DE602004003337T2 - Leiteranordnung für eine übertragungsleitung - Google Patents

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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Diese und andere Aufgaben und vorteilhafte Aspekte der Schaltung gemäß der Erfindung werden ausführlicher unter Verwendung der folgenden Figuren beschrieben.
  • 1 zeigt eine Schaltung mit einer Datenkommunikations-Verbindung,
  • 2 zeigt einen Querschnitt einer Anordnung von Leitern,
  • 3 zeigt einen weiteren Querschnitt einer Anordnung von Leitern.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Signalleiter 14a-d sind nicht maßstäblich gezeigt. Jedoch sind, wie gezeigt, Signalleiter 14a-d vorzugsweise von rechteckiger Kontur, wobei alle dieselbe Höhe aufweisen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (4)

  1. Datenverarbeitungsschaltung, umfassend: – einen Treiber mit vier Signalausgängen; – einen Empfänger mit vier Eingängen; – einen ersten, zweiten, dritten und vierten Signalleiter, wobei jeder zwischen einem jeweiligen der Eingänge und Ausgänge in verbundener Weise angeordnet ist; – erste und zweite gegenseitig gekoppelte leitende Abschirmungsebenen, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Signalleiter einen symmetrischen Stapel in einer Spalte zwischen der ersten und der zweiten Ebene bilden, die dritten und vierten Signalleiter im Wesentlichen in der Mitte zwischen der ersten und der zweiten Ebene auf gegenseitig entgegengesetzten Seiten des Stapels angeordnet sind, die ersten, zweiten, dritten und vierten Signalleiter jeweilige Breiten derart aufweisen, dass jeweilige Übertragungsleitungs-Impedanzen von Übertragungsleitungen zwischen jedem einzelnen der ersten, zweiten, dritten und vierten Signalleiter und der ersten und zweiten Ebenen im Wesentlichen gegenseitig gleich sind.
  2. Datenverarbeitungsschaltung nach Anspruch 1, die einen Abschirmungsleiter umfasst, der sich zwischen dem ersten und dem zweiten Signalleiter in der Mitte zwischen der ersten und der zweiten Ebene befindet.
  3. Datenverarbeitungsschaltung nach Anspruch 2, wobei sich der Abschirmungsleiter weiter in einer Richtung parallel zu der ersten und der zweiten Ebene und senkrecht zu einer Ausbreitungsrichtung erstreckt als der erste und der zweite der Leiter.
  4. Datenverarbeitungsschaltung nach Anspruch 1, wobei ein erster Abstand zwischen den ersten und zweiten Signalleitern im Stapel, ein zweiter Abstand zwischen den dritten und vierten Signalleitern und die Breiten der ersten, zweiten, dritten und vierten Signalleiter derart ausgewählt worden sind, dass es wesentliche Gleichheit zwischen einer ersten Kopplungsstärke zwischen den ersten und zweiten Signalleitern, einer zweiten Kopplungsstärke zwischen den dritten und vierten Signalleitern und einer dritten Kopplungsstärke zwischen den dritten oder vierten Signalleitern und dem ersten oder zweiten Signalleiter gibt.
DE602004003337T 2003-01-29 2004-01-26 Leiteranordnung für eine übertragungsleitung Expired - Lifetime DE602004003337T2 (de)

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