JP2008535328A - オフチップ高速通信のための電流モードインターフェイス - Google Patents

Abstract

２つの集積回路（ＩＣまたは“チップ”）の間でデータを転送するためのトランシーバインターフェイスは、従来の電圧モード差動シグナリング技術ではなく、電流モード技術を利用する。送信チップ上のドライバによって送られることになる（ロジック“０”または“１”のような）信号値に基づいて２つの送信ワイヤのうちの１つに電流パルスが注入される。受信チップ中の受信ブロックにおいて、差動電流信号として電流パルスが受け取られる。差動電流信号は電流比較器によって低振幅差動電圧信号に変換される。適切な信号値を出力する演算増幅受信機によって差動電圧信号を検出してもよい。
【選択図】 図１

Description

関連出願への相互参照

本出願は、「オフチップ高速通信のための電流モードインターフェイス」と題され、２００５年３月２３日に出願された、米国仮特許出願シリアル番号第６０／６６４，９１６号に対して優先権を主張する。

発明の背景

さまざまな応用は通信するために２つ以上の集積回路（ＩＣ）または“チップ”を要求する。チップ−対−チップデータ転送に対する従来の技術は、ＳＳＴＬ（スタブ直列終端ロジック）、ＬＶＤＳ（低電圧差動シグナリング）、ＬＶＰＥＣＬ（低電圧正エミッタ結合ロジック）、ＣＭＬ（電流モードロジック）および他の差動技術を含む。非常に高速な、および、高スループットな応用に対して、ＬＶＤＳのような低振幅差動シグナリング方式は、より少ない電力を消費し、より少ない電磁波干渉（ＥＭＩ）を生成させ、そしてそれらの差動信号特性のために良いノイズ耐性を示すという点で、ＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）レール−対−レールシグナリングに比して、利点を有している。

ＬＶＤＳチップ−対−チップインターフェイスは、情報をシグナリングするために２つの送信ワイヤの間の電圧の差を使用する。例えばロジック“１”またはロジック“０”のような、送られることになるロジックレベルに依拠して、一方のチップ上の送信機は、一方または他方のワイヤに小電流を注入する。（送信ワイヤの特性インピーダンスに整合された）約１００オームの受信端において、抵抗器を通して電流が流れ、次に他方のワイヤを通して電流が反対方向に戻る。他方のチップ上の受信機が、この電圧の極性を検知してロジックレベルを決定する。２つのワイヤ間の信号の小振幅と、電界および磁界の密結合は、放射電磁波ノイズの量を減少させる。

上で述べたＬＶＤＳと他の差動技術は、電圧モード技術であり、電圧モード技術では、ロジック“１”とロジック“０”の間を区別するために、受信機端において送信電流が電圧に変換される。チップ環境におけるノイズは、おおむね電圧ノイズであり、この結果として、これらの変換された電圧信号は、ノイズ結合を受けやすい。また、高周波数の影響は受信機端における電圧レベルを減衰させ、この電圧レベルは、要求される最小電圧振幅に対するボトムラインを提示している。加えて、電流−対−電圧変換が行われるポイントは、ケーブル負荷、ピンキャパシタンス、ボンドパッド、静電気放電（ＥＳＤ）ダイオード等により寄与される、かなりのキャパシタンスを経験する。この結果として、高速シグナリングスリューレート（Ｉ／Ｃ）は、電流を増加させることによってのみ維持することができ、これは電力消費を増加させる。

実施形態の詳細な説明

図１は、実施形態にしたがった、電流モードトランシーバインターフェイス１００を示す。インターフェイスは、送信チップに含まれるドライバ１０２、受信チップに含まれる受信ブロック１０４、二重送信ライン１０５、１０６を含む。各チップは、チップ間の二方向データ転送のためにドライバと受信機ブロックの両方を含んでいてもよい。また、チップ間でパラレルにデータを転送するために複数のインターフェイスを使用してもよい。

