DE69115597T2 - Unterspeisungsfläche zum Filtern elektromagnetischer Wellen für VLSI-Schaltungen - Google Patents

Unterspeisungsfläche zum Filtern elektromagnetischer Wellen für VLSI-Schaltungen

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Description

    Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und insbesondere die Stromfilterung für VLSI-Vorrichtungen auf einer Leiterplatte.
    • Stand der Technik
  • Bei neuen VLSI-Vorrichtungen mit einer Mehrzahl von Stromeingangsleitungen besteht ein Problem darin, eine rauscharme Stromquelle mit niedriger Impedanz für alle Stromeingangsleitungen bereitzustellen. In der Vergangenheit wurden solche VLSI-Vorrichtungen direkt an eine Haupt-Stromversorgungsebene oder irgendein anderes Stromverteilungsnetz, beispielsweise ein Gitter, angekoppelt. Diese Stromversorgungsebene bzw. dieses Gitter überdeckten typisch die gesamte entsprechende Leiterplatte. Solche Anordnungen konnten "hohe" Impedanz oder Rauschen aufweisen und bewirkten infolgedessen gewöhnlich sogenannte "Störspitzen" auf der Ausgabe von der VLSI- Vorrichtung. Die VLSI-Vorrichtung konnte wiederum Rauschen auf der Stromversorgungsebene oder dem Stromversorgungsnetz induzieren, was Probleme mit anderen Vorrichtungen auf der Leiterplatte verursachte. Zusätzlich wurde gewöhnlich sogenanntes "Gleichtaktrauschen" von der Leiterplatte abgegeben, was sehr unerwünscht ist. Ein Versuch, die Probleme bei den bisherigen Stromverteilungsanordnungen auf Leiterplatten zu beseitigen, bestand im Filtern des zu der VLSI- Vorrichtung kommenden Stroms und dann der Verwendung einer einzelnen Stromleitung, die mit allen Stromeingangsleitungen an der VLSI-Vorrichtung verbunden war. Ein ernsthaftes Problem ist bei dieser Anordnung, daß die einzelne Stromleitung bei "hohen" Frequenzen im wesentlichen eine Induktivität darstellt, die die Einführung eines bedeutenden rauschpegels in die VLSI- Vorrichtung und auch dessen Abstrahlung von der Leiterplatte bewirkt. Dies ist wiederum ein sehr unerwünschter Zustand.
  • Nach der vorliegenden Erfindung wird eine Leiterplatte nach Anspruch 1 bereitgestellt.
  • Erfindungsgemäß werden die Probleme bei bisherigen Stromverteilungssystemen für VLSI- Vorrichtungen mit einer Mehrzahl von Stromeingängen dadurch überwunden, daß eine sogenannte "Teil- Stromversorgungsebene" im vorgeschriebenen räumlichen Verhältnis zu und physikalisch getrennt von einem Haupt- Stromverteilungssystem auf einer Leiterplatte eingesetzt wird. Die Teil-Stromversorgungsebene ist vorteilhafterweise so auf einer Leiterplatte positioniert, daß sie direkt unter mindestens einer entsprechenden VLSI- Vorrichtung liegt. Strom wird von der Teil-Stromversorgungsebene jeder Stromeingangsleitung an der mindestens einen VLSI-Vorrichtung zugeführt. Zusätzlich ist ein Entkopplungskondensator zwischen jedem Stromeingangsleitungsanschluß der Teil-Stromversorgungsebene und einem Erdpotential, z.B. einem Erdgitter, angeschaltet. Die Entkopplungskondensatoren führen vorteilhafterweise der mindestens einen VLSI-Vorrichtung Einschaltstrom zu. Strom vom Haupt-Stromverteilungssystem wird der Teil-Stromversorgungsebene über ein Filter zugeführt. In einer bestimmten Ausführungsform der Erfindung umfaßt das Filter eine Ferritperle, d.h. eine Induktivität, und entsprechende Entkopplungskondensatoren.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • In der Zeichnung zeigt:
  • Figur 1 eine Perspektivansicht eines Teils einer Leiterplatte, die eine Ausführungsform der Erfindung darstellt;
  • Figur 2 eine schematische Darstellung der Erfindung;
  • Figur 3 eine Leiterplatte mit einer Mehrzahl von VLSI-Vorrichtungen und mit der Erfindung;
  • Figur 4 eine weitere Perspektivansicht des Verhältnisses einer Mehrzahl von Teil-Stromversorgungsebenen zur Haupt-Stromversorgungsebene und dem Erdgitter einer Leiterplatte;
  • Figur 5 einen Teil einer Leiterplatte mit einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
    • Detaillierte Beschreibung
  • Figur 1 zeigt einen Teil einer Leiterplatte mit einer Ausführungsform der Erfindung. Dementsprechend wird die Leiterplatte 101 mit dem Haupt-Stromverteilungssystem 102, Erdsystem 103, VLSI-Vorrichtung 104 und Teil-Stromversorgungsebene 105 gezeigt. Im vorliegenden Beispiel wird für das Stromverteilungssystem 102 eine massive Haupt-Stromversorgungsebene eingesetzt. Dem Fachmann wird offenbar sein, daß gleichermaßen andere Stromverteilungssysteme, z.B. ein Stromversorgungsgitter oder dergleichen, benutzt werden können. Ähnlicherweise kann das Erdsystem ein Gitter, eine Ebene oder dergleichen sein. In diesem Beispiel wird ein Erdgitter verwendet. Die VLSI-Vorrichtung 104, die im vorliegenden Beispiel eine Mehrzahl von Stromeingangsleitungen 106-1 bis 106-4 aufweist, soll direkt über die Teil-Stromversorgungsebene 105 gelegt werden. Die Stromleitungen 106-1 bis 106-4 sollen jeweils über Verbinder 108-1 bis 108-4 an die Teil-Stromversorgungsebene 105 angeschaltet werden. Zusätzlich sind Entkopplungskondensatoren 107-1, 107-2, 107-3 und 107-4 jeweils über Verbinder 108-1 bis 108-4 mit der Teil-Stromversorgungsebene 105 und daher mit den Stromeingangsleitungen 106-1 bis 106-4 verbunden. Die Kondensatoren 107 liefern Einschaltstrom von der Teil- Stromversorgungsebene 105 zur VLSI-Vorrichtung 104. Obwohl die Darstellung in Figur 1 die Kondensatoren als solche mit Axialzuleitung zeigt, die für Durchkontaktmontage bestimmt sind, werden in einer bevorzugten Ausführungsform oberflächenmontierte Kondensatoren eingesetzt. Da die VLSI-Vorrichtung 104, für die die Teil-Stromversorgungsebene der vorliegenden Erfindung einzusetzen ist, für "Hoch-"frequenzanwendungen, beispielsweise 25 MHz oder höher benutzt wird, sollten die Entkopplungskondensatoren für derartige Hochfrequenzanwendungen geeignet sein. Ein bevorzugter Kondensatortyp ist ein keramischer Typ. Der Strom von der Haupt- Stromversorgungsebene 102 wird der Teil-Stromversorgungsebene 105 über ein Filter mit Kondensator 108, Induktivität 109 und Entkopplungskondensator 107-1 zugeführt, das ein bekanntes π-Filter ist. Die Induktivität 109 ist vorzugsweise eine sogenannte "Ferritperlen-" Induktivität eines in der Technik gutbekannten Typs. Obwohl die Teil-Stromversorgungsebene 105 als vollständig von der Haupt-Stromversorgungsebene 104 umgeben dargestellt wird, ist offensichtlich, daß sie an beliebiger Stelle im Verhältnis zur Haupt-Stromversorgungsebene, selbst an den Rand oder einer Ecke der Leiterplatte 101 angeordnet sein kann. Es wird weiterhin darauf hingewiesen, daß nach der Figur 1 die Teil-Stromversorgungsebene 105 sich im selben räumlichen ebenen Verhältnis zur Oberfläche der Leiterplatte 101 wie die Haupt-Stromversorgungsebene 102 befindet. Das heißt, die Teil-Stromversorgungsebene 105 befindet sich in derselben Ebene wie Haupt-Stromversorgungsebene 102.
