JP2991918B2 - 半導体デバイス - Google Patents

半導体デバイス

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JP2991918B2
JP2991918B2 JP5341165A JP34116593A JP2991918B2 JP 2991918 B2 JP2991918 B2 JP 2991918B2 JP 5341165 A JP5341165 A JP 5341165A JP 34116593 A JP34116593 A JP 34116593A JP 2991918 B2 JP2991918 B2 JP 2991918B2
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    • H03K19/003Modifications for increasing the reliability for protection
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Description

【発明の詳細な説明】
【産業上の利用分野】この発明は集積回路に関し、特
に、平衡伝送ドライバ回路に関する。
【0002】
【従来の技術】電気接続の主要な性能の制約は、同時に
スイッチングする多数のドライバ回路を有する高速度で
高ピン出力の集積回路(以下、ICと言う)チップを相
互に結合するときに遭遇する誘導雑音である。多数のド
ライバ回路が同時に活性状態にあるときは、実質的な過
渡電流が接地配線系及び電源配線系のインダクタンスを
貫流して、ノイズ・スパイクが接地配線及び電源配線上
に出現するようになる。その結果生じた電源電圧レベル
及び接地電圧レベルの変動によって装置に誤動作スイッ
チングが引き起こされてデータ・エラー若しくはデータ
損失が随伴することが起こり得る。IEEEスペクトル
(IEEE Spectrum)誌の1992年10月号の52乃頁至
57頁に掲載されている論文「DRAM用の高速インタ
フェース(Fast interfaces for DRAMs)」には、DR
AMとプロセッサとの間のインタフェースの改善、特に
低い消費電力を持つことができる安価なインタフェース
に対する広く認識された要求が存在する。
【0003】接地配線上の誘導スイッチング・ノイズを
低減するための種々の技術が知られており、それらの技
術には平衡ICドライバ回路が使用されている。しか
し、従来の代表的な平衡ICドライバ回路は、相当する
非不平衡型のドライバ回路の電力の二倍の電力を消費す
る。これは明らかに重大な不利益である。上記の論文
「DRAM用の高速インタフェース」、及び、この分野
で経験されている問題点から理解できるように、極く僅
かな量の誘導雑音しか発生せず、且つ、極く僅かな量の
電力しか消費せずに回路を駆動する技術が長い間要望さ
れている。
【0004】最近、消費電力が低減された平衡伝送ドラ
イバ回路が1992年6月9日に出願された「誘導雑音
を除去するための平衡ドライバ回路(Balanced Driver
Circuit For Eliminating Inductive Noise)」なる標題
の米国特許出願第07/895767号にて開示されて
おり、この出願はここでの説明のための参照に供され
る。上記米国特許出願第07/895767号の平衡伝
送ドライバ回路は平衡伝送ドライバ回路の消費電力を不
平衡ドライバ回路の消費電力の水準にまで低減すること
ができるが、別にチップ外回路部品を必要とする欠点が
有る。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】従って、好ましくは別
にチップ外回路部品を必要とすること無く、なお一層の
低消費電力を持つことができる平衡伝送ドライバ回路を
利用し得るようにすることが切望されており、本発明は
そのような平衡伝送ドライバ回路を開示することを目的
とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、本質的