ドライバ１０２は送信のために入力データパターン１０８を受け取る。２つの送信ライン１０５、１０６を通して、電流モード差動シグナリングを使用する。例えば、（ロジック“１”に対応している）ＨＩＧＨ電圧信号１５０、または、（ロジック“０”に対応している）ＬＯＷ電圧信号のような、入力データ１０８の電圧レベルに基づいて、電流源１１０により提供される電流パルスが、送信ラインのうちの１つを通して送られる。スイッチ１１１、１１２は、電流パルスが送られる送信ライン１０５または１０６をそれぞれ制御する。１つの実施形態では、各スイッチ１１１、１１２は、ＬＯＷ電圧信号に応答して閉じられてもよく、ＨＩＧＨ電圧信号に応答して開けられてもよく、スイッチ１１１に対する入力はインバータ１１４によって反転されている。したがって、入力データ１０８におけるＨＩＧＨ電圧信号１５０（ロジック“１”）に対しては、スイッチ１１１が閉じられ、スイッチ１１２が開けられて、電流パルスが送信ライン１０５を通して流れることができるようにし、そして、入力データパターン１０８におけるＬＯＷ電圧信号１５１（ロジック“０”）に対しては、スイッチ１１２が閉じられ、スイッチ１１１が開けられて、電流パルスが送信ライン１０６を通して流れることができるようにする。

送信ライン１０５、１０６は、５０オームの特性インピーダンスをそれぞれ持っていてもよく、これは、ほとんどの低コスト送信メディアに対して共通のインピーダンス値である。両方の送信ラインは、受信端において抵抗器１１６によって終端されている。抵抗器１１６は、適切な受信機終端を提供するために選択される、例えば１００オームのような値を有する。抵抗器１１６および電流ミラーデバイス１２０、１２１は、受信端インピーダンスを決定する。

受信ブロック１０４では、どの送信ラインを通して電流が送られたかを決定するために電流比較器１１８、１１９を使用してもよい。各電流比較器１１８、１１９は、電流ミラー１２０、１２１、および、基準電流Ｉ_ref源１２２、１２３を含んでいてもよく、これは１ｍＡより少なくてもよい。このタイプの電流比較器において、入力ノード１２６または１２７における入力電流Ｉ_signalが、基準電流Ｉ_refよりも大きいとき、出力ノード１２８、１２９それぞれにおける電圧はＬＯＷに降下する。そうでなければ、ノードはＨＩＧＨのままである。

電流パルスが送信ライン１０５または１０６のうちの１つを通して送られるとき、２つの電流ミラー１２０、１２１は、それらにおいて異なる電流Ｉ_{signal A}１３０、Ｉ_{signal B}１３１をそれぞれ持つ。これらの差動電流は（必要である場合）いくらかの利得Ｋでミラーされ、これらのミラーされた電流、Ｋ＊Ｉ_{signal A}およびＫ＊Ｉ_{signal B}は、対応している電流源１２２、１２３を通して供給される基準電流Ｉ_ref１２４に対して比較される。これは電流比較器１１８、１１９の出力ノード１２８、１２９において、差動電圧ＤＡＴＡ＋およびＤＡＴＡ−を生成する。カスコード演算増幅受信機１３０は、次に、差動電圧を検知して、レール−対−レール単一端の出力電圧、ＤＡＴＡＯＵＴ１３２を生成する。

図２はインターフェイス１００の例示的な実施形態の概念図であり、ここではスイッチ１１１、１１２がＰＭＯＳトランジスタであり、電流ミラー１２０、１２１はダイオード構成されたＮＭＯＳ電流ミラーであり、そして、基準電流源１１０、１２２、１２３は、バイアス発生器回路から得られる。図２で示したインターフェイス１００の動作を図示するために、例示的なデータ送信を説明する。ドライバにおける入力データ１０８が、ＨＩＧＨ１５０に遷移するとき、ＨＩＧＨ電圧信号は、スイッチ１１２を開かせ、インバータ１１４によりＬＯＷ電圧信号へと反転され、ＭＯＳスイッチ１１１を閉じさせる。電流源１１０からの電流パルスが、送信ライン１０５を通して送られる。送られた電流のほとんどが、Ｉ_{signal A}１３０として電流ミラー１２０に対する入力となる。少量の電流が、抵抗器１１６を通過して、Ｉ_{signal B}１３１として他の電流ミラー１２１に入る。しかしながら、ドライバにおける開スイッチ１１２は、抵抗器１１６を横切る何らかの電流が他の送信ライン１０６を通過することを防ぐ。これは、戻り電流パスを含む、すなわち、電流が非送信ラインを通して戻される、例えば、ＬＶＤＳのような他の差動技術とは異なる。

