JP2006324525A - Signal transfer method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、信号伝達方法に関し、特に2つのインダクタ素子を用いて信号を伝達させる信号伝達方法に関するものである。 The present invention relates to a signal transmission method, and more particularly to a signal transmission method for transmitting a signal using two inductor elements.
半導体集積回路は、一般に微細化・高集積化が進むにつれ次々と周辺の回路をICチップ内に取り込み、ICチップ自体が高性能化していく傾向にある。さらに、小型化や高速化の要求から、総合的なシステムを一つのパッケージに集約することが要求されている。この要求に応える一つの方法として、一つのICチップ上に総合的なシステムをすべて作り込むという方法が考えられる。 In general, as a semiconductor integrated circuit becomes finer and more highly integrated, peripheral circuits are taken into the IC chip one after another and the IC chip itself tends to have higher performance. Furthermore, in order to reduce the size and increase the speed, it is required to integrate a comprehensive system into one package. One way to meet this requirement is to build a complete system on a single IC chip.
しかし、大規模なICによって総合的なシステムを構築して一つの半導体チップにそのシステムを作り込んだ場合には、半導体装置の製造工程における前工程において歩留りが大幅に低下してしまう。従って、経済的な観点からこのような半導体チップを実現することが困難である。そこで、総合的なシステムを小型のパッケージ内に納める別の方法として、マルチ・チップ・モジュール(MCM)技術や、ICの三次元化技術等が考えられている(例えば、特許文献1,2)。
しかしながら、特許文献1に記載されているようなチップ積層化による三次元ICの製造方法では、チップ間接続電極用のパッドを形成した複数のICチップを重ね合わせて、ICチップ間をチップ間接続電極により接続するため、実装の際にチップ間の精度の高い位置合わせとアスペクト比の大きいチップの両面を貫通する電極形成技術が必要である。さらに、チップ間接続電極形成のため、チップ間隔を広げることができず、内部チップの放熱が困難である。また、特許文献2に記載されている技術では、複数のチップの側面を接着剤で貼り合わせて、チップ同士の電気的接続はワイヤボンディングにより行っているが、この技術を用いてMCMを作成する際にはチップ上の素子や接続端子の配置に大きな制約が課せられ、様々なMCMを自由に作成することはできない。
However, in the method of manufacturing a three-dimensional IC by stacking chips as described in
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡単な構造でチップ間の信号伝達に利用でき、パルス信号の伝達を確実に行える信号伝達方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of such points, and an object of the present invention is to provide a signal transmission method that can be used for signal transmission between chips with a simple structure and can reliably transmit a pulse signal. It is in.
本発明の信号伝達方法は、第1インダクタ素子が発信した第1信号を第2インダクタ素子が受信して第2信号として出力する信号伝達方法であって、パルス電圧を第1インダクタ素子に印加するステップと、前記第1インダクタ素子が第1信号を発信するステップと、前記第2インダクタ素子が前記第1信号を受信して電磁誘導により受信信号を出力するステップと、前記受信信号に所定の電圧を加えてレベルシフト信号とするステップと、前記レベルシフト信号により、前記所定の電圧を閾電圧とする第1スイッチング素子を駆動するステップと、前記第1スイッチング素子の駆動により当該第1スイッチング素子に充電されていた電荷が放出されて電位が0Vへ遷移する遷移信号を前記第2信号として出力するステップとを含む。このように信号伝達を行うことで、第1信号が無線伝達によって一定の遅延時間の後第2信号として出力される。 The signal transmission method of the present invention is a signal transmission method in which the second inductor element receives the first signal transmitted from the first inductor element and outputs it as the second signal, and applies a pulse voltage to the first inductor element. A step in which the first inductor element transmits a first signal; a step in which the second inductor element receives the first signal and outputs a reception signal by electromagnetic induction; and a predetermined voltage applied to the reception signal. To a level shift signal, driving the first switching element having the predetermined voltage as a threshold voltage by the level shift signal, and driving the first switching element to the first switching element. And outputting a transition signal in which the charged charge is released and the potential transitions to 0 V as the second signal. By performing signal transmission in this way, the first signal is output as the second signal after a certain delay time by wireless transmission.
前記第1インダクタ素子と前記第2インダクタ素子とは実質的に同じインダクタンスおよび自己共振周波数を有していることが好ましい。 Preferably, the first inductor element and the second inductor element have substantially the same inductance and self-resonant frequency.
前記パルス電圧のパルス幅Tは、前記第1インダクタ素子および第2インダクタ素子の自己共振周波数をfとしたとき、1/(4f)≦T≦3/(4f)で表されることが好ましい。 The pulse width T of the pulse voltage is preferably expressed by 1 / (4f) ≦ T ≦ 3 / (4f), where f is the self-resonance frequency of the first inductor element and the second inductor element.