に誘導雑音を除去し、同時に消費電力を従来の平衡伝送
ドライバ回路或いは不平衡伝送ドライバ回路に匹敵する
量に顕著に低減する低電力の平衡ドライバ回路を有する
半導体デバイスが実現される。本発明の平衡伝送ドライ
バ回路は、ECL(emitter coupled logic;エミッタ
結合型論理回路)若しくはBiCMOS(bipolar comp
lementary metal-oxide semiconductor;バイポーラ相
補型金属酸化膜半導体)技術を使用しており、代表的に
はそれぞれ一対の信号伝送路に直列に接続された二個の
エミッタ・フォロワ出力段を有する。上記信号伝送路は
二個の終端抵抗によって終端されている。それら終端抵
抗間には−VTで表わされる電圧を持つ電圧源が接続さ
れ、且つ、ライン・レシーバがそれら終端抵抗と並列に
接続されている。
【0007】電圧VTの電圧レベルであるV1及びV2を
含む回路パラメータに、実質的に低減された消費電力を
得ることができる一方で、IC特性の品位低下を回避す
ることができる適切な範囲が有ることが見いだされた。
最初に、本発明によれば、低電力の平衡ドライバ回路を
使用して誘導雑音を低減するだけでなく、匹敵する不平
衡伝送ドライバ回路若しくは平衡伝送ドライバ回路に匹
敵する消費電力量に低減することが可能である。一般に
電圧源電圧VTは、ほぼ1.0乃至1.5Vの範囲の値
であり、その電圧振幅ΔVはほぼ0.125乃至0.3
75Vの範囲の値である。上記電圧V1の値は、終端抵
抗間に通常の2.0Vよりはむしろ上記ほぼ1.0乃至
1.5Vの範囲の電圧VTを印可することによって実現
される。V2 = V1 + VTで与えられる電圧レベルV2
の値は内部抵抗の値を変更するか、または内部電流源と
内部電圧源との双方かまたは一方を変更し、或いはそれ
らの変更を共に行なうことによって実現される。この構
成はまた、CMOS技術或いはGaAs技術で実行する
ことも可能である。本ドライバ回路はバス接続だけでな
く二点間相互結合を駆動するために使用することでき
る。
【0008】
【実施例】図面において、図1は終端された不平衡伝送
路を駆動するために使用される従来のドライバ回路の出
力部を示す概略図であり、不平衡伝送ドライバ回路1の
AC部分のみが図示されている。この不平衡伝送ドライ
バ回路1は、集積回路2上に配置されたエミッタ・フォ
ロワ出力段4、Zoで表わされるインピーダンスを持つ
不平衡伝送路6、RTで表わされる代表的には50Ωの
値を持つ終端抵抗10、及び、−VTで表わされる代表
的には−2Vの値を持つ電圧源8とから成っている。エ
ミッタ・フォロワ出力段4によって消費される電力より
低い不平衡伝送ドライバ回路1によって消費される集積
回路チップ上の平均電力はPOによって表わされる。不
平衡伝送ドライバ回路1に対する代表的なECL電圧振
幅ΔVはΔV = 0.0750Vであり、このとき上記
電圧レベルV1及びV2は、ほぼV1 = −0.955V
であり、V2 = −1.705Vである。
【0009】上記不平衡伝送ドライバ回路1に起因する
総合平均消費電力PUtは次式(1)で与えられる。 PUt = PU + Po (1) なお、式(1)中のPUはエミッタ・フォロワ出力段4
及び終端抵抗10での平均消費電力を表わし、次式
(2)で与えられる。 PU = (VT/2RT)[2VT − V2 − V1] (2) 総合平均消費電力PUtは上記集積回路チップ上の平均消
費電力Poの関数として、図4にプロットされている。
【0010】図2は終端された平衡伝送路を駆動するた
めに使用される従来の方法を示す概略図であり、平衡伝
送ドライバ回路30のAC部分のみが図示されている。
平衡伝送ドライバ回路30は、共にZBで表わされる平
衡インピーダンスを持つ平衡伝送路と呼ばれる一次側平
衡伝送路36と二次側平衡伝送路38との何れかに各々
が直列に接続されている二個のエミッタ・フォロワ出力
段32及び34とを有する。一次側平衡伝送路36及び
二次側平衡伝送路38は、代表的には50Ωの値を持つ
