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Die
Erfindung betrifft eine Datenverarbeitungsschaltung mit einem Treiber
und einem Empfänger,
die durch vier Signalleiter verbunden sind, über die aufeinander folgende
Signale derart übermittelt
werden, dass die Summe von Strömen
durch die Signalleiter im Wesentlichen konstant als Funktion der
Zeit sind.
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Herkömmlich werden
einzelne Signalleiter, die mit Masseleitungen kombiniert sind, verwendet, um
Digitalsignale zu übermitteln.
Als Alternative ist differenzielle Signalisierung verwendet worden,
wobei ein symmetrisches Paar von Signalleitern verwendet wird, das
derart getrieben ist, dass ein Datenwert durch eine Differenz zwischen
den Strömen durch
die Signalleiter repräsentiert
ist. In diesem Fall kann die Summe der Ströme konstant gehalten werden,
was die Rauschverhalten der Schaltung verbessert. Um Kommunikation
mehrfacher Bits parallel zu unterstützten, können mehrere derartiger symmetrischer
Paare von Signalleitern verwendet werden.
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US-Patentschrift
Nr. 6,359,931 beschreibt eine fortschrittlichere Vorrichtung, die
N>2 Signalleiter zum Übermitteln
von Symbolen verwendet und Stromdifferenzen zwischen allen N(N-1)/2
möglichen Kombinationen
von zwei Signalleitern verwendet, um Signale zu codieren. Im Empfänger ist
ein Signalleiter nicht nur mit einem einzelnen Komparator gemeinsam
mit einem anderen Signalleiter verbunden, mit dem er ein Paar bildet,
vielmehr ist jeder Signalleiter mit dem Eingang von N-1 Komparatoren
in Kombination jeweils mit jedem der N-1 übrigen Signalleiter verbunden.
Gegenseitig unterschiedliche Signalströme werden einem jeweiligen
der N Leiter zugeführt. Unterschiedliche
Symbole werden durch Steuern codiert, welcher eines vorgegebenen
Satzes von Strömen
welchem Leiter zugeführt
wird. Die Komparatoren im Empfänger
detektieren, welcher der Leiter in jeder der N(N-1)/2 Kombinationen
zweier Leiter den meisten Strom transportiert, und das Symbol wird aus
den Detektionsergebnissen decodiert. Mit dieser Technik kann bei
einer gegebenen Anzahl von N Leitern eine höhere Übertragungskapazität (N Fakultät) realisiert
werden, als wenn eine ähnliche
Anzahl von N Leitern zum Übertragen
von N/2 differenziellen Signalen verwendet wird (2 hoch N).
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In
einem derartigen System kommt der Symmetrie der Anordnung der Leiter
besondere Bedeutung für
das Vermeiden zu, dass Signalverzerrung Signalfehler verursacht.
Wenn der Austausch von Signalen zwischen Leitern zu unterschiedlichen
Kopplungen und Signalverzögerungen
führt,
ist die Detektion beeinträchtigt.
Bessere Symmetrie führt
zu geringerer elektromagnetischer Beeinflussung der Umgebung (EMB).
Im Falle, dass die Leiter als N/2 Paare geordnet sind, ist diesbezüglich nur
die gegenseitige Symmetrie zwischen den Leitern in einem Paar in dem
Maße relevant,
dass eine Auswechslung der Signale, die an die Leiter des Paares
angelegt sind, nicht zu unterschiedlicher Signalausbreitung führt. Wenn
aber alle N(N-1) möglichen
Paare zur Detektion verwendet werden, ist es wünschenswert, dass sich die
Eigenschaften der Interaktion zwischen den Leitern nicht ändern, wenn
die Signale auf beliebigen zwei Leitern ausgewechselt werden. Dies
erfordert einen viel höheren
Betrag an Symmetrie als für
N/2 Paare.
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US-Patentschrift
Nr. 6,359,931 beschreibt verschiedene Anordnungen von Leitern, um
optimale Symmetrie zu realisieren. Es sind Anordnungen für drei und
vier Leiter gegeben. Jedoch weisen die Vier-Leiter-Anordnungen lediglich
Symmetrie für
die Auswechslung der Signale bei gewissen Paaren, nicht für alle Paare
auf.