ある好適な実施形態において、前記出力ステップは、前記遷移信号を所定時間遅延させるサブステップを含み、さらに、前記所定時間遅延させた遷移信号により第2スイッチング素子を駆動するステップと、前記第2スイッチング素子の駆動により、前記第1スイッチング素子への充電を行うステップと含む。 In a preferred embodiment, the output step includes a sub-step of delaying the transition signal for a predetermined time, and further, driving a second switching element with the transition signal delayed for the predetermined time; and the second switching Charging the first switching element by driving the element.
前記遷移信号により第3スイッチング素子が駆動して、前記第2インダクタ素子を短絡させるステップをさらに含むことが好ましい。 Preferably, the method further includes a step of driving the third switching element by the transition signal to short-circuit the second inductor element.
前記第1スイッチング素子にはリーク電流補償回路が接続されており、前記リーク電流補償回路は、前記第1スイッチング素子において当該第1スイッチング素子の非駆動時のリークにより電圧が低下することを防止することが好ましい。 A leakage current compensation circuit is connected to the first switching element, and the leakage current compensation circuit prevents a voltage from decreasing in the first switching element due to leakage when the first switching element is not driven. It is preferable.
ある好適な実施形態において、入力した第1NRZ信号をパルス信号に変換して前記第1インダクタ素子により発信し、前記第2インダクタ素子が受信して出力する前記第2信号を第2NRZ信号に変換して出力し、前記パルス電圧印加ステップの前に、前記第1NRZ信号の立ち上がり信号を受けた時は第1のパルス電圧を発生させ、立ち下がり信号を受けたときは第2のパルス電圧を発生させるステップと、前記第1のパルス電圧に対応する前記第2信号が出力されたときは0以外の所定電圧の出力に変換し、前記第2のパルス電圧に対応する前記第2信号が出力されたときは出力を0に変換して前記第2NRZ信号を出力するステップとをさらに含む。 In a preferred embodiment, the input first NRZ signal is converted into a pulse signal and transmitted by the first inductor element, and the second signal received and output by the second inductor element is converted into a second NRZ signal. When the rising signal of the first NRZ signal is received before the pulse voltage applying step, the first pulse voltage is generated, and when the falling signal is received, the second pulse voltage is generated. And when the second signal corresponding to the first pulse voltage is output, it is converted to an output of a predetermined voltage other than 0, and the second signal corresponding to the second pulse voltage is output And further converting the output to 0 and outputting the second NRZ signal.
前記第1のパルス電圧は連続した2つのパルス電圧であり、前記第2のパルス電圧は単独のパルスであることが好ましい。 The first pulse voltage is preferably two continuous pulse voltages, and the second pulse voltage is preferably a single pulse.
本発明によって、クロックを必要としない極めて簡易な無線接続が実現できる。 According to the present invention, a very simple wireless connection that does not require a clock can be realized.
本発明の実施形態について説明をする前に、本発明に至った経緯を説明する。 Before describing embodiments of the present invention, the background to the present invention will be described.
上述のように複数の機能を有する総合的なシステムを一つのパッケージにまとめる手段として、複数のチップを一つのパッケージ内に納めてチップ間は何らかの方法で接続を行うという手段がコスト的な面から有利だと考えられているが、現在考えられている特許文献1、2の方法では大きな課題がある。解決手段の一つとして、チップ間接続電極用のかわりに積層するICチップ上に平面インダクタを形成して、平面インダクタ間の電磁結合によってチップ間に配線接続のための無線信号伝達手法に本願発明者らは思い至った。しかし、インダクタ間の電磁結合による無線接続を行う場合は、信号の確実な伝達のためクロック回路を利用して送信側と受信側とで同期をとるが、この場合クロック回路が新たに必要となってしまう。そこで、クロックを用いない回路を思いつき、本願発明に至った。
From the viewpoint of cost, as a means for integrating a comprehensive system having a plurality of functions as described above into a single package, a method in which a plurality of chips are housed in a single package and the chips are connected in some way. Although considered to be advantageous, the methods of