RTで表わされる抵抗値を持つ終端抵抗40及び42に
よって終端されている。代表的には−2Vの値の−VT
で表わされる電圧を持つ電圧源44が、上記終端抵抗4
0及び42の中間タップに接続されている。差動ライン
・レシーバ46は上記終端抵抗40及び42と並列に接
続されている。
【0011】一対の平衡伝送路36及び38は、集積回
路28上にそれぞれ配置されている上記エミッタ・フォ
ロワ出力段32及び34へ接続されており、その結果上
記二次側平衡伝送路38を流れる電流は上記一次側平衡
伝送路36を流れる電流と異符号で同一の大きさを持っ
ている。従って、上記共通接地配線48を通って戻る電
流は無視できる量である。この従来の平衡伝送ドライバ
回路30のエミッタ・フォロワ出力段32及び34の出
力端の電圧振幅及び両電圧レベルは、代表的には相当す
る従来の不平衡伝送ドライバ回路の電圧振幅及び両電圧
レベル、即ち、ΔV = 0.750V、−V1 = −
0.955V及び−V2 = −1.705Vの値であ
る。上記二個のエミッタ・フォロワ出力段32及び34
によって消費される電力よりも低い値の上記平衡伝送ド
ライバ回路30によって消費される集積回路チップ上の
平均電力もまた、上記集積回路チップ上の平均消費電力
Poに等しい値である。
【0012】平衡伝送ドライバ回路は基本的には二個の
平衡伝送ドライバ回路で構成されているので、上記従来
の平衡伝送ドライバ回路に起因する総合平均消費電力P
Btは次式(3)によって与えられる。 PBt = 2PU + Po (3) 式(3)は図4にプロットされており、図4は上記集積
回路チップ上の平均消費電力Po = 24mWに対し
て、総合平均消費電力PBt = 77.6mW、不平衡伝
送ドライバ回路の総合平均消費電力PUt = 50.8m
Wであることを示している。ここでは不平衡伝送ドライ
バ回路1及び30がECL技術で表わされているが、同
様に、同等なECL電圧レベルを持つCMOS技術、G
aAs技術及びBiCMOS技術を終端された伝送路を
駆動するために使用することが可能である。
【0014】本発明は、平衡伝送ドライバ回路の電圧振
幅ΔVと電圧レベルV1及びV2を、電圧VTに対して特
定電圧範囲で加減する集積回路チップ上の改良によって
低減する。最初、低電力の平衡伝送ドライバ回路50が
誘導雑音の量を低減し、且つ、匹敵する不平衡伝送ドラ
イバ回路或いは平衡伝送ドライバ回路に匹敵する消費電
力を維持する一方で、エミッタ・フォロワ出力段52及
び54の最小コレクタ電流を1mA以上に維持するよう
に適用される。ECL技術若しくはBiCMOS技術を
使用する本発明の低電力平衡伝送ドライバ回路50の代
表的な構成が図3に表わされている。この低電力平衡伝
送ドライバ回路50は、共にZBで表わされる平衡イン
ピーダンスを持つ平衡伝送路と呼ばれる一次側平衡伝送
路56と二次側平衡伝送路58との何れかに各々が直列
に接続されている二個のエミッタ・フォロワ出力段52
及び54を有する。
【0015】平衡伝送路56及び58は、代表的には5
0Ωの値を持つRTで表わされる終端抵抗60及び62
によって終端されている。ほぼ−1.0乃至−1.5V
の範囲の、−VTで表わされる電圧を持つ電圧源64
が、上記終端抵抗60及び62の中間タップに接続され
ている。差動ライン・レシーバ66は上記終端抵抗60
及び62と並列に接続されている。一対の平衡伝送路5
6及び58は、集積回路68上にそれぞれ配置されてい
る上記エミッタ・フォロワ出力段52及び54へ接続さ
れており、その結果上記二次側平衡伝送路58を流れる
電流は上記一次側平衡伝送路56を流れる電流と異符号
で同一の大きさを持っている。意外にも上記電圧振幅Δ
Vがほぼ0.125乃至0.375Vの範囲にあり、上
記電圧源64の電圧−VTがほぼ−1.0乃至−1.5
Vの範囲にあるとき、集積回路68上で適切な集積回路
チップ上の改良が為され、電圧レベルV1及びV2と、電
圧差δ = VT − V2とが得られ、それによって従来の
ドライバ回路と匹敵する顕著な消費電力の低減が得られ
る。更に、これら集積回路チップ上の改良及び消費電力
