JP2005252544A - Signal transfer circuit and its design method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は信号伝達回路及びその設計方法に関する。特に信号伝達回路を構成する信号線路の特性インピーダンスの整合がとられる信号伝達回路及びその設計方法に関する。より具体的には、一の信号線路から複数の信号線路への分岐を持ち、更に分岐後の信号線路から信号を分配する場合でも線路系の特性インピーダンスが整合することで分配後の出力信号波形を良好に保つ信号伝達回路及びその設計方法に関する。 The present invention relates to a signal transmission circuit and a design method thereof. In particular, the present invention relates to a signal transmission circuit capable of matching characteristic impedances of signal lines constituting the signal transmission circuit, and a design method thereof. More specifically, even when a signal is branched from one signal line to a plurality of signal lines, and the signal is distributed from the signal line after branching, the output signal waveform after distribution is matched by matching the characteristic impedance of the line system. The present invention relates to a signal transmission circuit that keeps a good state and a design method thereof.
信号伝達回路の信号線路は特性インピーダンスを持つので、何も対処しない場合に信号線路の入力端から入力した信号は開放された信号線路の終端で反射する。すると入力端の信号波形は、入力した信号波形にその反射波を重畳した波形が得られる。この反射波の影響を無くすために、信号線路の終端に終端抵抗を入れてインピーダンスを整合することが一般的に知られている。このようにインピーダンスの整合がとられた信号線路の入力端での信号波形は、入力した信号波形になる。
また、図9のように多層基板20上に出力ドライバ2と半導体デバイス21を搭載して、基板20上の入力端1から入力した信号を半導体デバイス21内で信号線路が分岐した上で各複数の出力端24、25へそれぞれ分配するといった複雑な線路系の場合には、上述した単純な方法で反射の影響を無くせない。このような線路系で伝達する信号として、例えばクロック信号がある。
図9に示した線路系である信号伝達回路は、入力端1と、この入力端1から入力した信号を後段へ伝達する出力ドライバ2と、この出力ドライバ2の出力が伝達される基板20内の層配線である基板内層配線22と、この配線22と接続される半導体デバイス21の外部端子(点1)と、この端子に接続される半導体デバイス内の層配線であるデバイス内層配線23と、この配線23を構成するデバイス内部で分岐された信号線路3と5と、信号線路3から分配された信号を複数出力する出力端24と、信号線路5から分配された信号を複数出力する出力端25と、分岐点から伸びる信号線路3と5とをそれぞれ更に伸ばして構成する外部端子及び外部端子を経由して基板20内に設けられて点6まで伸びる層配線22とから構成されている。図9の信号伝達回路と等価の概略回路図を図5に示す。この図5において、出力ドライバ2の出力から信号線路3と5へ分岐する迄の層配線のインピーダンスが無視でき、信号線路3と5の各インピーダンスが各々Z2であり、デバイス21内で分岐後の信号線路3と5の各終端(点6)が各々開放されているとします。この場合に入力端1から信号を入力すると、信号線路3と5の各終端でこの信号は反射を起こす。そこで、これら各終端と接地電位との間に抵抗値がRt=Z2である終端抵抗4または6を各々接続する。これら終端抵抗により各信号線路3と5は、インピーダンスの整合がとられる。従って各信号線路3と5におけるそれぞれの終端での反射が無くなるので点1における信号の波形は、反射波が重畳されたものとならずに、入力した信号の波形に近い波形が得られる。このようにすると各信号線路3と5から各々分配された信号を出力する出力端24と25(図5において図示を省略している。図9を参照のこと。)の各々からも反射波の影響を受けない信号波形が得られることが知られている。
分岐後の各信号線路からそれぞれ分配出力される信号を反射波の影響の無いものとするために図5と同様に各信号線路に終端抵抗を接続したものが、特開2003−43066に開示されている。
Further, as shown in FIG. 9, the
The signal transmission circuit that is a line system shown in FIG. 9 includes an
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-43066 discloses a device in which a terminal resistor is connected to each signal line in the same manner as in FIG. 5 in order to make a signal distributed and output from each signal line after branching unaffected by reflected waves. ing.