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
(実施形態1)
図1は本発明の実施形態1に係る信号伝達装置を示す模式図である。上下のICチップ101,102にそれぞれ、層間無線接続のためのスパイラル・インダクタ1,2が形成されている。また、後述の信号伝達のための回路もICチップ101,102にそれぞれ形成されている。ここでは、平面インダクタとして、スパイラル・インダクタの例を示すが、他の構造のインダクタを用いてもよい。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic diagram showing a signal transmission device according to
本実施形態の信号伝達装置は、半導体チップに電子回路を形成する工程のうち金属配線を形成する工程において、金属配線と同じ金属からなるスパイラル・インダクタ1,2を形成することにより製造される。また、受信回路・送信回路を含む信号伝達装置の回路は、半導体チップに形成される電子回路と同時に形成される。このようにチップ間の信号伝達用の素子(端子)を電子回路形成と同時に形成することができ、従ってスルーホール形成や突起電極形成等の余分な工程を行う必要がなく、製造コストを低く抑えることができる。
The signal transmission device of this embodiment is manufactured by forming
次に、図2にスパイラル・インダクタ対1,2を等価回路で表し、等価回路で表された送信側インダクタ(第1インダクタ素子)3をNMOSFET(スイッチング素子)4でスイッチングする回路を示す。スパイラル・インダクタ1,2は同じ材料で同じ形状に設計されて形成されているので設計上は同じインダクタ特性を有しており、製造上での加工のむら・ずれ等を考えると、送信側インダクタ3と受信側インダクタ(第2インダクタ素子)7とは実質的に同じインダクタンスおよび自己共振周波数を有しているということができる。ここでは送信側インダクタ3と受信側インダクタ7との間の結合係数をkで示す。
Next, FIG. 2 shows a circuit in which the
NMOSFET4のゲート電極を図3に示す電圧Vinのパルス11で駆動する場合、送信側インダクタ3に流れる電流(iL)5および受信側インダクタ7の出力電圧(Vout)6は図3に示す波形12および13となる。
When the gate electrode of the
NMOSFET4から送信側インダクタ3に印加される駆動電圧パルス11の立上り、および立下りによって受信側インダクタ7に励起される出力電圧の信号は、上述の波形13である。出力電圧波形13は2つの減衰振動波形14、15からなるが、駆動電圧パルス11の立下りが励起する振動波形15の方が、立上りが励起する振動波形14より振幅が大きい。これは、立上り時にはNMOSFET4のONコンダクタンスのため送信側インダクタ3と受信側インダクタ7の特性が異なるためである。即ち立上り時には、NMOSFET4のONコンダクタンスと送信側インダクタ3のインダクタンスとを合成したものが送信側の全体のインダクタンスとなる。一方、立下り時には、NMOSFET4は遮断されるため送信側インダクタ3と受信側インダクタ7の特性が等しくなり、インダクタ3,7間の共振現象によって振動波形15の振幅が大きくなる。
The signal of the output voltage excited in the receiving
このように、送信側インダクタ3の励起には、励起後にNMOSFET4を遮断状態にすることが重要である。今回は、NMOSFET4による励起方法で説明したが、他の励起方法でも励起後に送信インダクタ3を開放状態にすることが重要である。つまり、送信インダクタ3に駆動パルスを印加する場合には、NMOSFET4などのスイッチング素子が送信インダクタ3への電流供給ラインを導通させることで立ち上がり(パルスの発生)、スイッチング素子が電流供給ラインを遮断して開放状態にすることで立ち下がる(パルスの終了)ようにする。このようにすることにより、送信側インダクタ3と受信側インダクタ7の特性が等しくなり、インダクタ3,7間の共振現象によって振動波形15の振幅が大きくなり、送信側インダクタ3に印加する電圧値が小さくても受信側インダクタ7に大きな振幅の信号が現れる。
Thus, for exciting the transmission-
上述の受信側インダクタ7の出力電圧波形13の立ち上がり時と立ち下がり時の関係は、駆動電圧のパルス波形がどのようなものでも一般的に当てはまるものであるが、送信側インダクタ3と受信側インダクタ7との間での信号伝達を確実なものにするためには受信側インダクタ7の出力電圧の振幅をより大きくした方が好ましい。図3の左下のパルス波形から本願発明者らは、出力側の振動波形の振幅を大きくするために、駆動パルスの立上がりで励起される振動波形14と駆動パルスの立下りで励起される振動波形15を重ね合わせることを考えついた。すなわち、図3に示すパルス幅の狭い駆動パルス16で送信側インダクタ3を励起すると、送信側インダクタ7が図3右中に示すパルス状の第1信号を発信する。この第1信号を受信側インダクタ7が受信すると電磁誘導により駆動パルスの立上がりで励起される振動波形14と駆動パルスの立下りで励起される振動波形15が重なり、さらに大きな振動波形17が実現できるのである。
The relationship between the rise time and the fall time of the output voltage waveform 13 of the reception-
なお、ここではパルス幅の狭い駆動パルス16のパルス幅Tは、T=1/(2f)のように、送信側及び受信側インダクタ3,7の自己共振周波数fに従って設定している。パルス幅TはT=1/(2f)であれば出力電圧波形の振幅が極大になるので非常に好ましいが、厳密に1/(2f)である必要はなく、1/(2f)の±50%以内、即ち1/(4f)≦T≦3/(4f)であれば出力側の振動波形の振幅が大きくなる。±25%以内、即ち3/(8f)≦T≦5/(8f)であれば実用上十分に振幅が大きくなるので好ましい。
Here, the pulse width T of the
また、消費電力の点からもパルス幅Tを1/(4f)から3/(4f)とすることが好ましい。このことを以下に説明する。 From the viewpoint of power consumption, the pulse width T is preferably set to 1 / (4f) to 3 / (4f). This will be described below.
