JP3550045B2 - 入力装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体集積回路におけるデータ転送を高速に行うデータの入力装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年のマルチメディアの普及により半導体デバイスに要求される性能は日々厳しくなっており、高速化及び低消費電力化の流れは激しくなっている。特に画像処理のような大容量のデータを高速に扱うシステムにおいては、極めて高速に動作する半導体デバイスが必要となってきている。このようなデバイスではデータの転送を高速に行う必要があり、高速データ転送のための技術が必須である。高速転送に関係する技術としては、入出力回路の高速化、データバスの高速規格の採用等が挙げられる。近年では、入力回路として、受信する信号の電圧を参照電圧と比較し、その差に応じて前記受信信号を増幅する差動入力回路や、差動信号(相補信号)を入力して1つの信号を出力する差動入力回路が一般的に採用される。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、データ信号の出力回路がプッシュプル型である場合は、各ドライバトランジスタが"H"データを出力する時と、"L"データを出力する時との出力インピーダンス(電流)を各々同一値に揃えることは極めて難しい。また、データ信号の出力回路が抵抗終端を行うプルアップ型の場合には、抵抗を流れる電流と、データ信号出力用のトランジスタを流れる電流とを同等にすることは困難である。
【0004】
以上の技術背景から、データ信号の"L"から"H"への遷移期間と、"H"から"L"への遷移期間とは等しくならず、その結果、受信回路においてデータ信号の"H"論理値と"L"論理値とが参照電圧に対して対称とならない状態が生じてしまう。このような不定な(ばらつきが有る)間隔で転送されるデータ信号を、規則正しい基準クロック信号で保持すると、スキューが発生し易くなり、誤動作を生じ、システムレベルでの高速動作化の障害となる。このスキューは高速動作時においてより顕著に現れ、より一層の高速動作の障害となる。データの遷移期間は一般的に数100ps〜数nsであるので、例えば数100MHzのクロック信号を用いた高速動作時、即ち、クロック信号の1周期が数nsの状況下では、前記データ遷移期間はクロック信号の1周期の数10%を占めることになり、スキューが発生し易くなる。
【0005】
本発明は、前記課題に鑑み、その目的は、入力するデータ信号の"H"から"L"への遷移時間と"L"から"H"への遷移時間との相違が原因で発生するスキューを防止し、高速動作を実現する入力装置及び出力装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するため、本発明の入力装置では、入力するデータ信号の"H"から"L"への遷移時間と"L"から"H"への遷移時間との違いを補正するため、そのデータ信号の一方又は双方の遷移時間に応じてクロック信号を遅延し、この1種又は2種の遅延クロック信号又は/及び元のクロック信号を用いて入力データ信号をラッチすることとする。
【0007】
より具体的に、請求項1記載の発明の入力装置は、データ信号の論理値に応じて遅延時間を設定し、クロック信号を前記遅延時間だけ遅延する遅延手段と、前記遅延されたクロック信号に基づいて前記データ信号を保持する保持回路とを備え、前記遅延手段は、前記クロック信号のデータ取込用エッジと前記データ信号の立上り及び立下りエッジの少なくとも一方とでタイミング比較する比較器と、前記比較器の比較結果に応じて前記データ信号の立上りと立下りとに対して相互に異なる遅延時間を設定する遅延回路とを備えたことを特徴とする。
【0008】
請求項2記載の発明は、前記請求項1又は2記載の入力装置において、前記遅延手段は、前記クロック信号のデータ取込用エッジと前記データ信号の立上り及び立下りエッジの少なくとも一方とでタイミング比較する比較器と、前記データ信号の立上りエッジについての前記比較器の比較結果に応じて、前記データ信号の"H"論理値に応じた前記遅延時間を設定する第1の遅延回路と、前記データ信号の立下りエッジについての前記比較器の比較結果に応じて、前記データ信号の"L"論理値に応じた前記遅延時間を設定する第2の遅延回路と、前記データ信号が"H"論理値の時に前記第1の遅延回路の遅延時間を選択し、前記データ信号が"L"論理値の時に前記第2の遅延回路の遅延時間を選択する選択回路とを備えたことを特徴とする。