の低減には従来の差動ライン・レシーバ66に対する改
良は必要では無いことが特筆される。
【0016】一例として、平衡回路及び不平衡回路が同
一の回路パックを占拠し、且つ、その回路パックの経路
選択処理中に隔離されないとき、電圧VT及び電圧振幅
ΔVの値は、電圧VTがほぼ1.3乃至1.5Vの範囲
にあり、電圧振幅ΔVがほぼ0.375Vの値であり、
消費電力は図5に示されるようにほぼ13乃至26mW
の範囲にある。VT > 1.5Vでは、その消費電力
は、上記米国特許出願第07/895767号における
従来の不平衡伝送ドライバ回路若しくは平衡伝送ドライ
バ回路の総合消費電力である26.8mWよりも高くな
る。例えば、電圧VTが2Vの値であるときは、図5か
ら分かるように実質的に68.6mWに増加する。VT
< 1.3Vでは、Ic = δ/RTで与えられる上記最
小コレクタ電流の値がカットオフ状態に極めて近くな
り、回路の特性を劣化させ始める。上記電圧振幅ΔVは
0.375Vの値であることが望ましく、その結果低電
力平衡伝送ドライバ回路(図3)上に伝播される電圧振
幅は、2ΔV = 0.750Vになり、不平衡伝送ドラ
イバ回路(図1)上に伝播されていた代表的なECL電
圧振幅と等しくなる。このことは、平衡回路と不平衡回
路との双方が同一の回路パックを占拠するときのクロス
・トーク問題に重要である。ほぼ1.3乃至1.5Vの
値の電圧VTを上記終端抵抗60及び62の中間タップ
へ印可することによって電圧レベルV1は自動的に実現
され、この電圧レベルV1を知ることによってV2 = V
1 + ΔVの関係から電圧レベルV2を定めることが可能
になる。電圧レベルV2の適当な値は一例として以下に
述べるように、集積回路チップ68の内部回路に対する
集積回路チップ上の改良を通じて達成される。
【0017】消費電力の更なる低減は、上記平衡信号振
幅を2ΔV = 0.75V以下に低減することによって
得られる。このことは、上記平衡相互結合及び不平衡相
互結合が回路パックの経路選択の間に隔離されるときに
特に重要である。図5は電圧振幅ΔVが0.125乃至
0.375Vの適当な範囲にあるときの消費電力の低減
を示している。更にまた、上記最小コレクタ電流Icは
1mA以上である。
【0018】電圧VT、電圧振幅ΔV、電圧レベルV1及
びV2に対する適当な値は不平衡伝送ドライバ回路によ
って消費される電力に関連して定められた。発明者は本
発明の低電力平衡伝送ドライバ回路50に起因する総合
平均消費電力P'Btが次式(4)によって与えられるこ
とを見いだした。 P'Bt = 2PU|VT,δ + Po (4) なお、平均消費電力PUは次式(5)で与えられる。 PU = (VT/2RT)[2VT − V2 − V1] = (VT/2RT)[2δ + ΔV] (5) 式(5)から、所定のRT及びΔVに関して電圧VT及び
電圧差δの両方をできる限り多く低減することが有益で
あり、満足なコレクタ電流レベルが維持される要件と両
立することが分かる。
【0019】ECL技術に関しては、実験により一例と
して電圧振幅ΔV、電圧VT、電圧レベルV1に対する適
切な値がそれぞれ0.375V、1.3V及び0.86
3Vであることが確認された。従って、V2 = V1 +
ΔV = 1.238Vとなり、δ = VT − V2 =
0.062Vとなる。電圧レベルV1の値は、図1の従
来の不平衡伝送ドライバ回路1及び図2の従来の平衡伝
送ドライバ回路30に対する通常の2.0Vではなくむ
しろ、1.3Vの電圧VTを印可することによって実現
される。これは電圧レベルV1の状態のときのコレクタ
・エミッタ接合の基本ダイオード動作の結果である。電
圧レベルV2の値1.238Vは、ECLドライバ回路
を用いて内部抵抗の値を変更することと上記基本ECL
ドライバ回路に関連する内部電流源の大きさを変更する
こととの双方または一方を包含する集積回路チップ上の
改良によって実現される。これについてはナショナル・
セミコンダクタ社の「F100K ECL Logic Databook & Des