図2に示すスパイラル・インダクタ対3,7による結合回路での消費電力は主に、送信側インダクタ3に流れる電流iLで決定される。
The power consumption in the coupling circuit by the spiral inductor pairs 3 and 7 shown in FIG. 2 is mainly determined by the current iL flowing through the transmission-
駆動パルスのパルス幅を制御して出力側の振動波形の振幅を大きくする本実施形態に係る信号伝達装置では、送信側のインダクタ3に流れる電流の最大値を相対的に小さく設定することが可能であり、かつ図3に示すパルス幅の狭い駆動パルス16によって送信側インダクタ3に電流が流れる時間を短くできるため、図2に示すスパイラル・インダクタ対による結合回路での消費電力を著しく小さくする。つまり、出力側である受信側インダクタ7において所定量の出力電圧(=電圧振幅)を出力させようとした場合、本実施形態の回路構成にして本実施形態の駆動パルス幅とすれば最も消費電力を少なくすることができるのである。
In the signal transmission device according to this embodiment in which the amplitude of the vibration waveform on the output side is increased by controlling the pulse width of the drive pulse, the maximum value of the current flowing through the
次に、上記のパルス駆動のインダクタ対による結合回路を基にした、クロックが不要な本実施形態の非同期送受信回路を図4に示す。一般的には、送信信号と受信信号との同期をとるためにはクロックが必要であって、そのために非線形抽出回路やPLL回路などのクロックリカバリー回路が受信側に形成されるが、本実施形態ではクロック及びクロックリカバリー回路無しで送信側のパルス信号群を、パルス信号間の時間間隔も合わせて受信側で忠実に再現して出力できる。 Next, FIG. 4 shows an asynchronous transmission / reception circuit according to the present embodiment which does not require a clock and is based on the above-described coupling circuit using a pulse-driven inductor pair. In general, a clock is required to synchronize a transmission signal and a reception signal, and a clock recovery circuit such as a nonlinear extraction circuit or a PLL circuit is formed on the reception side for this purpose. Thus, the pulse signal group on the transmission side can be faithfully reproduced and output on the reception side with the time interval between the pulse signals without a clock and clock recovery circuit.
図4に示す本実施形態の非同期送受信回路では、送信及び受信のスパイラル・インダクタ3,7に関しては、上で説明したものを用いている。動作時の各節点電圧の波形を図5に示し、以下に本実施形態に係る信号伝達の方法を説明する。
In the asynchronous transmission / reception circuit of this embodiment shown in FIG. 4, the transmission and
まずNMOSFET21のゲート電極をパルス発生回路36から発生したパルス22によって駆動する。この駆動によってパルス電圧が送信側スパイラルインダクタ3に印加される。このパルス電圧のパルス幅Tは、T=1/(2f)であって、送信側及び受信側インダクタ3,7の自己共振周波数fに従って設定している。
First, the gate electrode of the
パルス電圧が印加されることにより、送信側スパイラル・インダクタ3は図3の右中の波形と同等の第1信号を発信し、それを受けた受信側インダクタ7の片側端子に中心電位0Vの振動波形23が励起される。
When the pulse voltage is applied, the transmission-
これを、コンデンサ24、抵抗25およびバイアス回路26によって所定電圧Vbn(ここでは0.4V)を加えてレベルシフトさせて、中心電位がVbnの振動波形信号(レベルシフト信号)27とする。そしてこのレベルシフト信号27をNMOSFET(第1スイッチング素子)28のゲート電極に与えてNMOSFET28を駆動する。
This is level-shifted by applying a predetermined voltage Vbn (here, 0.4 V) by the
NMOSFET28のドレイン電極は、ダイナミックに充放電される端子であり、駆動される時点では、Vddに充電されている。また、NMOSFET28を駆動させるための閾電圧はVbnである。従って、NMOSFET28のゲート電極にレベルシフト信号27が与えられVbnより大きな信号が加わることによってNMOSFET28が導通するため、NMOSFET28のドレイン電極は放電されて0V電位に遷移していく。
The drain electrode of the
この0Vへの遷移パルス(遷移信号)34が2つのインバータによって構成される遅延回路29によって、一定時間だけ遅延される。それから、この遅延された遷移信号(遅延遷移信号)31がPMOSFET30のゲート電極を駆動する。こうしてPMOSFET30が導通するため、再びNMOSFET28のドレイン電極はVddまで充電される。このステップは自己プリチャージステップということができる。この自己プリチャージによって、次の送信パルス22が送られてきたときに、NMOSFET28が再び遷移信号34を発することができる。一方、遅延遷移信号31はインバータにより反転されて受信信号32(第2信号)となる。
The transition pulse (transition signal) 34 to 0V is delayed by a predetermined time by a