【0009】
請求項3記載の発明は、前記請求項1又は2記載の入力装置において、前記遅延回路は、前記比較器の比較結果と、前記データ信号の取込みを保証するセットアップタイムとに応じて、前記遅延時間を設定することを特徴とする。
【0010】
以上の構成により、請求項1ないし請求項3記載の発明の入力装置では、例えばデータ信号の"H"から"L"への遷移期間が長い場合には、元のクロック信号のデータ取込エッジは前記遷移期間内に位置するものの、データ信号の"L"論理値に応じて長い遅延時間が設定され、クロック信号がこの遅延時間だけ遅延されるので、データ信号が"L"状態に遷移し終った後にクロック信号のデータ取込タイミングが位置することになる。従って、"L"論理値のデータ信号を確実に取り込むことが可能であり、ミスラッチが防止される。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【0012】
(第1の実施の形態)
図1から図4は本発明の第1の実施の形態を示す。図3は送信チップ及び受信チップを含むデータ信号の送受信システムの構成図である。
【0013】
図3において、送信チップ10は、内部に複数個(n個)の出力バッファ301、302…30nと、内部回路35とを含む。内部回路35は、前記各出力バッファを介して、後に詳述するテストモードと通常動作モードとの切り換え信号Con、及びデータ信号D1…Dnを受信チップ20に送出する。
【0014】
受信チップ20の内部には、図4にも示すように、データ信号D1…Dnを各々保持する入力回路401〜40nと、各入力回路401〜40nで保持されたデータ信号D1''、D2''…Dn''を受け取る内部回路50と、基準クロック信号を受けてクロック信号CLKを発生するPLL回路51と、前記内部回路50に電源電圧を供給すると共に各入力回路401…40nに参照電圧Vref(後述)を供給する電源回路52とが備えられる。
【0015】
図1は入力回路401の内部構成図である。他の入力回路402〜40nも入力回路401と同様の構成である。
【0016】
図1において、入力回路401は、内部に入力バッファ11と、遅延手段60と、保持回路21とを備える。前記遅延回路60は、比較器5と、2個の遅延回路31、32と、セレクタ4とを内蔵する。
【0017】
入力バッファ11は、差動型の増幅器(差動入力回路)であって、参照電圧Vrefとデータ信号D1とを入力して、データ信号D1と参照電圧Vrefとの差に基づいて増幅後のデータ信号D1’を出力する。参照電圧Vrefは、電源電圧以下で且つグランド電位よりも高く設定される。入力バッファ11は、入力データ信号D1がこの参照電圧Vrefよりも高電位の場合には、"H"電位として電源電位を出力し、入力データ信号D1が参照電圧Vrefよりも低電位の場合には、"L"電位としてグランド電位を出力する。
【0018】
保持回路21は、Dラッチで構成され、前記遅延回路31又は32で遅延された遅延クロック信号CLK2のアップエッジ(データ取込タイミング)において、前記入力バッファ11からの増幅後のデータ信号D1’を保持して、ラッチ後のデータ信号D1''を出力する。
【0019】
比較器5は、データ信号D1’とクロック信号CLKとの位相を比較する。データ信号D1’のアップエッジ(立上り変化点)とクロック信号CLKのアップエッジとの位相比較の結果は、信号Cde1F,Cde1Bとして出力される。データ信号D1'のアップエッジがクロック信号CLKのアップエッジよりも前に位置する場合には、信号Cde1Fとしてその位相のずれ分に応じたパルスが出力され、データ信号D1'のアップエッジがクロック信号CLKのアップエッジよりも後ろに位置する場合には、信号Cde1Bとしてその位相のずれ分に応じたパルスが出力される。同様に、データ信号D1’のダウンエッジ(立下り変化点)とクロック信号CLKのアップエッジとの位相比較の結果は、信号Cde2F,Cde2Bに出力される。データ信号D1’のダウンエッジがクロック信号CLKのアップエッジよりも前に位置する場合には、信号Cde2Fとしてその位相のずれ分に応じたパルスが出力され、データ信号D1’のダウンエッジがクロック信号CLKのアップエッジよりも後ろに位置する場合には、信号Cde2Bとしてその位相のずれ分に応じたパルスが出力される。