（このケースでは送信ライン１０５である）送信ラインのＫ＊Ｉ_signalを下回り、（このケースでは送信ライン１０６である）非送信ラインのＫ＊Ｉ_signalを上回るように基準電流源１２２、１２３から基準電流Ｉ_ref１２４が選択される。電流比較器１１８では、Ｋ＊Ｉ_signal＞Ｉ_refは、ノード１２８（ＤＡＴＡ＋）をＬＯＷに降下させる。電流比較器１１９では、Ｋ＊Ｉ_signal＜Ｉ_refは、ノード１２９（ＤＡＴＡ−）をＨＩＧＨに遷移させる。カスコード演算増幅受信機１３０は、２つの電圧の間の差を感知して、ＬＯＷ電圧信号を出力し、これは入力データ１０８におけるＬＯＷ値を反映する。

図３Ａ−Ｃは、１つの実施形態にしたがった、電流モードトランシーバインターフェイスの動作のシミュレーションの結果を示しているパイロットである。図３Ａは、ドライバにおける入力データパターン３００を示し、これは図３Ｂに示したように、受信ブロックにおいて出力データ３０２によって正確に複製される。図３Ｃは、受信ブロック中の電流比較器の出力ノード（ＤＡＴＡ＋ １２８、ＤＡＴＡ− １２９）における、対応している電圧３０４、３０６を示す。このシミュレーションでは、ＤＡＴＡ＋ １２８、ＤＡＴＡ− １２９との間の差振幅は２１ｍＶである。しかしながら、この振幅はＩ_refに対してより高い値を選ぶことによって、より高くすることができる。ノード１２６および１２７における差振幅は、１０から１５ｍＶ程度に低くすることができ、これは、（例えば、２００ｍＶ以下のような）一般的な電圧モード技術よりもかなり低い。また、遠終端インピーダンスはゆるく規定することができ、ドライバにおける源終端は、送信ラインの適切な終端に対して使用することができる。

インターフェイス１００は真の電流モードシグナリングを使用し、これは非常に高いノイズ耐性を有する（一般的にチップ中のノイズのほとんどが電圧モードである）。また、電流−対−電圧変換が行われる受信ブロック１０４中のポイント、すなわち、ノード１２８および１２９は、（主にゲートキャパシタンスのような）非常に低いキャパシタンスを有し、これは同じ低い電流で、スリューレート（Ｉ／Ｃ）を改善するのを助ける。１つの実施形態では、インターフェイスは１ｍＡより少ない電流消費で、高データスループットを達成することができ、これは従来のＬＶＤＳ技術で使用される一般的な３．５ｍＡよりもかなり低い。他の利点は、電圧モード技術に比して２桁の大きさの電力節減、堅牢な設計を促進する高ノイズマージン、および、減少されたＥＭＩ注入を含む。

さまざまな応用において、電流モードインターフェイストランシーバを使用してもよい。例えば、図４は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）４０６に対するプロセッサ４０２と、ディスプレイ制御装置４０４との間でデータを通信するための電流モードトランシーバインターフェイスを含んでいる移動体電話機４００を示す（内部部品は破線で示した）。プロセッサ４０２上のドライバ４０８は、送信ライン４１２を通してディスプレイ制御装置４０４上の受信ブロック４１０にデータを送信する。上で説明したように、各チップは二方向データ転送のためにドライバおよび受信機ブロックの両方を含んでいてもよく、チップ間でデータをパラレルに転送するのに複数のインターフェイスを使用してもよい。