以上のように、送信パルス22が、第2信号32として再生される。第2信号32は再生回路37に入力する。図5からわかるように、送信パルス22と同じ形状のパルス群が第2信号32として出力される。送信パルス22と第2信号32とはパルス形状も、パルス間の間隔も同じである。なお、送信パルス22と第2信号32との間の遅延時間は0.4nsである。
As described above, the
さらに本実施形態では、図4に示すNMOSFET(第3スイッチング素子)33が、符号間干渉を抑制するために受信した振動波形の減衰率が大きくなるように、受信信号を再生した後、受信インダクタ7を短絡することで保持している電磁エネルギーを開放する。つまり、受信信号32がNMOSFET33を駆動して受信インダクタ7を短絡させるので、受信インダクタ7に励起される振動波形23のうち、減衰しながらも振動して尾を引いていく部分を速やかに減衰させて消滅させる。これにより誤動作を防止する。
Furthermore, in the present embodiment, the NMOSFET (third switching element) 33 shown in FIG. 4 reproduces the received signal so that the attenuation rate of the received vibration waveform is increased in order to suppress intersymbol interference, and then receives the received inductor. 7 is short-circuited to release the retained electromagnetic energy. In other words, since the
また、図4のNMOSFET(第1スイッチング素子)28のリーク電流は、NMOSFET28のドレイン電極にあるダイナミック節点の電荷を徐々に放電して、ついには誤りパルスを出力してしまう。そこで、図6に示すリーク電流補償回路を設けてNMOSFET(第1スイッチング素子)28に接続している。
Further, the leakage current of the NMOSFET (first switching element) 28 in FIG. 4 gradually discharges the dynamic node charge on the drain electrode of the
図6に示すリーク電流補償回路では、それぞれ抵抗、コンデンサとして働くPMOSFET41、42が構成している低域通過フィルタによって、リーク電流と信号パルスとを区別している。このリーク電流補償回路の動作を以下に説明する。
In the leakage current compensation circuit shown in FIG. 6, the leakage current and the signal pulse are distinguished by low-pass filters formed by
NMOSFET44、45によって構成されるソースフォロアによってレベルシフトされた端子43の電圧がPMOSFET46のゲート電極に与えられる。NMOSFET(第1スイッチング素子)28のリーク電流による放電によって、NMOSFET(第1スイッチング素子)28のドレイン電極に接続されている端子43の電位が降下すると、それに伴いPMOSFET46のゲート電極の電位が降下するため、PMOSFET46のゲート−ソース間電圧が大きくなり、PMOSFET46のドレイン電流である補償電流が増加して、リーク電流による端子43の電圧降下を抑制する。一方、信号パルスによる端子43の電位の変化は、数100ps程度と高速であるため、PMOSFET41、42で構成される低域通過フィルタで遮断され、PMOSFET46のゲート電極の電位変化を生じさせず、補償電流によって信号パルスの検出動作が影響されることはない。
The voltage at the terminal 43 level-shifted by the source follower constituted by the NMOSFETs 44 and 45 is applied to the gate electrode of the
さらに、図4に示すパルス発生回路63および論理レベル再生回路37によってNRZ信号の伝送を可能にする。図7(a)にパルス発生回路および図7(b)に論理レベル再生回路のブロック図を示す。
Furthermore, transmission of the NRZ signal is enabled by the
図7(a)に示すパルス発生回路では、第1,第2および第3NAND回路51,52,53の出力が第4NAND回路54の入力となり、第4NAND回路54の出力がパルス発生回路の出力となっている。第1NAND回路51には送信側のNRZ信号と、このNRZ信号を3つのNOT回路で遅延させた信号とが入力している。3つのNOT回路で遅延させた信号は元のNRZ信号とはON/OFFが逆になっているので、第1NAND回路51はNRZ信号の立ち上がりの時のみ反転パルスを出力し、そのパルス幅は3つのNOT回路の遅延時間である。一方、第2NAND回路52には、元のNRZ信号を3つのNOT回路で遅延させた信号をさらに偶数のNOT回路からなる第1Delay回路55によって遅延させた信号S1と、この信号S1を3つのNOT回路で遅延させた信号S2とが入力している。信号S1は元のNRZ信号とはON/OFFが逆になっており、信号S2は元のNRZ信号とON/OFFが同じであるので、第2NAND回路52は、NRZ信号の立ち下がりの時のみ反転パルスを出力する。そして、第3NAND回路53には信号S1を1つのNOT回路で遅延させた信号S3と信号S3を3つのNOT回路で遅延させた信号S4とが入力している。従って、第3NAND回路53は第1NAND回路51と同様にNRZ信号の立ち上がりの時のみ反転パルスを出力し、この出力は第1NAND回路51の出力から第1Delay回路55および1つのNOT回路による遅延分の時間だけ遅れている。
In the pulse generation circuit shown in FIG. 7A, the outputs of the first, second, and
以上の3つのNAND回路51,52,53の出力が入力する第4NAND回路からは、NRZ信号の立ち上がりの時に2つの連続パルスが出力され、NRZ信号の立ち下がりの時に1つのパルスが出力される。2つの連続パルスのパルス間の離間時間は、第1Delay回路55および1つのNOT回路による遅延分の時間である。
From the fourth NAND circuit to which the outputs of the above three