【0020】
遅延回路31、32の遅延量は可変であり、比較器5の位相比較結果Cde1F,Cde1BとCde2F,Cde2Bによって各々遅延量が決定される。第1の遅延回路31は、前記決定された遅延量だけクロック信号CLKを遅延させて生成した遅延クロック信号CLK_LHを出力し、同様に、第2の遅延回路32は、前記決定された遅延量だけクロック信号CLKを遅延させて生成した遅延クロック信号CLK_HLを出力する。また、遅延回路31、32及び前記比較器5は、モード切換信号Conが"H"の時は活性状態になり、モード切換信号Conが"L"の時は非活性状態になる。
【0021】
セレクタ4は、データ信号D1’が"H"状態のときは遅延回路31から出力される信号CLK_LHを、データ信号D1’が"L"状態のときは遅延回路32から出力される信号CLK_HLを各々選択して、クロック信号CLK2として保持回路21に出力する。
【0022】
次に、本実施の形態の入力装置の動作をテストモードと通常動作モードとに分けて説明する。
【0023】
図2は動作タイミングチャートを示す。図2(a)はテストモード期間を、図2(b)は通常動作期間を示す。
(テストモード)
先ず、クロック信号CLKを遅らせる遅延量を決定するために、テストモード期間(イニシャライズ期間)を設ける。
【0024】
モード切換信号Conが"H"になることにより、イニシャライズ期間となる。イニシャライズ期間に入ると、送信チップ10から受信チップ20に対してテストデータとして、"H"、"L"、"H"、"L"を繰り返すデータ信号Dataが出力される。図2(a)に示す通り、データ信号D1は"L"から"H"への遷移と"H"から"L"への遷移とで遷移時間に差が生じており、入力バッファ11により増幅されたデータ信号D1’は"H"状態と"L"状態との各長さは同一でない。
【0025】
本実施の形態では、データ信号D1'をクロック信号を用いて保持する際、十分なセットアップタイムを保証するためにセットアップタイムT1を予め決定している。このセットアップタイムT1は、クロック信号の1周期の30〜50%程度の期間に設定する。このセットアップタイムT1は、後述する位相差T2、T3を越える長い期間である。比較器5によってデータ信号D1’とクロック信号CLKとの位相が比較された結果、データ信号D1’のアップエッジがクロック信号CLKのアップエッジよりも前に位置する場合には、データ信号D1’のアップエッジとクロック信号CLKのアップエッジとの間の位相差をT2とすると、遅延回路31は、遅延値de1として時間T1−T2を決定し、一方、データ信号D1’のアップエッジがクロック信号CLKのアップエッジよりも後ろに位置する場合には、遅延回路31は、遅延値de1として時間T1+T2を決定する。データ信号D1’のダウンエッジがクロック信号CLKのアップエッジよりも後ろに位置する場合には、データ信号D1’のダウンエッジとクロック信号CLKのアップエッジとの間の位相差をT3とすると、遅延回路32は、遅延値de2として時間T1+T3を決定し、一方、データ信号D1’のダウンエッジがクロック信号CLKのアップエッジよりも前に位置する場合には、遅延回路32は、遅延値de2として時間T1−T3を決定する。その結果、遅延クロック信号CLK2のアップエッジは、データ信号D1のアップ及びダウンエッジに対して常にセットアップタイムT1分遅れたタイミングに位置する。
【0026】
前記のように、遅延回路31、32の遅延量が決定されると、遅延回路31、32は、各々、決定された遅延量でクロック信号CLKを遅延して、遅延クロック信号CLK_LH、CLK_HLを出力する。一方の遅延クロック信号CLK_LHは、第1の遅延回路31によって遅延された信号であって、その遅延量は、データ信号D1'が"L"状態から"H"状態に遷移するときのアップエッジとクロック信号CLKのアップエッジとの位相差によって決定された遅延量である。他方の遅延クロック信号CLK_HLは、第2の遅延回路32によって遅延された信号であって、その遅延量は、データ信号が"H"状態から"L"状態に遷移するときのダウンエッジとクロック信号CLKのアップエッジとの位相差によって決定された遅延量である。