ign Guide」、1990年版、第7節、第1章を参照す
ることができ、ここでの説明のための参照に供される。
【0020】同様に類似な集積回路チップ上の改良がB
iCMOSドライバ回路、GaAsドライバ回路及びC
MOSドライバ回路に適用される。式(4)において特
定の値の電圧VT及び電圧差δを使用することにより、
総合平均消費電力PBtを計算することができ、この総合
平均消費電力PBtが総合平均消費電力PUt及び総合平均
消費電力PBtと共に図4に示されている。同様に、上記
集積回路チップ上の平均消費電力Po = 24mWのと
きのそれらの量の幾つかの特定な場合が表1に示されて
いる。
【表1】
【0021】従って、本低電力平衡伝送ドライバ回路5
0は従来の平衡伝送ドライバ回路30よりも約50%低
い電力を消費し、従来の不平衡伝送ドライバ回路1より
も約25%低い電力を消費する。
【0022】同様な方法を、温度、電圧、材料及び製作
等の変更を検討する際において、電圧VT、電圧レベル
V2及びV1及び電圧差δの値を定めるために適用するこ
とができる。更に、先ず、電圧振幅ΔVに対する適切な
値が0.125乃至0.375Vの適当な範囲内で選ば
れ、電圧VTが1.0乃至1.5の適当な範囲内で選ば
れ、電圧レベルV1が選ばれる。それにより、V2 = V
1 + ΔV、及び、δ= VT − V2を定めることができ
る。最後に、式(4)及び(5)を用いて平均消費電力
を算出することができる。
【0023】ドライバ回路によって消費電力が顕著に低
減される利益は、同様にバス接続中でも容易に見いだす
ことができる。バス接続に関しては、何れか一つの活性
状態にあるドライバ回路がディジタル・ビット・ストリ
ームを多数のドライバ回路へ送出することができる。こ
のバスは平衡型であっても不平衡型であってもよい。こ
の一斉送出機能を達成するために、上記ドライバ回路に
は通常、制御信号が与えられ、その結果この制御信号が
よって各ドライバ回路が三状態、即ち電圧レベルV1及
びV2及びOFF状態(そのバス上に電気的な負荷が無
い状態)を持つことが可能になる。作用に関しては、単
に一個のドライバ回路のみが活性状態であり、他のドラ
イバ回路はOFF状態である。そ活性状態のバス・ドラ
イバは、図1、図2及び図3に示されている相当する各
二点間相互結合の負荷インピーダンスの二分の一の負荷
インピーダンスを駆動しなければならない。この負荷を
付加することによって、代表的には上記エミッタ・フォ
ロワ出力段及び負荷抵抗での消費電力が倍増することに
なる。このようにして、バス接続を駆動するために低電
力平衡伝送ドライバ回路50を使用する利益が更に増大
する。
【0024】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の低電力の
平衡伝送ドライバ回路は、ECL技術、BiCMOS技
術、GaAs技術及びCMOS技術を用いて実行するこ
とができ、関連する差動ライン・レシーバには何ら改良
は必要とはされない。こうして、消費電力が顕著に低減
されると共に、平衡相互結合の顕著な利益、即ちクロス
トークが低減され、雑音余裕度が増加し、更に基底雑音
が除去される利益が実現される効果が得られる。なお、
消費電力のこの低減は二点間相互結合に適用されるだけ
でなく、バス接続へも適用される効果が有る。尚、特許
請求の範囲に記載した参照番号は、発明の容易なる理解
の為のもので、その権利解釈に影響を与えるものではな
いと理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の不平衡伝送ドライバ回路を示す図であ
る。
【図2】従来の平衡伝送ドライバ回路を示す図である。
【図3】オン・チップ・ドライバ回路に対してECL若
しくは等価なCMOS論理回路を使用する本発明による
低電力平衡伝送ドライバ回路を示す図である。
【図4】本発明による低電力平衡伝送ドライバ回路と、
匹敵する従来の平衡伝送ドライバ回路及び不平衡ドライ
バ回路との、総合消費電力の比較を示す図である。
【図5】本発明による低電力平衡伝送ドライバ回路の総