次に、図7(b)に示す論理レベル再生回路では、第1及び第2RSフリップフロップ回路61,62と第2Delay回路63とにより、パルス発生回路が出力したパルスからNRZ信号を再生する。図7(b)の下側の第2RSフリップフロップ回路62は、自分自身の保持信号Q1によって第2Delay回路63により発生する一定時間の遅延の後にリセットされるように接続されているので、定常状態ではリセットされた状態である。この状態で受信信号32のパルスがVRXとして入力されると、このパルスによって第1RSフリップフロップ回路61がリセットされ、同時に第2RSフリップフロップ回路62がセットされる。それから一定時間の遅延の後、第2RSフリップフロップ回路62は保持信号Q1によってリセットされるが、このリセットまでの間にもう一つのパルスが入力されると第1RSフリップフロップ回路61はセットされる。即ち、一定時間内の連続パルスが入力される場合は第1RSフリップフロップ回路61はセットされるが、単独パルスの場合は第1RSフリップフロップ回路61はリセットされたままである。従って、この動作によってNRZ信号が再生されて出力される。
Next, in the logic level reproduction circuit shown in FIG. 7B, the first and second RS flip-
図8では以上説明したように、パルス発生回路は、入力されるNRZ信号の立上り時に連続するパルスを2つ発生する。この時連続するパルス間の間隔時間は、第2Delay回路63により発生する一定時間の遅延よりも短いことが必要である。但し、この間隔が1/fよりも小さくなると2つのパルスが一つに重なってしまうので、パルス間は1/f以上離れていることが必要である。一方、立下り時にはパルスを1つだけ発生する。また、論理レベル再生回路は、先のパルス駆動のインダクタ対による結合回路を通して送られてきたパルスから、2つのパルスが連続する場合は、出力の論理レベルをHighにして、1つのパルスだけが送られる場合には出力の論理レベルをLowにする。このような出力の論理レベルにより入力されたものと同形のNRZ信号を出力することができる。
As described above with reference to FIG. 8, the pulse generation circuit generates two continuous pulses when the input NRZ signal rises. At this time, the interval time between successive pulses needs to be shorter than the fixed time delay generated by the
本実施形態においては、貫通ビアのような高精度のチップ間位置合わせが不要であり、チップ形成のためのコストを低くすることができる。また、貫通ビアを用いたチップ間接続に比べてチップ間の間隔を大きく設定できるので、電子回路から発生する熱を容易に放出させることができる。そして、インダクタ素子間の共振特性を利用して信号伝達を行っているので、送信電力を低く抑えることができる。さらに、クロックを用いない非同期受信回路としているので、機能的には方向制御付きバッファと考えることができ、半導体チップ上の電子回路の論理設計時に論理ブロックとして容易に利用することができる。 In the present embodiment, high-accuracy chip-to-chip alignment such as through vias is not required, and the cost for chip formation can be reduced. In addition, since the distance between chips can be set larger than the connection between chips using through vias, heat generated from the electronic circuit can be easily released. And since signal transmission is performed using the resonance characteristic between inductor elements, transmission power can be suppressed low. Furthermore, since the asynchronous receiving circuit does not use a clock, it can be considered functionally as a buffer with direction control, and can be easily used as a logic block at the time of logic design of an electronic circuit on a semiconductor chip.
(実施形態2)
実施形態2は図9に示す回路で表される信号伝達装置である。本実施形態では、図4の送信部および受信部の回路を融合し、接続するインダクタも1つとし、さらに、図9に示すようにスイッチとして働くPMOSFET50を追加することで、1つの回路を送信または受信に切り替えて使用できるトランシーバを容易に構成している。さらに説明すると、PMOSFET50のゲート電極にLowの信号を与えてPMOSFET50をONし、パルス発生回路(Pulse Generator)をONにして、バイアス回路にLowの信号を与えることでNMOSFETのM3をOFFすることによりこの回路は送信回路となる。逆に、PMOSFET50をOFFし、パルス発生回路(Pulse Generator)にHighの信号を与えてNMOSFETのM1をONにし、バイアス回路にHighの信号を与えることでNMOSFETのM3を駆動させることによりこの回路は受信回路となる。
(Embodiment 2)
The second embodiment is a signal transmission device represented by the circuit shown in FIG. In the present embodiment, the transmitter and receiver circuits of FIG. 4 are merged, one inductor is connected, and a
この場合、図10に示すように、パルス発生回路、論理レベル再生回路を含むパルス駆動のインダクタ対による結合回路は、機能的には、方向制御付きバッファと考えることができ、論理設計時に機能ブロックとして容易に利用することができる。 In this case, as shown in FIG. 10, the coupling circuit by the pulse-driven inductor pair including the pulse generation circuit and the logic level reproduction circuit can be considered as a buffer with direction control functionally. Can be used easily.