しかし、図9に図示されているように、出力ドライバ2とデバイス21の外部端子(点1)との間に、実際には基板内の層配線22で形成されるインピーダンスZ1を持つ信号線路12が存在する。出力ドライバ2の出力から図示された線路系全体のインピーダンスを見た場合に、このインピーダンスZ1の影響により線路系全体のインピーダンスは整合されない。そして点1における信号の波形は、反射成分を含む乱された波形となる。図9の信号伝達回路を実機に組み、図9に対応する回路図である図5における入力端1に入力する信号波形(上側の矩形波)と、信号点1、2、3、4、5と6における信号波形(下側の曲線を伴う各波形)とを図6に示す。また図7の上側の波形は図5の信号伝達回路において入力端1に入力する信号波形であり、下側の波形はレシーバ回路7、8、9、10と11から出力される信号波形である。図8は、図7の破線で囲まれた部分の信号波形を拡大して示したものである。なお、Rtはそれぞれ40Ω、Z2はそれぞれ40Ω、出力ドライバ2の出力インピーダンスは50Ω、また信号線路12のインピーダンスZ1は50Ωである。信号線路3上の信号波形が反射波の影響の無いものであれば、入力端1から入力された信号は、線路上において入力端1から終端点6へ向かう順である、レシーバ回路7、8、9、10、11から、この順に順次遅延された信号として出力される。しかし、図6に示されているように点1における信号が反射成分を含む乱された信号波形である場合に、図8に示されているように各レシーバ回路からの信号の出力順序は、レシーバ回路10、9、11、8、7というように上記したものと順番の異なったものとなっている。この順番の異なったものとなる原因は、信号線路3上の信号波形が反射波の影響を受けて乱れた波形となると、この波形の乱れた信号が各レシーバ回路における入力閾値を越える時間も乱れたものとなるためである。結果として図8に表れているように、各レシーバ回路から出力される信号は、その出力順であるタイミングスキューも乱れたものとなっている。
反射波の影響を受けて乱れた波形を持つ信号の影響を軽減するために、出力ドライバ2と信号線路12との間にダンピング抵抗を挿入することも知られている。この場合は、乱れた信号波形の波高値が下がるものの、乱れた波形が正常な波形となる訳ではなく、乱れた波形を持つ信号が及ぼす後段回路への影響を軽減する効果しか得られない。従って、反射の影響を無くした正常な波形を持つ信号を得て、正常なタイミングスキューを得るという課題にとって、単にダンピング抵抗を入れるという方法は本質的な解決手段になり得ない。
本発明の目的は、出力ドライバ2の出力信号波形を反射の影響の無い正常な波形を持つものとすることで、結果的に各信号線路3と5から分配出力される各出力端24と25から出力される各信号をその出力波形が正常な波形を持つようにして、正常なタイミングスキューを得た信号伝達回路とその設計方法とを提供することである。
However, as shown in FIG. 9, a signal line having an impedance Z 1 that is actually formed by the layer wiring 22 in the substrate between the
It is also known to insert a damping resistor between the
The object of the present invention is to make the output signal waveform of the
上記課題を解決するため、
(1)本発明の信号伝達回路は、信号を入力する出力ドライバと、前記出力ドライバと直列接続された第1の信号線路と、前記出力ドライバと接続されていない他方の線路端で前記第1の信号線路と直列接続されて、信号線路内より信号を分配出力する第2の信号線路と、前記第1の信号線路と接続されていない線路端である前記第2の信号線路の終端に接続されて、前記第2の信号線路が持つインピーダンスと整合する終端抵抗とを有する信号伝達回路において、前記出力ドライバの出力と前記第1の信号線路との間に挿入されて、前記第1の信号線路のインピーダンス値から前記第2の信号線路のインピーダンス値を引いた差分値の抵抗値を持つダンピング抵抗を有することを有することを特徴とする。
(2)(1)に記載した本発明の信号伝達回路の前記第2の信号線路は、前記第1の信号線路との接続点を分岐点として複数に分岐した複数の線路からなり、前記複数の線路の各終端に各線路のインピーダンスと整合する前記終端抵抗がそれぞれ接続されているものであり、前記第2の信号線路のインピーダンスは、前記複数の線路の合成インピーダンスであることを特徴とする。
(3)(2)に記載した本発明の信号伝達回路の前記複数の線路に接続された前記各終端抵抗の抵抗値は、前記終端抵抗が接続される前記線路のインピーダンス値と同じであり、前記出力ドライバの出力インピーダンス値は、前記第1の信号線路のインピーダンス値と同じであることを特徴とする。
(4)本発明の信号伝達回路の設計方法は、出力ドライバへ信号を入力し、前記出力ドライバと第1の信号線路とが直列接続され、前記出力ドライバと接続されていない線路端で前記第1の信号線路は、信号線路内より信号を分配出力する第2の信号線路と直列接続され、前記第1の信号線路と接続されていない線路端である前記第2の信号線路の終端に接続される終端抵抗の抵抗値を前記第2の信号線路が持つインピーダンスと整合する値にするステップと、前記出力ドライバの出力と前記第1の信号線路との間に挿入されるダンピング抵抗の抵抗値を、前記第1の信号線路のインピーダンス値から前記第2の信号線路のインピーダンス値を引いた差分値の抵抗値にするステップとを有することを特徴とする。
To solve the above problem,
(1) The signal transmission circuit according to the present invention includes an output driver for inputting a signal, a first signal line connected in series with the output driver, and the first line end not connected to the output driver. A second signal line that is connected in series to the signal line and distributes and outputs a signal from within the signal line, and a terminal that is not connected to the first signal line, and is connected to the terminal of the second signal line. In the signal transmission circuit having a termination resistor that matches the impedance of the second signal line, the first signal is inserted between the output of the output driver and the first signal line. It has a damping resistor having a resistance value of a difference value obtained by subtracting the impedance value of the second signal line from the impedance value of the line.