【0027】
以上でイニシャライズ期間は終了する。
【0028】
(動作モード)
次にモード切換信号Conが"L"になることにより、通常動作モードに入る。この通常動作モードでは、通常のデータ転送と同様にデータ信号が転送される。但し、データ信号を保持回路21で保持する際のクロック信号としては、イニシャライズ期間に設定した2種の遅延クロック信号CLK_LH,CLK_HLから選択した遅延クロック信号CLK2を使用する。セレクタ4は、データ信号D1’の論理値に基づいて遅延クロック信号CLK_LH又はCLK_HLの選択を行う。即ち、セレクタ4は、データ信号D1’が現在"H"状態の時は遅延クロック信号CLK_LHを選択し、データ信号D1’が"L"状態の時は遅延クロック信号CLK_HLを選択する。セレクタ4で選択された信号は遅延クロック信号CLK2として保持回路21に入力され、保持回路21においてこの遅延クロック信号CLK2のアップエッジでデータ信号D1'を保持する。
【0029】
以上の説明から判るように、データ信号D1’のアップ及びダウンの各エッジと遅延クロック信号CLK2のアップエッジとの位相差が低減されるので、データ信号D1’の確実な保持動作を行うことができ、ミスラッチを防止できる。
【0030】
次に、本実施の形態の入力回路の動作を示す図2と、セレクタ4を使用せずに従来通り入力クロック信号CLKの立上りエッジでデータ信号を取り込む場合の動作を示す図6とを比較する。図2及び図6において、クロック信号CLKの最初の立上りタイミングt0では、差動増幅器11からのデータ信号D1'は参照電圧Vrefを越えた電圧値を有して"H"状態にある。従って、図6では、このデータ信号D1'をクロック信号CLKの最初の立上りエッジで取り込むと、保持回路21でラッチされるデータ信号D1''は正規の"H"状態となる。図2においては、クロック信号CLKを時間T1-T2だけ遅延した遅延クロック信号CLK_LHの立上りエッジでデータ信号D1'を取り込んでいるが、図6と同様に入力クロック信号CLKの最初の立上りエッジで取り込んでも、"H"状態のデータ信号D1'を正規に取り込むことが可能である。従って、本発明では、データ信号D1の"H"及び"L"の両論理値に応じて2種の遅延値を計算する必要はない。即ち、本発明では、一方の論理値に対応して遅延クロック信号CLK_LH又はCLK_HLを生成し、この遅延クロック信号で一方の論理値にあるデータ信号D1'を取り込み、他方の論理値に対しては遅延値を計算せず、元のクロック信号CLKで前記他方の論理値にあるデータ信号D1'を取り込む構成も含まれる。この構成の場合は、セレクタ4は、一方の遅延回路(例えば31)の遅延クロック信号と、元のクロック信号CLKとを受ける。本発明では、セットアップタイムT1は必須でないが、データ信号D1'の遷移期間を過ぎて安定期間(電圧が一定の期間)でデータ信号D1'を取り込むためには、セットアップタイムT1を設けることが望ましい。
【0031】
一方、図2及び図6において、クロック信号CLKの次の立上りタイミングt1では、差動増幅器11からのデータ信号D1'は遷移期間にあるものの未だ参照電圧Vrefを越えた電圧値を有して"H"状態にある。その結果、図6では、このデータ信号D1'をクロック信号CLKの次の立上りタイミングt1でラッチすると、保持回路21は"H"状態のデータ信号D1'を保持して、同図に破線で示すように正規の"L"状態のデータ信号D1'を保持せず、ミスラッチとなる。これに対し、本実施の形態では、図2に示すように、クロック信号CLKを所定遅延値de2(=T1+T3)だけ遅延した遅延クロック信号CLK_HLの立上りエッジ、即ちデータ信号D1'の電圧が参照電圧Vref未満となったタイミングt2で、この"L"状態のデータ信号D1'が保持回路21でラッチされる。従って、本実施の形態では、ミスラッチがない。
【0032】