いくつかの実施形態を説明してきた。しかしながら、本発明の精神と範囲を逸脱することなく、さまざまな変更を行ってもよいことが理解されるだろう。したがって、他の実施形態は、添付の特許請求の範囲の範囲内にある。

図１は、１つの実施形態にしたがった、電流モードトランシーバインターフェイスのブロック図である。 図２は、図１の電流モードトランシーバインターフェイスの１つの実現の概念図である。 図３Ａは、図２の電流モードトランシーバインターフェイスを使用して実行されたシミュレーションの結果を示しているパイロットである。 図３Ｂは、図２の電流モードトランシーバインターフェイスを使用して実行されたシミュレーションの結果を示しているパイロットである。 図３Ｃは、図２の電流モードトランシーバインターフェイスを使用して実行されたシミュレーションの結果を示しているパイロットである。 図４は、１つの実施形態にしたがった、電流モードトランシーバインターフェイスを含んでいる移動体電話機を示す。

Claims (10)

1. 電流モードトランシーバインターフェイスにおいて、
   第１の集積回路と第２の集積回路との間に接続された一対の送信ラインと、
   前記送信ラインのそれぞれの第１の端に結合され、入力信号値に応答して、一方または他方の送信ラインへと電流信号を注入するように動作する、第１の集積回路上のドライバと、
   前記送信ラインのそれぞれの第２の端に結合された、前記第２の集積回路上の受信機と
   を具備し、
   前記受信機は、
   各電流比較器が、前記一対の送信ラインのうちの対応している一方に結合され、かつ、前記対応している送信ラインにおける電流信号を基準電流と比較して、前記対応している送信ラインを通して電流パルスが送られたかどうかを示す電圧信号を発生させるように動作する、一対の電流比較器と、
   前記電流比較器からの前記電圧信号を比較して、前記入力信号値に対応している信号を出力する電圧比較器と
   を備える電流モードトランシーバインターフェイス。
2. 前記ドライバが、
   電流源と、
   各スイッチが前記送信ラインのうちの一方に接続され、前記入力信号値に応答して開閉するように構成された、一対のスイッチと
   を備える、請求項１記載のインターフェイス。
3. 前記電流パルスが前記送信ラインのうちの一方に注入され、前記送信ラインの他方を通しての前記電流パルス用戻りパスがないように、所定の入力信号値に対して一方のスイッチだけが開かれる、請求項２記載のインターフェイス。
4. 前記受信機は、前記送信ラインの間に接続された終端抵抗器をさらに備える、請求項１記載のインターフェイス。
5. 前記電流パルスは１ｍＡより少ない、請求項１記載のインターフェイス。
6. 前記電流比較器により発生された前記電圧信号が、２０ｍＶより少ない差振幅を有する差電圧信号を構成する、請求項１記載のインターフェイス。
7. 第１の集積回路と第２の集積回路との間でデータを転送するための電流モードトランシーバインターフェイス中で使用する受信機において、
   各電流比較器が、前記第１の集積回路と第２の集積回路との間に接続された一対の送信ラインのうちの対応している一方に結合され、かつ、前記対応している送信ラインにおける電流信号を基準電流と比較して、前記第１の集積回路に結合されたドライバによって入力信号値に応答して、前記対応している送信ラインを通して電流パルスが送られたかどうかを示す電圧信号を発生させるように動作する、一対の電流比較器と、
   前記電流比較器からの前記電圧信号を比較して、前記入力信号値に対応している信号を出力する電圧比較器と
   を具備する受信機。
8. 前記送信ラインの間に接続された終端抵抗器をさらに具備する、請求項７記載の受信機。
9. 前記電流パルスは１ｍＡより少ない、請求項７記載の受信機。
10. 前記電流比較器により発生された電圧信号が、２０ｍＶより少ない差振幅を有する差電圧信号を構成する、請求項７記載の受信機。

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