(2) The second signal line of the signal transmission circuit of the present invention described in (1) includes a plurality of lines branched into a plurality of points with a connection point with the first signal line as a branch point. The termination resistors that match the impedance of each line are connected to the respective ends of the line, and the impedance of the second signal line is a combined impedance of the plurality of lines. .
(3) The resistance value of each termination resistor connected to the plurality of lines of the signal transmission circuit of the present invention described in (2) is the same as the impedance value of the line to which the termination resistor is connected, The output impedance value of the output driver is the same as the impedance value of the first signal line.
(4) In the design method of the signal transmission circuit according to the present invention, a signal is input to an output driver, the output driver and the first signal line are connected in series, and the first line is not connected to the output driver. One signal line is connected in series with a second signal line that distributes and outputs a signal from within the signal line, and is connected to an end of the second signal line that is not connected to the first signal line. The resistance value of the termination resistor to be set to a value that matches the impedance of the second signal line, and the resistance value of the damping resistor inserted between the output of the output driver and the first signal line To the resistance value of the difference value obtained by subtracting the impedance value of the second signal line from the impedance value of the first signal line.
以上のように本発明は、第1の信号線路のインピーダンスと同じ抵抗値を持つ終端抵抗で第1の信号線路を終端してインピーダンス整合をとった第1の信号線路の信号入力端に、インピーダンスを持つ第2の信号線路が接続された線路系において、第1の信号線路との接続端とは他方の第2の信号線路の他端に抵抗を接続したものである。そして、この抵抗を介して第2の信号線路へ信号を入力し、この信号を第2の信号線路経由で第1の信号線路へ信号を伝達する構成を持つものである。そして第1と第2の両信号線路のインピーダンスからこの抵抗の抵抗値を決めることで、この抵抗を介して信号を入力した際に、第1と第2の信号線路の接続点における信号波形を反射の影響の無いものとし、その結果として第1の信号線路から分配される信号の波形も反射の影響を受けない正常な波形にでき、更に分配される各信号をタイミングスキューの問題の無いものとするという課題を解決することができる。反射の影響を受けずに分配された各信号は、各レシーバ回路の持つスレッショルドレベル近辺でもレベルの変動の無い波形となるために、各レシーバ回路から出力される出力信号の出力タイミングのずれも無くなって見え、タイミングスキューの問題も無くなる。 As described above, according to the present invention, the impedance of the signal input terminal of the first signal line obtained by terminating the first signal line with the termination resistor having the same resistance value as the impedance of the first signal line is obtained at the impedance. In the line system to which the second signal line having the above is connected, the connection end to the first signal line is a resistor connected to the other end of the other second signal line. A signal is input to the second signal line via the resistor, and the signal is transmitted to the first signal line via the second signal line. Then, by determining the resistance value of this resistor from the impedance of both the first and second signal lines, the signal waveform at the connection point of the first and second signal lines can be obtained when a signal is input through this resistor. As a result, the waveform of the signal distributed from the first signal line can be changed to a normal waveform that is not affected by the reflection, and each distributed signal has no problem of timing skew. Can solve the problem. Each signal distributed without being affected by reflection has a waveform that does not change in level even near the threshold level of each receiver circuit. This eliminates the problem of timing skew.