  • Nach der Darstellung in Figur 1 ist die Teil- Stromversorgungsebene 105 physikalisch getrennt, d.h. entkoppelt von der Haupt-Stromversorgungsebene, und liegt direkt unter und ist im wesentlichen zusammenhängend mit der VLSI-Vorrichtung 104. Es wird darauf hingewiesen, daß die Teil-Stromversorgungsebene 105 eine Stromquelle niedriger Impedanz und daher niedriger Induktivität für alle Stromleitungen 106 der VLSI-Vorrichtung 104 darstellt. Der einmalige Aufbau der Stromversorgungsebene 105 und Kondensatoren 107-1 bis 107-4 im vorliegenden Beispiel bildet im wesentlichen eine verteilte Filteranordnung für die "Hoch-"frequenz-VLSI-Vorrichtung. Diese einmalige Konfiguration der Teil-Stromversorgungsebene 105 und Kondensatoren 107 liefert auch den Schaltstrom mit den äußerst hohen Geschwindigkeiten, beispielsweise 1 Nanosekunde, der von der schnellen VLSI-Vorrichtung 104 benötigt wird, die auf der Leiterplatte 101 montiert werden soll. Zusätzlich bietet die Teil-Stromversorgungsebene 105 in Verbindung mit den Kondensatoren 107 eine lokalisierte künstliche Hochfrequenzerde, d.h. Masseerde, für die von der VLSI-Vorrichtung 104 abgestrahlten Hochfrequenzfelder, wenn diese auf den hohen Frequenzen arbeitet. Es wird wiederum darauf hingewiesen, daß derartige VLSI-Vorrichtungen in einem Bereich von 25 MHz und darüber betrieben werden sollen. So ist ersichtlich, daß durch Verwendung eines π-Filters mit Kondensatoren 107-1 und 108 und Ferritperle 109 zum Ankoppeln von Strom an die Teil-Stromversorgungsebene 105 und mit mit jeder der Stromleitungen 106 an der VLSI-Vorrichtung 104 verbundenen Entkopplungskondensatoren 107 ein einmaliges Stromverteilungs- und Strahlungsunterdrückungssystem gebildet wird. Ein technischer Vorteil dieses einmaligen Stromverteilungssystems besteht in seiner Minimierung der elektromagnetischen Strahlung von der Leiterplatte.
  • Figur 2 zeigt in Schaltschemaform das in der Figur 1 dargestellte Stromverteilungssystem. Dementsprechend wird der Strom von der Haupt-Stromversorgungsebene 102 über Entkopplungskondensator 108 und Ferritperle 109 dem Entkopplungskondensator 107- und der Teil- Stromversorgungsebene 105 zugeführt. Mit der Stromversorgungsebene 105 sind zusätzliche Entkopplungskondensatoren 107-2 bis 107-4 und Stromeingangsleitungen 106-1 bis 106- 4 der VLSI-Vorrichtung 104 verbunden. Zusätzlich bilden Kondensator 108, Ferritperle 109 und Kondensator 107-1 die oben besprochene gutbekannte π-Filteranordnung. Der über die Haupt-Stromversorgungsebene 102 zugeführte Strom kann jede gewünschte Spannung aufweisen.
  • Die Figur 3 zeigt die Leiterplatte 301 mit einer Haupt-Stromversorgungsebene 102 und einer Mehrzahl von VLSI-Vorrichtungen, die jeweils direkt über einer entsprechenden Teil-Stromversorgungsebene der vorliegenden Erfindung montiert sind. Obwohl die Elemente jeder der VLSI-Vorrichtungen und ihre entsprechende Teil-Stromversorgungsebene auf ähnliche Weise angeordnet sind, ist nur eine VLSI-Vorrichtung und Teil-Stromversorgungsebene entsprechend der Realisierung der Erfindung nach Figur 1 numeriert worden.
  • Die Figur 4 stellt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dar. Dementsprechend sind Leiterplatte 401, eine Haupt-Stromversorgungsebene 402, eine Mehrzahl von Teil-Stromversorgungsebenen 403-1, 403-2 und 403-3 dargestellt. Wie oben bemerkt, liegen die Teil-Stromversorgungsebenen 403 in vorgeschriebenen räumlichen Verhältnissen zur Haupt-Stromversorgungsebene 402 und sind wie dargestellt phyikalisch von dieser entkoppelt. Die Figur 4 zeigt auch, daß das vorgeschriebene räumliche Verhältnis der Teil-Stromversorgungsebenen 403 darin besteht, daß sie sich im selben räumlichen ebenen Verhältnis wie die Haupt-Stromversorgungsebene 402 relativ zur Oberfläche der Leiterplatte 401 befinden. Das heißt, die Teil-Stromversorgungsebenen 403 liegen in derselben Ebene wie die Hauptstromversorgungsebene 402. Ebenfalls gezeigt ist das Erdgitter 404, das sich auf bekannte Weise physikalisch unter der Stromversorgungsebene 402 und den Teil-Stromversorgnngsebenen 403 befindet und von diesen isoliert ist.
