JP4344215B2 - ディジタルデータを伝送する方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、グランド絶縁された装置間でディジタルデータ信号およびクロック信号を伝送するための方法および装置に関する。

半導体テスタのテストヘッドは、被測定物である集積回路に接触するための複数のピンとそれらのピンに接続されて被測定物を試験するアナログモジュールおよびディジタルモジュールとを備える。アナログモジュールは、集積回路にアナログ信号を印可したり、または、集積回路から出力される信号を測定するモジュールである。アナログモジュールは、アナログ・ディジタル変換器やディジタル・アナログ変換器を備えている。アナログモジュールは、アナログ回路とディジタル回路とを備えている。アナログモジュールは、ディジタル回路で生じるノイズをアナログ回路に伝搬させないようにするため、ディジタル回路とアナログ回路とでグランドを絶縁してデータおよびクロックを伝送する。従来、このようなグランド絶縁された装置間での伝送には、フォトカプラ、パルストランス、または、差動信号が用いられている（例えば、非特許文献１、または、非特許文献２を参照。）。

鈴木雅臣著，「定本 続トランジスタ回路の設計」，初版，ＣＱ出版社，１９９２年１２月，ｐ．２０６−２０８ 岡田廸夫著，「定本 ＯＰアンプ回路の設計」，第１９版，ＣＱ出版社，２００３年５月，ｐ．２１２−２１３

フォトカプラを用いる場合、１６ビットのデータ通信では、データ信号およびクロック信号のために少なくとも１７個のフォトカプラが必要とされる。現在のフォトカプラは、その伝送速度が最高で１０ＭＨｚ程度しかない。また、集積回路化できない個別素子であるので、実装面積を小さくすることが難しい。

パルストランスを用いる場合、１６ビットのデータ通信では、データ信号およびクロック信号のために少なくとも１７個のパルストランスが必要とされる。また、パルストランスは直流を通さないので、伝送するデータは交流化するための変調を必要とする。さらに、集積化できない個別素子であるので、実装面積を小さくすることが難しい。

差動信号を用いる場合、１６ビットのデータ通信では、データ信号およびクロック信号のために少なくとも３４個の差動増幅器と３４本の信号線が必要とされる。差動信号を送信または受信するための差動増幅器は、集積化により小型化することができる。しかし、そのような集積回路は、高価で、消費電力が大きい。また、差動信号を扱うことができる集積回路は、シングルエンド信号のみしか扱えない集積回路に比べて、サイズが大きい。また、必要とされる信号線の数が多いので、実装スペースも大きい。

さて、近年、被測定物である集積回路は多ピン化高速化が進み、また、そのような集積回路を並列して試験する事が求められるようになってきた。そのため、テストヘッドは、限られたスペース内により多くのアナログモジュールを実装できることが望まれている。上述の通り、フォトカプラやパルストランスを用いるアナログモジュールの小型化は難しい。また、１００ＭＨｚ程度のクロック信号を伝送することが要求されているので、そもそもフォトカプラは使用できない。さらに、半導体業界ではテストコストがＩＣの製造原価の多くを占めているので、半導体テスタ装置の価格が上がることは許されない。従って、アナログモジュール単体のコスト増も許されず、差動信号によるデータ伝送は採用しがたい。

そこで、本発明は、互いにグランド絶縁された装置間でディジタルデータを伝送するための装置であって、集積化が容易で簡素な構造を有し、高速なデータ伝送が可能で、安価な装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、本第一の発明は、グランド絶縁された第一の装置から第二の装置へディジタルデータおよびクロックを伝送する方法であって、前記第一の装置における電源電圧と前記第一の装置におけるグランドとから基準信号を生成するステップと、前記ディジタルデータの最大基本周波数と同じ基本周波数を有する多相クロックを前記クロックから生成するステップと、前記ディジタルデータと前記基準信号とを比較し、その比較結果を出力するステップと、前記比較結果を前記多相クロックを用いてラッチするステップと、を含むことを特徴とするものである。

また、本第二の発明は、グランド絶縁された第一の装置から第二の装置へディジタルデータおよびクロックを伝送する装置であって、前記第一の装置における電源電圧と前記第一の装置におけるグランドとから基準信号を生成する手段と、前記ディジタルデータの最大基本周波数と同じ基本周波数を有する多相クロックを前記クロックから生成する手段と、前記ディジタルデータと前記基準信号とを比較する手段と、前記比較手段の比較結果を前記多相クロックを用いてラッチする手段と、を備えることを特徴とするものである。

さらに、本第三の発明は、本第二の発明において、前記基準信号生成手段が前記第一の装置に備えられ、前記比較手段が前記第二の装置に備えられることを特徴とするものである。

またさらに、本第四の発明は、本第二の発明または本第三の発明の発明において、前記基準信号生成手段が前記第一の装置の電源電圧とグランドとを抵抗器で分圧して基準信号を生成することを特徴とするものである。