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Unter
anderem ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Schaltung des im
Oberbegriff erwähnten Typs
zu schaffen, die eine höhere
Symmetrie der Signalübertragungseigenschaften
unter Austausch von Signalen von den Leitern aufweist.
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Die
Schaltung gemäß der Erfindung
ist in Anspruch 1 dargelegt. Gemäß der Erfindung
sind vier Signalleiter in einer räumlichen Anordnung platziert, in
der zwei Signalleiter in einem Stapel zwischen zwei Abschirmungsebenen
und zwei andere Signalleiter auf gegenseitig entgegengesetzten Seiten
des Stapels angeordnet sind, jeweils in der Mitte zwischen den Abschirmungsebenen.
Die Breite jedes einzelnen Signalleiters ist derart eingestellt,
dass der einzelne Leiter im Wesentlichen dieselbe Übertragungsimpedanz
in der Übertragungsleitung
aufweist, die durch jenen einzelnen Leiter und die Abschirmungsebenen
gebildet ist. Im Allgemeinen hängt
die Übertragungsimpedanz
eines Leiters zwischen Abschirmungsebenen von der Breite des Leiters
und dem Abstand zu den Abschirmungsebenen ab. Daher weisen Leiter
in unterschiedlichen Abständen von
den Abschirmungsebenen unter der Voraussetzung dieselbe Übertragungsimpedanz
auf, dass ihre Breite progressiv in dem Maße vermindert ist, wie sie dichter
an einer der Abschirmungsebenen sind. Als Folge davon verwendet
die Erfindung paradoxerweise Leiter unterschiedlicher Breiten, um
eine höhere Symmetrie
für die
Auswechslung von Signalen auf den Signalleitern zu erzeugen.
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Vorzugsweise
sind die Signalleiter im Wesentlichen von rechteckiger Kontur, wobei
die Breite in einer Richtung parallel zu den Abschirmungsebenen
eingestellt ist. Anordnungen rechteckiger Signalleiter sind leichter
herzustellen.
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In
einer Ausführungsform
ist ein Abschirmungsleiter in dem Stapel in der Mitte zwischen den Abschirmungsebenen
beinhaltet. Daher ist die direkte gegenseitige Feldkopplung zwischen
den Signalleitern verringert mit dem Ergebnis, dass die gegenseitigen
Kopplungen zwischen unterschiedlichen Paaren von Signalleitern dichter
zusammen (nahe null) sind.
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In
einer anderen Ausführungsform
sind die Abstände
zwischen dem Stapel und Signalleitern auf entgegengesetzten Seiten
des Stapels derart eingestellt, dass gegenseitige Kopplung zwischen
den Leitern im Wesentlichen gleich ist. Durch Verschieben der Signalleiter
auf entgegengesetzten Seiten des Stapels dichter an den Stapel wird
Kopplung zwischen diesen Signalleitern erhöht. Somit kann der Abstand
zum Stapel verwendet werden, die Symmetrie von Kopplung zu steuern.
Vorzugsweise wird der gegenseitige Abstand der Signalleiter im Stapel ebenfalls
angepasst, sodass ihre gegenseitige Kopplung gleich der zwischen
den Signalleitern auf entgegengesetzten Seiten des Stapels ist.
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Diese
und andere Aufgaben und vorteilhafte Aspekte der Schaltung gemäß der Erfindung
werden ausführlicher
unter Verwendung der folgenden Figuren beschrieben.
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1 zeigt
eine Schaltung mit einer Datenkommunikations-Verbindung,
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2 zeigt
einen Querschnitt einer Anordnung von Leitern,
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3 zeigt
einen weiteren Querschnitt einer Anordnung von Leitern.
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1 zeigt
eine Schaltung mit einer Datenkommunikations-Verbindung. Die Schaltung
enthält einen
Treiber 10 und einen Empfänger 16, gekoppelt über vier
Signalleiter 14a-d. Treiber 10 wird von vier Stromquellen 12a-d
versorgt und weist einen Signaleingang 11 auf. Empfänger 16 enthält Impedanzen 162a-d
in den Signalleitern 14a-d und vier Erfassungsschaltungen 160a-d
zum Erfassen von Strömen über Signalleiter 14a-d
durch Spannungsabfälle über Impedanzen 162a-d.