  • Die Figur 5 stellt einen Teil der Leiterplatte 500 dar und enthält eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Dementsprechend sind VLSI-Vorrichtungen 501 und 502 gezeigt, die mit der Leiterplatte 500 über der im gestrichelten Umriß gezeigten Teil-Stromversorgungsebene 503 verbunden sind. In dieser Ausführungsform der Erfindung kann sich eine Mehrzahl von VLSI-Vorrichtungen, die betriebsmäßig miteinander im Verhältnis stehen, dieselbe Teil-Stromversorgungsebene 503 teilen. Solche VLSI- Vorrichtungen können beispielsweise einen Mikroprozessor, d.h. die Vorrichtung 501 und seine zugehörigen Takt- oder Leitungstreiberschaltungen, d.h. die VLSI-Vorrichtung 502, umfassen. Die Entkopplung und Zuführung des Stroms von der Haupt-Stromversorgungsebene 504 findet wie oben beschrieben im Verhältnis zur Figur 1 statt. Der Grund dafür, daß eine Mehrzahl von VLSI-Vorrichtungen auf eine einzige Teil-Stromversorgungsebene gelegt werden können, besteht darin, daß Vorrichtungen mit ähnlichem Rauschpotential unter Verwendung derselben Anordnung von Filter und Teil-Stromversorgungsebene gefiltert werden kann. Solche VLSI-Vorrichtungen arbeiten gewöhnlich in Verbindung miteinander als einzige Instanz, die Daten unter den VLSI-Vorrichtungen weiterleitet.
  • Obwohl die vorliegende Ausführungsform der Erfindung für eine Leiterplatte mit einer Stromversorgungsebene beschrieben worden ist, wird es dem Fachmann offensichtlich sein, daß sie ebenfalls auf Leiterplatten mit mehr als einer Haupt-Stromversorgungsebene anwendbar ist.

Claims (8)

1. Leiterplatte (101) mit einer vorgeschriebenen Oberfläche mit folgendem:
einem Erdsystem (103) und
einem Haupt-Stromverteilungssystem (102), das in einem vorgeschriebenen ebenen Verhältnis zur vorgeschriebenen Oberfläche der Leiterplatte angeordnet ist; und
mindestens einer Teil-Stromversorgungsebene (105), die in vorgeschriebenem räumlichen Verhältnis zu und physikalisch getrennt vom besagten Haupt-Stromverteilungssystem angeordnet ist, wobei die besagte Teil- Stromversorgungsebene im selben planaren Verhältnis wie das Haupt-Stromversorgungssystem (102) zur vorgeschriebenen Oberfläche der Leiterplatte (101) liegt und mit mindestens einer VLSI-Vorrichtung (104) mit mehreren Stromeingangsleitungen verbunden werden kann; wobei Strom von dem Haupt-Stromversorgungssystem der Teil-Stromversorgungsebene zugeführt wird.
2. Leiterplatte (101) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die besagte mindestens eine Teil- Stromversorgungsebene (105) direkt unter mindestens einer entsprechenden VLSI-Vorrichtung (104) angeschlossen werden kann.
3. Leiterplatte (101) nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Kondensatoren (107) und dadurch gekennzeichnet, daß die besagte mindestens eine Teil-Stromversorgungsebene (105) zum Verbinden eines ersten Kondensators (102-1) mit einer ersten Stromeingangsleitung (106-1) der besagten VLSI-Vorrichtung (104) und zum Verbinden mindestens eines zweiten Kondensators (107-2) mit einer zweiten Stromeingangsleitung (106-2) der besagten VLSI-Vorrichtung (104) geeignet ist.
4. Leiterplatte (101) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die besagte Teil-Stromversorgungsebene (105) zum Verbinden der besagten Mehrzahl von Kondensatoren (107) mit besagten mehrfachen Stromeingangsleitungen (106) der besagten VLSI-Vorrichtung (104) auf einer Basis eins-zu-eins geeignet ist.
5. Leiterplatte (101) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Filter (108, 109) die besagte Teil-Stromversorgungsebene (105) mit dem besagten Haupt- Stromverteilungssystem (102) verbindet, um die besagte Teil-Stromversorgungsebene (105) mit Strom zu versorgen.
6. Leiterplatte (101) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das besagte Filter einen Kondensator (108), eine Ferritperle (109) und einen (107-1) der besagten Mehrzahl von Kondensatoren umfaßt und in einer π-Konfiguration angeordnet ist.
7. Leiterplatte (101) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das besagte Erdsystem (103) ein Erdgitter ist und jeder der besagten Kondensatoren (107) mit einem Anschluß mit dem besagten Erdgitter (103) verbunden werden kann.
8. Leiterplatte (101) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das besagte Haupt-Stromverteilungssystem eine Haupt-Stromversorgungsebene (102) ist, worin mindestens eine Teil-Stromversorgungsebene (105) angeordnet und physikalisch davon getrennt ist.
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