
Drain-Elektrode mit dem Eingang der empfangenden Schaltungseinrichtung
(5) verbunden ist und dessen Gate-Elektrode am Ausgang
der empfangenden Schaltungseinrichtung (5) liegt, und einen
NMOS-Transistor (14) umfaßt, an dessen Source-Elektrode
eine Spannung liegt, die einem bestimmten niedrigen Pegel des
Eingangssignals an der empfangenden Schaltungseinrichtung (5)
entspricht, dessen Drain-Elektrode mit dem Eingang der empfangenden
Schaltungseinrichtung (5) verbunden ist und dessen Gate-
Elektrode mit dem Ausgang der empfangenden Schaltungseinrichtung
(5) verbunden ist, so daß ein Streustrom durch den Eingang
der empfangenden Schaltungseinrichtung (5) kompensiert wird.
3. Signalübertragungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die empfangende Schaltungseinrichtung
(5) einen CMOS-Inverter umfaßt.
4. Signalübertragungsschaltung nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode so ausgebildet
ist, daß ein zweiter Kopplungskondensator gebildet
ist, der elektrisch mit dem ersten Kopplungskondensator verbunden
ist, und die empfangende Schaltungseinrichtung (5) Einrichtungen
einschließlich eines PMOS-Transistors (31) und eines
NMOS-Transistors (32), deren Source-Elektroden jeweils mit einem
Ausgang einer Energiequelle für die empfangende Schaltungseinrichtung
(5) verbunden sind, deren Drain-Elektroden zusammen
geschaltet sind, um den Ausgang der empfangenden Schaltungseinrichtung
(5) zu bilden, und deren Gate-Elektroden jeweils
mit dem ersten und dem zweiten Kopplungskondensator verbunden
sind, und Einrichtungen umfaßt, die den Pegel der Eingangssignale
im ersten und zweiten Kopplungskondensator um die Schwellenspannungen
des PMOS-Transistors (31) und des NMOS-Transistors
(32) herum festlegen.
5. Signalübertragungsschaltung nach Anspruch 2, gekennzeichnet
durch eine dritte Elektrode, die in der Nähe
der Außenfläche der ersten Baugruppe (1) angeordnet ist, und
eine vierte Elektrode, die in der Nähe der Außenfläche der
zweiten Baugruppe (2) so angeordnet ist, daß sie der dritten
Elektrode gegenüberliegt, wobei die dritte und die vierte Elektrode
einen zweiten Kopplungskondensator bilden, die übertragende
Schaltungseinrichtung (4) eine Differentialübertragungsschaltung
(53) aufweist, deren Ausgänge jeweils mit der ersten und der
dritten Elektrode verbunden sind und die auf ein Ausgangssignal
von der elektrischen Schaltung anspricht, die in der ersten
Baugruppe (1) vorgesehen ist, um differentiell die erste
und die dritte Elektrode zu beaufschlagen, die empfangende Schaltungseinrichtung
(5) eine Differentialempfangsschaltungseinrichtung
(54) aufweist, deren Eingänge jeweils mit der zweiten
und der vierten Elektrode verbunden sind und die auf die
Differentialeingangssignale an der zweiten und vierten Elektrode,
anspricht, um Ausgangssignale zu erzeugen, und die Klemmeinrichtung
(6) eine Differentialsignalklemmeinrichtung aufweist,
um die jeweiligen Pegel der Differentialsignaleingangssignale
auf Werte innerhalb jeweiliger bestimmter Eingangssignalamplituden
für die Differentialempfangsschaltungseinrichtung
(54) zu begrenzen.
6. Signalübertragungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Klemmeinrichtung (6)
einen PMOS-Transistor (50) umfaßt, an dessen Source-
Elektrode eine Spannung liegt, die einem vorbestimmten hohen
Pegel des Eingangssignals der empfangenden Schaltungseinrichtung
(5) entspricht und dessen Drain-Elektrode mit dem Eingang
der empfangenden Schaltungseinrichtung (5) verbunden ist,
wobei der PMOS-Transistor (50) vor der Signalübertragung durchgeschaltet
wird, um die Eingangsspannung der empfangenden Schaltungseinrichtung
(5) auf den vorbestimmten hohen Pegel zu
setzen.
7. Signalübertragungsschaltung nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die empfangende Schaltungseinrichtung
(5) einen CMOS-Inverter umfaßt.
8. Signalübertragungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Klemmeinrichtung (6)
einen NMOS-Transistor (15) umfaßt, an dessen Source-Elektrode
eine Spannung liegt, die einem bestimmten niedrigen Pegel des
Eingangssignals der empfangenden Schaltungseinrichtung (5)
entspricht, und dessen Drain-Elektrode mit dem Eingang der
empfangenden Schaltungseinrichtung (5) verbunden ist, wobei
der NMOS-Transistor (15) vor der Signalübertragung durchgeschaltet
wird, um die Eingangsspannung der empfangenden Schaltungseinrichtung
(5) auf den vorbestimmten niedrigen Pegel
zu setzen.