次に、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において参照する各図においては、他の図と同等部分には同一の符号が付されている。
本発明の信号伝達回路の構成を、図1を用いて説明する。図1において、従来例の図5と異なる点は、信号線路3と5の分岐点である点1と出力インピーダンスZ1を持つ出力ドライバ2の出力との間にインピーダンスZ1を持つ信号線路12と抵抗値Rdを持つダンピング抵抗13とを点7を介して直列接続したものを挿入したことである。図1に示した線路系である信号伝達回路は、入力端1と、この入力端1から入力した信号を後段へ伝達する出力ドライバ2と、この出力ドライバ2の出力に接続されるダンピング抵抗13と、ダンピング抵抗13と直列接続される信号線路12と、信号線路12がその終端である点1を介して接続されると共に点1で分岐された信号線路3と5と、信号線路3から分配された信号を各々入力するレシーバ回路7、8、9、10、11と、信号線路5から分配された信号を各々入力するレシーバ回路と、分岐点から伸びる信号線路3と5の各終端(点6)に接続された終端抵抗4と6とから構成されている。
ところで、従来例の図9には、元々信号線路12が存在していたものの、信号線路12の持つインピーダンスが考慮されていなかった。本発明は、この信号線路12のインピーダンスの影響を考慮するものである。抵抗13は、ダンピング抵抗としてとらえれば従来から知られている。しかし、従来のダンピング抵抗としての役割しか考慮されなければ、単に信号の波高値を下げるだけのものに過ぎないことは課題欄に記載した通りである。本発明の発明者は、このダンピング抵抗13の抵抗値を信号線路12のインピーダンスと、信号線路3と5の合成インピーダンスとの差分値にすることで点1の信号波形に反射の影響が現れにくいことを見出した。
まず、インピーダンスZ2を持つ信号線路3と5の各々の終端に接続する終端抵抗4と6の抵抗値RtをインピーダンスZ2とほぼ同じ値に、
Rt=Z2
つまり、
(終端抵抗の抵抗値)=(終端抵抗で終端されてインピーダンス整合される信号線路のインピーダンス値) …(1)
とすることで、点6から点1へ戻ってくる反射信号を無くす。
また、入力端1から見て直列接続した2つのインピーダンスのうちで後段のインピーダンスである信号線路3と5の合成インピーダンスは、線路3と線路5のそれぞれZ2の値を持つ両インピーダンスが並列になっているので、Z2/2である。次に、前段の信号線路12のインピーダンスはZ1であり、この場合にダンピング抵抗13の抵抗値Rdを、
Rd=Z1−(Z2/2)
つまり、
(ダンピング抵抗の抵抗値)=(前段の信号線路のインピーダンス)−(後段の信号線路の(合成)インピーダンス) …(2)
とすることで、本発明者はインピーダンスZ1を持つ信号線路12の影響による点1における信号波形の乱れを無くすことができるという知見を得た。この点を実際の製品の各信号点につき信号波形を観測することにより検証する。
図2は、図1の信号伝達回路においてZ1=50ΩかつRt=Z2=40Ωにした場合、つまり課題欄で説明した図5における条件と同じにし、入力端1への入力信号波形(上側の矩形波)と、信号点1、2、3、4、5、6における信号波形(下側の曲線を伴う波形)を示す。信号線路3と5の各インピーダンスZ2は、各終端抵抗Rtと整合されている。この場合に後段の合成インピーダンスはZ2/2=20Ωであり、式(2)に従ってRd=30Ωとしている。
また図3の上側の波形は図1の信号伝達回路において入力端1に入力する信号波形であり、下側の波形はレシーバ回路7、8、9、10と11から出力される信号波形である。図4は、図3の破線で囲まれた部分の信号波形を拡大して示したものである。信号線路3上の信号波形が反射波の影響の無いものであれば、入力端1から入力された信号は、線路上において入力端1から終端点6へ向かう順番である、レシーバ回路7、8、9、10、11から、この順に順次遅延された信号として出力される。図4において、レシーバ回路7、8、9、10、11というように出力される信号波形の順番が上記したものと同じになっている。この正しい順番となった原因は、信号線路3上の信号波形が反射波の影響の無い波形であると、この波形を持つ信号が各レシーバ回路における入力閾値を越える時間もこの各出力信号波形の表れる順番となったためである。以上、図4に示されているように、各レシーバ回路から出力される信号は、その出力順であるタイミングスキューも正しい順番となっている。
ところで、図1においては点1で分岐する信号線路が2本に分かれている例を示し、Z2とRtを整合させ、かつ式(2)に従ったRd値にすれば図4のように正常なタイミングスキューを持つ出力信号波形が得られることを示した。この効果は、点1において信号線路が分岐せずに1本の信号線路であっても得ることができる。但し、この後段の信号線路がこの線路のインピーダンス値と同じ抵抗値を持つ抵抗により終端され、更に(2)式の関係を満たすダンピング抵抗値を持つ抵抗を挿入することが必要である。
Next, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings referred to in the following description, the same reference numerals are given to the same parts as in the other drawings.
The configuration of the signal transmission circuit of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 1, the signal line 12 having an impedance Z 1 between the