このようなトランシーバの構成にすることにより、インダクタの数を半分に減らすことができ、送受信用の回路素子も減らすことができるので、装置全体を小型にでき、製造コストを下げることができる。 By adopting such a transceiver structure, the number of inductors can be reduced to half and the number of circuit elements for transmission and reception can be reduced, so that the entire apparatus can be reduced in size and the manufacturing cost can be reduced.
(実施形態3)
実施形態3では、送信側および受信側インダクタを厚み0.18μm、配線幅20μm、配線間隔1.5μm、巻数2、層数4、一辺200μmの正方形とし、2つのインダクタ間は100μm厚のシリコンチップにより隔てた。それ以外は実施形態2と同じである。
(Embodiment 3)
In the third embodiment, the transmitting and receiving inductors are 0.18 μm thick, the wiring width is 20 μm, the wiring spacing is 1.5 μm, the number of turns is 2, the number of layers is 4, and the square is 200 μm on each side. Separated by The rest is the same as in the second embodiment.
本実施形態の信号伝達装置を搭載したマルチチップモジュールで1.0Gbpsのデータレートにより信号伝達テストを行ったところ、0.95mW/1.0Gbps/chの性能を有していることがわかった。 When a signal transmission test was performed at a data rate of 1.0 Gbps with a multichip module equipped with the signal transmission device of this embodiment, it was found that the device had a performance of 0.95 mW / 1.0 Gbps / ch.
(その他の実施形態)
上述の実施形態は本発明の例示であって、本発明はこれらの例に限定されない。
(Other embodiments)
The above-described embodiments are examples of the present invention, and the present invention is not limited to these examples.
送信回路、受信回路、トランシーバ回路、リーク電流補償回路、パルス発生回路、論理レベル再生回路などは、上述の回路構成とは異なる回路構成であっても構わない。 The transmission circuit, the reception circuit, the transceiver circuit, the leakage current compensation circuit, the pulse generation circuit, the logic level reproduction circuit, and the like may have a circuit configuration different from the above-described circuit configuration.
NRZ信号の伝送においては、入力NRZ信号の立ち上がり時に連続するパルス2つを、立ち下がり時に単独パルスを発生する構成に限定されない。立ち上がり時に単独パルスを、立ち下がり時に連続する2つのパルスを発生してもよいし、3つ以上のパルスを発生させても構わない。 The transmission of the NRZ signal is not limited to a configuration in which two continuous pulses are generated when the input NRZ signal rises and a single pulse is generated when the input NRZ signal falls. A single pulse may be generated at the rising edge, and two continuous pulses may be generated at the falling edge, or three or more pulses may be generated.
積層する半導体チップは3枚以上であっても構わない。この場合、例えばX、Y、Zの3枚の半導体チップがあるとすると、XY間の信号伝達に用いられるインダクタαとYZ間の信号伝達に用いられるインダクタβとXZ間の信号伝達に用いられるインダクタγとのインダクタンスをそれぞれ異なるように設定しておけば、それぞれの信号伝達間での混信が生じることなく確実に信号伝達を行える。この場合、一つの半導体チップの上に3種類の異なるインダクタンスを有するインダクタα、β、γが形成される。 Three or more semiconductor chips may be stacked. In this case, for example, if there are three semiconductor chips of X, Y, and Z, they are used for signal transmission between the inductors β and XZ used for signal transmission between the inductor α and YZ used for signal transmission between XY. If the inductance with the inductor γ is set to be different from each other, signal transmission can be reliably performed without causing interference between the respective signal transmissions. In this case, inductors α, β and γ having three different inductances are formed on one semiconductor chip.
上記実施形態の信号伝達装置は、複数の半導体チップが積層されて一つのパッケージとして纏められたマルチチップモジュールに用いられることが好ましい。一つのパッケージ内の異なる半導体チップ間の信号の伝達に上記の実施形態の信号伝達方法が用いられることが好ましい。 The signal transmission device of the above embodiment is preferably used for a multi-chip module in which a plurality of semiconductor chips are stacked and collected as one package. It is preferable that the signal transmission method of the above embodiment is used for signal transmission between different semiconductor chips in one package.
以上説明したように、本発明に係る信号伝達方法は、クロックを必要としない非同期送受信の方法であるので、MCMにおけるチップ間信号伝達等に用いることができて有用である。 As described above, since the signal transmission method according to the present invention is an asynchronous transmission / reception method that does not require a clock, it can be used for signal transmission between chips in the MCM and the like.