9. Signalübertragungsschaltung nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die empfangende Schaltungseinrichtung
(5) einen CMOS-Inverter umfaßt.
10. Signalübertragungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die empfangende Schaltungseinrichtung
(5) einen CMOS-Inverter umfaßt.
11. Signalübertragungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode so ausgestaltet
ist, daß ein zweiter Kopplungskondensator (47) gebildet
ist, der elektrisch mit dem ersten Kopplungskondensator
(3) verbunden ist, und die empfangende Schaltungseinrichtung
(5) Einrichtungen einschließlich eines PMOS-Transistors
(31) und eines NMOS-Transistors (32), deren Source-Elektroden
jeweils mit einem Ausgang einer Energiequelle für die empfangende
Schaltungseinrichtung (5) verbunden sind, deren Drain-
Elektroden zusammengeschaltet sind, um den Ausgang der empfangenden
Schaltungseinrichtung (5) zu bilden, und deren Gate-
Elektoden (45, 46) jeweils mit dem ersten und dem zweiten Kopplungskondensator
(3, 47) verbunden sind, und Einrichtungen umfaßt,
die dem Pegel der Eingangssignale im ersten und zweiten
Kopplungskondensator auf einen Wert um die Schwellenspannungen
des PMOS-Transistors (31) und des NMOS-Transistors (32) herum
setzen.
12. Signalübertragungsschaltung nach Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet, daß der zweite Kopplungskondensator
dadurch gebildet ist, daß die zweite Elektrode in zwei Unterelektroden
unterteilt ist, wobei eine der beiden Unterelektroden
mit einem Teil der ersten Elektrode zur Bildung des ersten
Kopplungskondensators (3) gekoppelt ist, während die andere
der beiden Unterelektroden mit einem Teil der ersten
Elektrode zur Bildung des zweiten Kopplungskondensators gekoppelt
ist.
13. Signalübertragungsschaltung nach Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet, daß der zweite Kopplungskondensator
durch einen Kondensator gebildet ist, der an der zweiten
elektrischen Baugruppe (2) augebildet und elektrisch mit
der zweiten Elektrode verbunden ist.
14. Signalübertragungsschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet
durch eine dritte Elektrode.
15. Signalübertragungsschaltung für eine aus mehreren
übereinander angeordneten Schichten aufgebaute elektrische
Schaltung aus einer Vielzahl von plattenartigen elektrischen
Schaltungsbaugruppen mit jeweils wenigstens einer internen
elektrischen Schaltung, die übereinander angeordnet sind, um
Signale zwischen den elektrischen Schaltungen zu übertragen,
die in zwei gewünschten benachbarten elektrischen Schaltungsbaugruppen
vorgesehen sind, gekennzeichnet
durch wenigstens eine erste Elektrode, die nahe der Außenfläche
einer ersten Baugruppe (1) der beiden benachbarten elektrischen
Schaltungsbaugruppen angeordnet ist, eine zweite Elektrode,
die in der Nähe der Außenfläche der zweiten Baugruppe (2)
der beiden benachbarten elektrischen Schaltungsbaugruppen so
angeordnet ist, daß sie der ersten Elektrode gegenüberliegt,
wobei die erste und die zweite Elektrode einen ersten Kopplungskondensator
(3) bilden, eine übertragende Schaltungseinrichtung
(4), die in der ersten Baugruppe (1) angeordnet ist
und mit ihrem Ausgang mit der ersten Elektrode verbunden ist
und mit ihrem Eingang so geschaltet ist, daß sie ein Ausgangssignal
von der elektrischen Schaltung empfängt, die in der ersten
Baugruppe (1) vorgesehen ist, um die erste Elektrode nach
Maßgabe des Ausgangssignals dieser elektrischen Schaltung zu
beaufschlagen, und eine empfangende Schaltungseinrichtung (5),
die in der zweiten Baugruppe (2) angeordnet ist und mit ihrem
Eingang mit der zweiten Elektrode und mit ihrem Ausgang mit
einem Eingang der elektrischen Schaltung verbunden ist, die in
der zweiten Baugruppe (2) vorgesehen ist, um ein Ausgangssignal
nach Maßgabe des Eingangssignals an der zweiten Elektrode zu
erzeugen, wobei die empfangende Schaltungseinrichtung (5) eine
die Spannung herauf- und heruntersetzende Einrichtung (16, 17)
mit hoher Eingangsimpedanz aufweist, die bei Anliegen einer
bestimmten ersten und zweiten Energieversorgungsspannung so
arbeitet, daß sie den Eingangssignalpegel der empfangenden
Schaltungseinrichtung (5) auf die erste Energieversorgungsspannung
anhebt, wenn das Eingangssignal an der zweiten Elektrode
einen hohen Pegel hat, und den Eingangssignalpegel der
empfangenden Schaltung (5) auf die zweite Energieversorgungsspannung
heruntersetzt, wenn das Eingangssignal einen niedrigen
Pegel hat.