Ein Decoder 164 ist mit den Ausgängen der Erfassungsschaltungen
gekoppelt. Ein Ausgang des Decoders ist ein Ausgang von Empfänger 16.
Eingang 11 von Treiber 10 und Ausgang 166 von
Empfänger 16 können zu funktionell weiteren
Schaltungen (nicht gezeigt) gekoppelt sein, die die Signale erzeugen
und verwenden, die jeweils über
Signalleiter 14a-d übertragen
werden.
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Bei
Betrieb liefert Treiber 10 Strom von Stromquellen 12a-d
an Signalleiter 14a-d. Treiber 10 nimmt grundsätzlich die
Funktion einer Schaltmatrix wahr, die bestimmt, welche Kombinationen
von Stromquellen 12a-d mit welchen Signalleitern 14a-d verbunden
sind, unter der Steuerung von Eingangssignalen, die an Eingang 11 geliefert
werden. Daher können
beispielsweise, wenn die Ströme,
die durch Stromquellen 12a-d geliefert werden, alle gleich
I sind, Stromkombinationen wie (I, I, -I, -I), {2I, O, I, -I) usw.
und Permutationen davon an die Signalleiter geliefert werden (die
Ströme
in einer Klammer geben Ströme
zu jeweiligen der Signalleiter 14a-d in einer speziellen
Kombination an).
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Empfänger 16 erfasst
die Ströme
durch die verschiedenen Signalleiter und signalisiert die erfassten
Ströme
an Decodierer 164, der die Eingangssignale rekonstruiert
und rekonstruierte Signale an Ausgang 166 liefert.
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In
der gezeigten Schaltung ist die Nettosumme der Ströme durch
Signalleiter jederzeit null. Als Folge davon muss keine gemeinsame
Impedanz zur Masse mit dem gemeinsamen Punkt 168 der Signalleiter
verbunden werden (ein Hoch-Impedanz-Bleeder-Widerstand kann beinhaltet sein, um
Ungenauigkeiten gerecht zu werden). Der wichtige Punkt ist jedoch,
dass die Nettosumme der Ströme
konstant ist. Dies macht es möglich,
Datensymbole mit einer hohen Rate über Signalleiter 14a-d
zu übermitteln.
Ist die Summe nicht null, kann eine Impedanz mit dem gemeinsamen
Punkt verbunden werden.
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Signalleiter 14a-d
können
relativ lang sein. Um sicherzustellen, dass keine erhebliche Signalverzerrung
auftritt, ist es wünschenswert,
dass es wenig oder keine Reflexionen über Signalleitern 14a-d
gibt und dass es wenig oder keine Kreuzkopplung gibt oder mindestens
dass die Kreuzkopplung in dem Sinne symmetrisch ist, dass Auswechseln
der Ströme beliebiger
zwei Signalleiter Übernagungseigenschaften
nicht erheblich beeinflusst.
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2 zeigt
einen Querschnitt von Signalleitern 14a-d in einer Ebene
senkrecht zur Ausbreitungsrichtung von Treiber 10 zu Empfänger 16.
Signalleiter 14a-d sind zwischen leitenden Abschirmungsebenen 20, 22 beinhaltet,
die sich parallel zueinander und zu Signalleitern 14a-d
entlang der meisten oder ganzen Entfernung von Treiber 10 zu Empfänger 16 in
der Richtung senkrecht zur Ebene des Querschnitts erstrecken, der
in 2 gezeigt ist. Abschirmungsebenen 20, 22 sind
mindestens für
Signale im Frequenzbereich, der auf Signalleitern 14a-d
verwendet ist, elektrisch miteinander verbunden. Dies kann beispielsweise
durch Verbinden beider Abschirmungsebenen 20, 22 mit
Masse oder mit einem Versorgungsspannungs-Anschluss Vdd oder Vss
realisiert sein. Der Bereich des Raumes zwischen Abschirmungsebenen 20, 22,
der Signalleiter 14a-d enthält, enthält ein nicht leitendes Medium,
das Signalleiter 14a-d umgibt. Das Medium kann ein herkömmliches
Material sein, das für
Leiterplatten verwendet wird. Das Medium ist vorzugsweise zwischen Ebenen 20, 22 homogen
oder in Schichten parallel zu den Ebenen 20, 22 geschichtet.