1 上段のICチップ上に形成されたスパイラル・インダクタ
2 下段のICチップ上に形成されたスパイラル・インダクタ
3 送信側インダクタ(第1インダクタ素子)
4 パルス駆動のためのトランジスタ(スイッチング素子)
5 送信側インダクタに流れる電流
6 受信側インダクタの出力電圧
7 受信側インダクタ(第2インダクタ素子)
11 駆動パルスの波形
12 送信側インダクタに流れる電流の波形
13 受信側インダクタの出力電圧の波形
14 駆動パルス11の立上りが励起する減衰振動
15 駆動パルス11の立下りが励起する減衰振動
16 パルス幅の狭い駆動パルス(パルス電圧)
17 重ね合わされた振動波形
21 パルス駆動のためのトランジスタ(スイッチング素子)
22 駆動パルスの波形
23 受信側インダクタに励起される振動波形
24 レベルシフトのためのコンデンサ
25 レベルシフトのための抵抗
26 バイアス回路
27 レベルシフトされた振動波形
28 受信した振動波形の検出用トランジスタ
29 遅延回路を構成する2つのインバータ
30 プリチャージを実行するトランジスタ
31 プリチャージを起動するパルス
32 再生されたパルス波形
33 符号間干渉を抑制するためのトランジスタ
36 パルス発生回路
37 論理レベル再生回路
41 抵抗として動作するトランジスタ
42 コンデンサとして動作するトランジスタ
43 補償回路の入出力端子
44 ソースフォロアのドライバ
45 ソースフォロアの負荷トランジスタ
46 補償電流を生成するトランジスタ
50 トランシーバの送受信を切り替えるスイッチ
DESCRIPTION OF
4 Transistors for pulse drive (switching elements)
5 Current flowing in the transmission-
11 Waveform of
17
22
Claims (8)
パルス電圧を第1インダクタ素子に印加するステップと、
前記第1インダクタ素子が第1信号を発信するステップと、
前記第2インダクタ素子が前記第1信号を受信して電磁誘導により受信信号を出力するステップと、
前記受信信号に所定の電圧を加えてレベルシフト信号とするステップと、
前記レベルシフト信号により、前記所定の電圧を閾電圧とする第1スイッチング素子を駆動するステップと、
前記第1スイッチング素子の駆動により当該第1スイッチング素子に充電されていた電荷が放出されて電位が0Vへ遷移する遷移信号を前記第2信号として出力するステップと
を含む、信号伝達方法。 A signal transmission method in which the second inductor element receives the first signal transmitted from the first inductor element and outputs the first signal as a second signal,
Applying a pulse voltage to the first inductor element;
The first inductor element transmitting a first signal;
The second inductor element receives the first signal and outputs a received signal by electromagnetic induction;
Adding a predetermined voltage to the received signal to obtain a level shift signal;
Driving the first switching element having the predetermined voltage as a threshold voltage by the level shift signal;
Outputting a transition signal in which the electric charge charged in the first switching element is released by driving the first switching element and the potential transitions to 0 V is output as the second signal.
さらに、
前記所定時間遅延させた遷移信号により第2スイッチング素子を駆動するステップと、
前記第2スイッチング素子の駆動により、前記第1スイッチング素子への充電を行うステップと
含む、請求項1から3の何れか一つに記載の信号伝達方法。 The output step includes a sub-step of delaying the transition signal for a predetermined time,
further,
Driving the second switching element with the transition signal delayed for the predetermined time;
The signal transmission method according to claim 1, further comprising: charging the first switching element by driving the second switching element.
前記リーク電流補償回路は、前記第1スイッチング素子において当該第1スイッチング素子の非駆動時のリークにより電圧が低下することを防止する、請求項1から5の何れか一つに記載の信号伝達方法。 A leakage current compensation circuit is connected to the first switching element,
6. The signal transmission method according to claim 1, wherein the leakage current compensation circuit prevents a voltage from being lowered in the first switching element due to leakage when the first switching element is not driven. 6. .
前記パルス電圧印加ステップの前に、前記第1NRZ信号の立ち上がり信号を受けた時は第1のパルス電圧を発生させ、立ち下がり信号を受けたときは第2のパルス電圧を発生させるステップと、
前記第1のパルス電圧に対応する前記第2信号が出力されたときは0以外の所定電圧の出力に変換し、前記第2のパルス電圧に対応する前記第2信号が出力されたときは出力を0に変換して前記第2NRZ信号を出力するステップと
をさらに含む、信号伝達方法。 The input first NRZ signal is converted into a pulse signal and transmitted by the first inductor element, and the second signal received and output by the second inductor element is converted into a second NRZ signal and output. 6. The signal transmission method according to any one of 6,
Generating a first pulse voltage when receiving the rising signal of the first NRZ signal and generating a second pulse voltage when receiving the falling signal before the pulse voltage applying step;
When the second signal corresponding to the first pulse voltage is output, it is converted to an output of a predetermined voltage other than 0, and when the second signal corresponding to the second pulse voltage is output, it is output. Converting the signal to 0 and outputting the second NRZ signal.
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