合消費電力を示す図である。
【符号の説明】
1 不平衡伝送ドライバ回路 2 集積回路 4 エミッタ・フォロワ出力段 6 不平衡伝送路 8 電圧源 10 終端抵抗 28 集積回路 30 平衡伝送ドライバ回路 32 エミッタ・フォロワ出力段 34 エミッタ・フォロワ出力段 36 一次側平衡伝送路 38 二次側平衡伝送路 40 終端抵抗 42 終端抵抗 44 電圧源 46 差動ライン・レシーバ 48 共通接地配線 50 低電力平衡伝送ドライバ回路 52 エミッタ・フォロワ出力段 54 エミッタ・フォロワ出力段 56 一次側平衡伝送路 58 二次側平衡伝送路 60 終端抵抗 62 終端抵抗 64 電圧源 66 差動ライン・レシーバ 68 集積回路チップ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H04L 25/02 H03K 19/003 H03K 19/018

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 各々が出力端子を有する一次側及び二次
    側トランジスタ出力段(52,54)と、 それぞれ前記一次側及び二次側トランジスタ出力段と直
    列に接続され、各々が出力端を有する一次側及び二次側
    伝送路(56,58)と、 前記一次側及び二次側伝送路の出力端の間に直列に接続
    された一次側及び二次側終端抵抗(60,62)と、 前記一次側及び二次側終端抵抗の間に接続された、電圧
    VTを持つ電圧源(64)と、 前記一次側及び二次側伝送路の出力端の間に接続された
    ライン・レシーバ(66)と、 を有する集積回路の電気信号出力引き出し線を駆動する
    ための回路を有する半導体デバイスにおいて、 前記電圧源が、ほぼ1.0から1.5Vの範囲内の電圧
    VTを有し、 前記ドライバ回路が、ΔV = V2 − V1で与えられる
    ほぼ0.125から0.375Vの範囲の値の電圧振幅
    ΔVを有する、 ことを特徴とする半導体デバイス。
  2. 【請求項2】 電圧レベルV1の値が、前記ドライバ回
    路へ前記電圧VTが印可されることによって実現される
    ことを特徴とする請求項1に記載の半導体デバイス。
  3. 【請求項3】 電圧レベルV2の値が、前記集積回路内
    の抵抗の値によって実現されることを特徴とする請求項
    1に記載の半導体デバイス。
  4. 【請求項4】 電圧レベルV2の値が、前記集積回路内
    の電流源の値によって実現されることを特徴とする請求
    項1に記載の半導体デバイス。
  5. 【請求項5】 電圧レベルV2の値が、前記集積回路内
    の電流源及び抵抗の値によって実現されることを特徴と
    する請求項1に記載の半導体デバイス。
  6. 【請求項6】 前記集積回路が、エミッタ結合型論理回
    路を用いて実行されることを特徴とする請求項1に記載
    の半導体デバイス。
  7. 【請求項7】 誘導雑音を低減するとともに相当する従
    来の平衡伝送ドライバ回路あるいは不平衡伝送ドライバ
    回路よりも電力消費の少ない集積回路の電気信号出力引
    き出し線を駆動する方法において、 前記電気信号出力引き出し線は、一次側終端抵抗および
    二次側終端抵抗に接続された一次側平衡伝送路および二
    次側平衡伝送路からなり、 前記方法は、 前記二次側平衡伝送路に、前記一次側平衡伝送路を流れ
    る電流と逆符号で同じ大きさの電流を流すステップと、 前記一次側終端抵抗と前記二次側終端抵抗の間の点の電
    圧VTを1.0〜1.5ボルトの範囲内の電圧に設定す
    るステップと、 ΔV=V2−V1の値が0.125〜0.375ボルトの
    範囲に入るような電圧V1およびV2を前記集積回路に供
    給するステップとからなることを特徴とする、集積回路
    の電気信号出力引き出し線の駆動方法。
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