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Zwei
der Signalleiter 14b, c sind symmetrisch in einer senkrechten
Spalte zwischen den Ebenen 20, 22 gestapelt. Die
beiden anderen Signalleiter 14a-d sind in der Mitte zwischen
den Ebenen symmetrisch auf gegenseitig entgegengesetzten Seiten
des Stapels von Signalleitern 14b, c bereitgestellt. Die Breite
W2 von Signalleitern 14b, c im Stapel ist kleiner als die
Breite W1 von Leitern 14a, d auf gegenseitig entgegengesetzten
Seiten des Stapels. Diese Breiten sind derart gewählt worden,
dass Übertragungsleitungs-Impedanzen aller
Signalleiter 14a-d im Wesentlichen gleich sind. Diese Breiten
sind außerdem
derart gewählt
worden, dass Übertragungsleitungs-Impedanzen
jeder Kombination von Paaren zweier ausgewählter Leiter aus 14a-d
im Wesentlichen gleich sind.
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Jeder
der Signalleiter 14a-d bildet in Kombination mit Abschirmungsebenen 20, 22 eine Übertragungsleitung.
Die Übertragungsimpedanzen
der Übertragungsleitung,
die durch einen Signalleiter 14a-d gebildet ist, hängen vom
Abstand zwischen den Signalleitern 14a-d und den Abschirmungsebenen 20, 22 und
der Breite W1, W2 der Signalleiter 14a-d ab. Bei gegebenem
Abstand nimmt die Übertragungsimpedanz
ab, wenn die Breite W1, W2 zunimmt, und bei gegebener Breite W1,
W2 nimmt die Impedanz ab, wenn der Abstand zur nächsten Abschirmungsebene 20, 22 abnimmt.
Als Folge davon kann dieselbe Übertragungsimpedanz
mit einem Signalleiter 14b, c nahe den Abschirmungsebenen
wie mit einem breiteren Signalleiter 14a, d in größerem Abstand
von Abschirmungsebenen 20, 22 realisiert werden.
Dies wird in den Anordnungen nach 2 durch
derartiges Wählen
von Breiten W1 und W2 benutzt, dass jeder Signalleiter 14a-d
dieselbe Übertragungsleitungs-Impedanz
relativ zu Abschirmungsebenen 20, 22 aufweist.
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Die
erforderliche Breite W1 oder W2 kann experimentell beispielsweise
durch individuelles Messen der Impedanz und Erhöhen oder Vermindern der Breiten
eines Paares von Signalleitern 14a-d, bis Übereinstimmung
der Impedanzen realisiert ist, ermittelt werden. Die Impedanz eines
Signalleiters 14a-d ist eine stetig fallende Funktion seiner
Breite: infolgedessen ist es stets klar, in welcher Richtung jedwede
Breite zu ändern ist,
im die Differenz in der Impedanz zu reduzieren. Alternativ kann
die Impedanz mithilfe eines bekannten Computerprogramms zum Lösen der
Maxwellschen Gleichungen berechnet werden. Im Allgemeinen hängen die
Impedanzen auch von den relativen Lagen der verschiedenen Signalleiter 14a-d,
dem Abstand zwischen Ebenen 20, 22 und dem Material
ab, das für
das Medium verwendet ist, das die Signalleiter umgibt. Dies macht
es wünschenswert,
die erforderlichen Breiten für
jede unterschiedliche Konstruktion der Anordnung von Signalleitern 14a-d
separat zu ermitteln.
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Vorzugsweise
ist der Abstand zwischen den Signalleitern 14a-d gewählt, um
gleiche Kopplungsstärke
zwischen jedem Paar von Signalleitern 14a-d bereitzustellen.
Prinzipiell gibt es drei unterschiedliche relevante Kopplungsstärken: eine
erste Kopplungsstärke
zwischen den Signalleitern 14b, c im Stapel, eine zweite
Kopplungsstärke
zwischen den Signalleitern 14a, d auf entgegengesetzten
Seiten des Stapels und eine dritte Kopplungsstärke zwischen einem Signalleiter 14a an
der Seite des Stapels und einem Signalleiter 14b im Stapel.