また、本第五の発明は、本第二の発明または本第三の発明の発明において、前記基準信号生成手段が前記ディジタルデータのハイレベルとローレベルとを抵抗器で分圧して基準信号を生成することを特徴とするものである。

さらに、本第六の発明は、クロックに同期して、ディジタルデータを生成する手段と、前記ディジタルデータおよび該クロックのそれぞれに対応する閾値電圧を生成する手段とを備え、前記クロック、前記ディジタルデータ、および、前記閾値電圧を送信することを特徴とする送信装置である。

またさらに、本第七の発明は、本第六の発明において、さらに、前記クロックを分周し多相化する手段を備え、前記クロックに代えて、前記ディジタルデータの最大基本周波数と同じ基本周波数を有する多相クロックを送信することを特徴とするものである。

また、本第八の発明は、クロックとディジタルデータと閾値電圧とを受信する受信装置であって、前記クロックと前記閾値電圧とを比較する第一の比較手段と、前記ディジタルデータと前記閾値電圧とを比較する第二の比較手段と、前記第一の比較手段の出力信号に応答して、前記第二の比較手段の出力信号を標本化する手段とを備え、前記標本化手段により標本化した信号を出力することを特徴とするものである。

さらに、本第九の発明は、本第八の発明において、前記クロックが前記ディジタルデータの最大基本周波数と同じ基本周波数を有する多相クロックであり、該多相クロックに応答して前記標本化した信号を選択的に出力することを特徴とするものである。

またさらに、本第九の発明は、本第六の発明または本第七の発明の送信装置と本第八の発明または本第九の発明の受信装置とを備えることを特徴とするディジタルデータ伝送装置である。

本発明によれば、互いにグランド絶縁された装置間でディジタルデータを伝送するための装置は、集積化が容易になり、設置スペースが小さくなり、データ伝送速度が高速化され、しかも、安価なものとなる。

本発明を、添付の図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。本発明の第一の実施形態は、ディジタルデータ伝送装置であって、そのブロック図を図１に示す。図１において、ディジタルデータ伝送装置１００は、互いにグランド絶縁された送信装置２００と受信装置３００とを備える。送信装置２００は、ディジタル電源ＶＤＤｄとディジタル・グランドＧＮＤｄとに接続されている。受信装置３００は、アナログ電源ＶＤＤａとアナログ・グランドＧＮＤａとに接続されている。また、ディジタル・グランドＧＮＤｄとアナログ・グランドＧＮＤａは絶縁されている。

送信装置２００は、クロックＣＬＫと少なくとも１ビットの幅を有するディジタルデータＤＷとが入力される。ディジタルデータＤＷは、伝送しようとするディジタルデータである。送信装置２００は、ディジタル電源ＶＤＤｄとディジタル・グランドＧＮＤｄとに接続されたフリップフロップアレイ２１０および基準信号生成装置４００を備える。フリップフロップアレイ２１０は、クロックＣＬＫとディジタルデータＤＷとが入力される。フリップフロップアレイ２１０内のフリップフロップ２１１は、クロックＣＬＫを２分周し出力する。フリップフロップ２１１からは、非反転分周クロックＤＣＬＫ＋と反転分周クロックＤＣＬＫ−とが出力される。フリップフロップアレイ２１０内のフリップフロップ２１１は、クロックＣＬＫに応答してディジタルデータＤＷをラッチし出力する。ここで、フリップフロップ２１１から出力されるディジタルデータをＤＷＴとする。図１において、フリップフロップ２１１は１つであるかのように示されているが、実際にはディジタルデータＤＷの幅（ビット数）以上の個数のフリップフロップ２１１が存在する。基準信号生成装置４００は、非反転分周クロックＤＣＬＫ＋、反転分周クロックＤＣＬＫ−、および、ディジタルデータＤＷＴの閾値信号を生成し、基準信号ＲＥＦとして出力する装置である。基準信号生成装置４００は、ディジタル電源ＶＤＤｄとディジタル・グランドＧＮＤｄと接続されている。基準信号生成装置４００は、内部に備える抵抗器によりディジタル電源ＶＤＤｄの電圧を分圧して基準信号ＲＥＦを生成する。基準信号ＲＥＦの電圧レベルは、フリップフロップアレイ２１０の特性に依存する。本実施形態において、基準信号ＲＥＦの電圧レベルは、フリップフロップアレイ２１０の出力信号のハイレベルとローレベルの中間電位である。送信装置２００は、非反転分周クロックＤＣＬＫ＋、反転分周クロックＤＣＬＫ−、ディジタルデータＤＷＴ、および、基準信号ＲＥＦを送信する。