尚、本実施の形態では、クロック信号の1サイクル期間ではデータ信号D1'は同一の値を保持する(つまり、データ信号の周波数はクロック信号の半分である)場合について説明したが、本発明はこの場合に限定されるものではなく、特に両者の周波数の制限を受けるものではない。
【0033】
また、本実施の形態では、データ信号D1'の取込みにクロック信号の立上りエッジを用いたが、クロック信号の立下りエッジを用いること、又はクロック信号の立上り及び立上りの両エッジを用いることは、適宜変更可能である。
【0034】
更に、本実施の形態では、2つの遅延回路31,32を用いて、データ信号が"H"状態のときに第1の遅延回路31で遅延した遅延クロック信号を選択し、前記データ信号が"L"状態のときに第2の遅延回路32で遅延した遅延クロック信号を選択したが、データ信号のアップエッジのみがクロック信号よりも後ろに位置することが明らかな場合には、第1の遅延回路31のみを用いてデータ信号D1'のアップエッジでの位相調整のみを行っても良い。また、データ信号のダウンエッジのみがクロック信号よりも後ろに位置することが明らかな場合には、第2の遅延回路32のみを用いて、データ信号D1'のダウンエッジでの位相調整のみを行ってもよく、これ等の何れの場合もセレクタ4は不要である。また、セットアップタイムT1はデータ保持に十分な値で固定であるものとして説明したが、外部からの新たな制御信号によって可変とすれば、より高速動作化に有効な構成となる。
【0035】
(第2の実施の形態)
次に、本発明の第2の実施の形態を図5に基づいて説明する。
【0036】
図5において、70は複数のデータ信号(同図では1つのデータ信号D1のみを図示している)を送信する送信チップ(出力回路)、80は前記複数のデータ信号を受信する受信チップである。受信チップ80は、内部に、図3と同様の内部回路50、PLL回路51、及び電源回路52を持つ。更に、受信チップ80は複数の入力回路(同図では1個の入力回路81のみを図示している)を備え、これ等入力回路は、特別に図示しないが、図1に示した入力回路401の内部構成品のうち、差動増幅器11、比較器5、及び保持回路21のみを有し、2個の遅延回路31、32及びセレクタ4を有しない。前記保持回路21は、PLL回路51から出力されるクロック信号CLKに基づいてデータ信号D1'をラッチする。
【0037】
一方、送信チップ70は、複数のデータ信号を各々送信するための複数の出力バッファ(同図ではデータ信号D1を出力するための出力バッファ71のみを図示している)を備える。各出力バッファは同一の内部構成を持つ。出力バッファ71は、電源に接続されてデータ信号D1を"H"状態にするための3個のPチャネルトランジスタ(駆動素子)TP1、TP2、TP3と、接地されてデータ信号D1を"L"状態にするための3個のNチャネルトランジスタ(駆動素子)TN1、TN2、TN3とを有する。更に、送信チップ70は、前記PチャネルトランジスタTP1…TP3を制御する第1の制御回路72と、前記NチャネルトランジスタTN1…TN3を制御する第2の制御回路73とを持つ。第1の制御回路72は、前記入力回路81内の比較器5からの比較結果信号(データ信号D1'のアップエッジとクロック信号CLKのアップエッジとのタイミングを比較した信号)Cde1F、Cde1B、即ち、データ信号の遷移期間の長短を示す信号を入力し、第2の制御回路73は、前記入力回路81内の比較器5からの比較結果信号(データ信号D1'のダウンエッジとクロック信号CLKのアップエッジとのタイミングを比較した信号)Cde2F、Cde2Bを入力する。これ等の比較結果信号は図2に示されている。第1の制御回路72は、前記比較結果信号Cde1Bが入力された場合、即ち、データ信号D1'の"L"から"H"への遷移時にデータ信号D1'の電圧が参照電圧Vrefにまで上昇した時点がクロック信号CLKの立上り時点よりも遅い場合、更に換言すれば遷移期間が長い状況では、ON動作させるPチャネルトランジスタの個数を増やしてトランジスタ能力を強め、その遷移時間を短縮する。一方、第2の制御回路73は、前記比較結果信号Cde2Bが入力された場合、即ち、データ信号D1'の"H"から"L"への遷移時にデータ信号D1'の電圧が参照電圧Vrefにまで下降した時点がクロック信号CLKの立上り時点よりも遅い場合、更に換言すれば遷移期間が長い状況では、ON動作させるNチャネルトランジスタの個数を増やしてトランジスタ能力を強め、その遷移時間を短縮する。