Es gibt außerdem drei
Parameter der Struktur, die eingestellt werden können: den Abstand zwischen
den Signalleitern 14b, c im Stapel, den Abstand zwischen
den Signalleitern 14a, d auf entgegengesetzten Seiten des
Stapels und die Breiten W1, W2, die variiert werden können, solang
die Übertragungsleitungs-Impedanzen aller
Signalleiter 14a-d auf dieselbe Weise variieren. Als Folge
davon können
diese Abstände
und Breiten derart eingestellt werden, dass alle Kopplungsstärken im
Wesentlichen gleich werden. Als weiterer Parameter, um die Kopplungsstärken relativ
zueinander zu justieren, kann der Abstand zwischen Ebenen 20, 22 variiert
werden.
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Signalleiter 14a-d
sind nicht maßstäblich gezeigt.
Jedoch sind, wie gezeigt, Signalleiter 14a-d vorzugsweise
von rechteckiger Kontur, wobei alle dieselbe Höhe aufweisen.
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Die
erforderlichen Abstände
und Impedanzen können
experimentell ermittelt werden, durch Messen von Impedanzen und
Kreuzkopplungsstärken
und Justieren können
die Abstände
durch allmähliches
Vergrößern und
Vermindern der Abstände,
bis die Kreuzkopplungsstärken
und die Impedanzen als gleich festgestellt werden, gefunden werden. Im
Allgemeinen nimmt jede Kreuzkopplungsstärke stetig zu, wenn der Abstand
zwischen den relevanten Signalleitern 14a-d reduziert wird.
Folglich kann die Richtung von Änderungen
im Abstand, die erforderlich sind, um die Differenz zu verringern,
einfach ermittelt werden. Im Allgemeinen hängen die Kreuzkopplungsstärken auch
von den relativen Lagen der verschiedenen Signalleiter 14a-d,
dem Abstand zwischen Ebenen 20, 22 und dem Material
ab, das für das
Medium verwendet ist, das die Signalleiter umgibt. Dies macht es
wünschenswert,
die erforderlichen Abstände
und Breiten für
jede unterschiedliche Konstruktion der Anordnung von Signalleitern 14a-d separat
zu ermitteln.
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3 zeigt
einen Querschnitt einer Anordnung von Signalleitern 14a-d.
Im Vergleich zu 2 ist ein Abschirmungsleiter 30 hinzugefügt worden, der
sich im Stapel von Signalleitern 14b, c in der Mitte zwischen
Ebenen 20, 22 befindet. Abschirmungsleiter 30 ist
mindestens für
Signale im Frequenzbereich der Signale auf Signalleitern 14a-d
elektrisch miteinander verbunden. Abschirmungsleiter 30 dient
dazu, die Kopplungsstärke
zwischen Signalleitern 14a-d zu reduzieren. Vorzugsweise
ist Abschirmungsleiter 30 breiter als die Signalleiter 14c,
d im Stapel. Die Breiten von Signalleitern 14a-d sind derart
gewählt,
dass im Wesentlichen gleiche Übertragungsleitungs-Impedanzen,
die durch einerseits Abschirmungsebenen 20, 22 und
Abschirmungsleiter 30 und andererseits jeweilige der Signalleiter 14a-d
gebildet sind, realisiert sind.
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Zusätzlich zu
den in 2 und 3 gezeigten Leitern können zusätzliche
Leiter hinzugefügt werden,
beispielsweise Abschirmungsleiter in der Mitte zwischen Ebenen 20, 22 auf
entgegengesetzten Seiten der Anordnung der vier Signalleiter 14a-d. Zusätzliche
Sätze von
vier Signalleitern können
zum parallelen Übertragen
von mehr Signalen parallel hinzugefügt werden.
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Die
Signalleiter 14a-d können
beispielsweise auf Leiterplatten oder dem Substrat eines Mehrkomponetenmoduls
(MCM), um einen Treiber 10 in einem integrierten Schaltungs-Chip
mit einem Empfänger
in einem anderen integrierten Schaltungs-Chip zu koppeln, oder in
den Packages von BGA-ICs zur sachgerechten Signalübertragung
vom Chip zur Leiterplatte angewendet sein.