16. Signalübertragungsschaltung nach Anspruch 15, dadurch
gekennzeichnet, daß die empfangende Schaltungseinrichtung
(5) weiterhin einen ersten Inverter (20) mit hoher
Eingangsimpedanz und einem Schwellenwert, der unter dem Potential
liegt, das an der zweiten Elektrode entwickelt wird,
wenn das Eingangssignal an der zweiten Elektrode einen hohen
Pegel hat, einen zweiten Inverter (23) mit hoher Eingangsimpedanz
und einem Schwellenwert, der über dem Potential liegt,
das sich an der zweiten Elektrode entwickelt, wenn das Eingangssignal
an der zweiten Elektrode einen niedrigen Pegel hat, eine
Einrichtung, die auf die Ausgangssignale des ersten und zweiten
Inverters (20, 23) anspricht und die die Spannung herauf- und
heruntersetzenden Einrichtungen (16, 17) so steuert, daß dann, wenn
das Eingangssignal an der zweiten Elektrode einen hohen Pegel
hat, der Eingangssignalpegel der empfangenden Schaltungseinrichtung
(5) auf die erste Energieversorgungsspannung heraufgesetzt
wird, und dann, wenn das Eingangssignal an der zweiten
Elektrode einen niedrigen Pegel hat, der Eingangssignalpegel
der empfangenden Schaltungseinrichtung (5) auf die zweite
Energieversorgungsspannung heruntergesetzt wird, und Einrichtungen
(13, 14) umfaßt, die zwischen den Eingang des ersten und zweiten
Inverters (20, 23) und eine der beiden Energieversorgungsspannungen
geschaltet sind, um den Streustrom durch die Eingänge
des ersten und zweiten Inverters (20, 23) zu kompensieren.
17. Aus mehreren übereinander angeordneten Schichten aufgebaute
elektrische Schaltung, gekennzeichnet
durch eine Vielzahl von plattenartigen elektrischen Schaltungsbaugruppen
(110), von denen jede wenigstens eine interne
elektrische Schaltung aufweist und die übereinander angeordnet
sind, wenigstens eine erste Elektrode (104), die in
der Nähe der Außenfläche einer ersten Baugruppe von zwei benachbarten
gewünschten elektrischen Schaltungsbaugruppen (110)
vorgesehen ist, eine zweite Elektrode (105), die in der Nähe
der Außenfläche der zweiten Baugruppe der beiden benachbarten
elektrischen Schaltungsbaugruppen (110) der ersten Elektrode
gegenüber angeordnet ist, wobei die erste und die zweite Elektrode
einen Kopplungskondendator bilden, eine übertragende
Schaltungseinrichtung (102), die in der ersten Baugruppe angeordnet
ist und deren Ausgang mit der ersten Elektrode verbunden
ist und deren Eingang so geschaltet ist, daß er ein
Ausgangssignal von der elektrischen Schaltung empfängt, die in
der ersten Baugruppe vorgesehen ist, um die erste Elektrode
nach Maßgabe des Ausgangssignals dieser elektrischen Schaltung
zu beaufschlagen, und eine empfangende Schaltungseinrichtung
(103), die in der zweiten Baugruppe angeordnet ist und mit
ihrem Eingang mit der zweiten Elektrode (105) und mit ihrem
Ausgang mit einem Eingang der elektrischen Schaltung verbunden
ist, die in der zweiten Baugruppe vorgesehen ist, um ein Ausgangssignal
nach Maßgabe des Eingangssignals an der zweiten
Elektrode (105) zu erzeugen, wobei die empfangende Schaltungseinrichtung
(103) eine hohe Eingangsimpedanz und eine Klemmeinrichtung
aufweist, um den Pegel des Eingangssignals an der
zweiten Elektrode (105) auf einen Wert innerhalb einer bestimmten
Eingangssignalamplitude für die empfangende Schaltungseinrichtung
(103) zu begrenzen.
18. Elektrische Schaltung nach Anspruch 17,
gekennzeichnet durch eine Isolierschicht (111)
mit einer hohen Dielelektrizitätskonstanten, die zwischen der
ersten und der zweiten Baugruppe (110) angeordnet ist.
19. Elektrische Schaltung nach Anspruch 17,
gekennzeichnet durch eine Platte (112), die
zwischen der ersten und der zweiten Baugruppe (110) angeordnet
ist und als Wärmeableitkörper wirkt, wobei die Platte
(112) an einer Außenfläche nahe der ersten Baugruppe eine
dritte Elektrode (113), die der ersten Elektrode (104)
gegenüberliegt, und an der anderen Außenfläche nahe der zweiten
Baugruppe eine vierte Elektrode (114) aufweist, die der zweiten
Elektrode (105) gegenüberliegt, wobei die dritte und die
vierte Elektrode (113, 114) über die Platte (112) elektrisch
miteinander verbunden sind.
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