【0038】
前記第1及び第2の制御回路72、73には、データ信号D1'がフィードバックされる。従って、比較器5からの前記比較結果信号を受けない場合であっても、このフィードバック信号に基づいて出力バッファ71のトランジスタ能力を把握して、このトランジスタ能力が弱い場合には、ON動作させるトランジスタの個数を増やすことも可能である。
【0039】
従って、本実施の形態では、送信チップ70側で出力バッファ71のトランジスタ能力を調整して、データ信号D1'の"H"から"L"への遷移期間及び"L"から"H"への遷移期間を適切な期間に調整できる。よって、前記第1の実施の形態と同様に、スキューを発生し難くでき、クロック周波数が数100MHz以上の周波数帯における高速動作を正常に確保できる。
【0040】
尚、以上の説明では、1つのデータ信号D1を入力する入力回路に適用したが、本発明は、差動信号を入力する入力回路にも適用できる。この場合には、差動信号を差動増幅器11に入力する。
【0041】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の入力装置によれば、入力するデータ信号の"H"から"L"への遷移時間と"L"から"H"への遷移時間との相違が原因で発生するスキューを防止し、高クロック周波数の下でのデータ入力動作の高速化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態の入力回路の内部構成を示すブロック図である。
【図2】同実施の形態の入力回路の動作を示し、(a)はテストモード時の動作を示すタイミングチャート図、(b)は通常動作モード時の動作を示すタイミングチャート図である。
【図3】送信チップと受信チップを含むデータ信号の入出力システムの概略構成図である。
【図4】受信チップの内部構成を示す図である。
【図5】本発明の第2の実施の形態の出力回路の内部概略構成を示す図である。
【図6】データ信号の"H"から"L"への遷移時間が長い場合にそのデータ信号のミスラッチが生じることを示す図である。
【符号の説明】
4 セレクタ
5 比較器
10、70 送信チップ
11 差動増幅器
20 受信チップ
21 保持回路
31、32 遅延回路
401〜40n 入力回路
50 内部回路
71 出力バッファ
72 第1の制御回路
73 第2の制御回路
Tp1〜Tp3 Pチャネルトランジスタ(駆動素子)
Tn1〜Tn3 Nチャネルトランジスタ(駆動素子)
Claims (3)
- データ信号の論理値に応じて遅延時間を設定し、クロック信号を前記遅延時間だけ遅延する遅延手段と、
前記遅延されたクロック信号に基づいて前記データ信号を保持する保持回路と
を備え、
前記遅延手段は、
前記クロック信号のデータ取込用エッジと前記データ信号の立上り及び立下りエッジの少なくとも一方とでタイミング比較する比較器と、
前記比較器の比較結果に応じて前記データ信号の立上りと立下りとに対して相互に異なる遅延時間を設定する遅延回路とを備えた
ことを特徴とする入力装置。 - 前記遅延手段は、
前記クロック信号のデータ取込用エッジと前記データ信号の立上り及び立下りエッジの少なくとも一方とでタイミング比較する比較器と、
前記データ信号の立上りエッジについての前記比較器の比較結果に応じて、前記データ信号の"H"論理値に応じた前記遅延時間を設定する第1の遅延回路と、
前記データ信号の立下りエッジについての前記比較器の比較結果に応じて、前記データ信号の"L"論理値に応じた前記遅延時間を設定する第2の遅延回路と、
前記データ信号が"H"論理値の時に前記第1の遅延回路の遅延時間を選択し、前記データ信号が"L"論理値の時に前記第2の遅延回路の遅延時間を選択する選択回路とを備えた
ことを特徴とする請求項1又は2記載の入力装置。 - 前記遅延回路は、
前記比較器の比較結果と、前記データ信号の取込みを保証するセットアップタイムとに応じて、前記遅延時間を設定する
ことを特徴とする請求項1又は2記載の入力装置。
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