Incidentally, in FIG. 9 of the conventional example, although the signal line 12 originally existed, the impedance of the signal line 12 was not taken into consideration. The present invention considers the influence of the impedance of the signal line 12. The resistor 13 is conventionally known as a damping resistor. However, if only the role as a conventional damping resistor is considered, it is merely a matter of lowering the peak value of the signal, as described in the problem column. The inventor of the present invention makes the influence of reflection hardly appear in the signal waveform at
First, the resistance values Rt of the termination resistors 4 and 6 connected to the respective ends of the signal lines 3 and 5 having the impedance Z 2 are set to be substantially the same as the impedance Z 2 .
Rt = Z 2
That means
(Resistance value of termination resistor) = (impedance value of signal line terminated and terminated by termination resistor) (1)
Thus, the reflected signal returning from the point 6 to the
Furthermore, the combined impedance of the signal line 3 and 5 a later stage of the impedance among viewed from the
Rd = Z 1 - (Z 2 /2)
That means
(Resistance value of the damping resistor) = (impedance of the signal line in the previous stage) − ((combined) impedance of the signal line in the subsequent stage) (2)
With the present inventor got the finding that it is possible to eliminate the disturbance of the signal waveform at
FIG. 2 shows the case where Z 1 = 50Ω and Rt = Z 2 = 40Ω in the signal transmission circuit of FIG. 1, that is, the same conditions as those in FIG. ) And signal waveforms (waveforms with a lower curve) at
3 is a signal waveform input to the
Incidentally, FIG. 1 shows an example in which the signal line branched at the
1 : 入力端
2 : 出力ドライバ
3、5 : 信号線路
4、6 : 終端抵抗
7、8、9、10、11 : レシーバ回路
12 : 信号線路
13 : ダンピング抵抗
20 : デバイス搭載基板
22 : 基板内層配線
23 : デバイス内層配線
24、25: 出力端
1: Input terminal 2: Output driver 3, 5: Signal line 4, 6:
Claims (4)
A signal is input to the output driver, the output driver and the first signal line are connected in series, and the first signal line at the line end of the first signal line not connected to the output driver is , Connected in series with a second signal line that distributes and outputs a signal from within the signal line, and connected to a line end of the second signal line that is not connected to the first signal line. The step of setting the resistance value of the termination resistor to a value that matches the impedance of the second signal line, and the resistance value of the damping resistor inserted between the output of the output driver and the first signal line, And a resistance value of a difference value obtained by subtracting the impedance value of the second signal line from the impedance value of the first signal line.
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