受信装置３００は、送信装置２００より送信される非反転分周クロックＤＣＬＫ＋、反転分周クロックＤＣＬＫ−、ディジタルデータＤＷＴ、および、基準信号ＲＥＦを受信する。受信装置３００は、比較器３１１および比較器３１２および比較器３１３と、Ｄフリップフロップ３２１およびＤフリップフロップ３２２と、信号選択装置３３０とを備える。比較器３１１および比較器３１２および比較器３１３は、それぞれ反転入力端に基準信号ＲＥＦが入力される。また、比較器３１１の非反転入力端には、非反転分周クロックＤＣＬＫ＋が入力される。比較器３１３の非反転入力端には、反転分周クロックＤＣＬＫ−が入力される。比較器３１２の非反転入力端には、ディジタルデータＤＷＴが入力される。比較器３１１の出力端は、フリップフロップ３２１のクロック入力端と信号選択装置３３０の選択端ＳＥＬに接続されている。比較器３１３の出力端は、フリップフロップ３２２のクロック入力端に接続されている。比較器３１２の出力端は、フリップフロップ３２１およびフリップフロップ３２２のデータ入力端にそれぞれ接続されている。フリップフロップ３２１およびフリップフロップ３２２は、入力されるクロックに応答して、入力されるディジタルデータをラッチし出力する。図１において、比較器３１２とフリップフロップ３２１とフリップフロップ３２２はそれぞれ１つずつであるかのように示されているが、実際にはディジタルデータＤＷの幅（ビット数）以上の個数の比較器３１２とフリップフロップ３２１とフリップフロップ３２２が存在する。信号選択装置３３０は、選択端ＳＥＬに入力される信号に応答して、入力端Ａに入力されるディジタルデータまたは入力端Ｂに入力されるディジタルデータのいずれかを選択して出力する装置である。すなわち、信号選択装置３３０は一種の直並列変換を行う。なお、信号選択装置３３０の入力端Ａは、フリップフロップ３２１の出力端と接続されている。信号選択装置３３０の入力端Ｂは、フリップフロップ３２２の出力端と接続されている。受信装置３００は、ディジタルデータＤＷＲを出力する。

本発明によれば、互いにグランド絶縁された装置間でディジタルデータを伝送するための装置は、フォトカプラなどの比較的大きな個別素子が不要になるので、設置スペースが小さくなり、集積化も容易になる。また、本発明によれば、ディジタルデータ伝送装置は、ディジタルデータの最大基本周波数とクロックの基本周波数が同じにするので、データ伝送速度を高速化することができる。なお、ディジタルデータの最大基本周波数は、１と０が交番するディジタルデータの基本周波数である。さらに、本発明によれば、ディジタルデータ伝送装置は、フォトカプラや作動増幅器などの高価な個別素子が不要になるので、安価に構成される。

さて、ディジタルデータ伝送装置１００において、送信装置２００から受信装置３００へ送るクロックの本数を半分の１本にすることもできる。そのようなディジタルデータ伝送装置を、本発明の第二の実施形態として図２に示す。図２において、ディジタルデータ伝送装置５００は、送信装置６００と受信装置７００とを備える。送信装置６００は、送信装置２００とほぼ同一の構成を有する。送信装置６００は、反転分周クロックＤＣＬＫ−を送信しない点で、送信装置２００と異なる。また、受信装置７００は、受信装置３００とほぼ同一の構成を有する。受信装置７００は、比較器３１３が無い点と、フリップフロップ３２２のクロック入力端がインバータ３４０を介して比較器３１１の出力端と接続されている点で、受信装置３００と異なる。図２に示すとおり、ディジタルデータ伝送装置５００は、ディジタルデータ伝送装置１００に比べて、送信装置から受信装置へ送られるクロックの本数が半分である。一方、ディジタルデータ伝送装置５００は、インバータ３４０の伝搬遅延時間に制限されて、ディジタルデータ伝送装置１００よりも伝送速度が遅くなる場合がある。

さて、図１および図２において、基準信号生成装置４００は、受信装置３００および７００に備えられても良い。ただし、その場合、非反転分周クロックＤＣＬＫ＋、反転分周クロックＤＣＬＫ−、および、ディジタルデータＤＷＴが伝送中に外部から受けるノイズを完全に除去できない。例えば、図１において、基準信号生成装置４００が受信装置３００に備えられるものとする。その場合、基準信号ＲＥＦの代わりにディジタル電源ＶＤＤｄとディジタル・グランドＧＮＤｄが送信装置２００から受信装置３００へ引き込まれる。そして、受信装置３００内において、ディジタル電源ＶＤＤｄの電圧が分圧されて基準信号ＲＥＦが生成される。この時、外部から受けるノイズも同時に分圧されてしまう。その結果、ディジタルデータＤＷＴなどが伝送中に外部から受けるノイズを完全に除去できないのである。

また、図１および図２において、基準信号ＲＥＦは１つであるが、複数の基準信号が生成され伝送される場合もある。例えば、フリップフロップ２１１とフリップフロップ２１２の出力論理レベルが互いに異なる場合、受信装置３００および７００側での絶縁作用を完全なものとするために、それぞれのフリップフロップ（２１１，２１２）出力に対する基準信号を生成する必要がある。そのような場合、図１および図２のそれぞれにおいて、基準信号生成装置４００が複数の基準信号を生成するように構成されるか、基準信号生成装置４００とは異なる基準信号生成装置が追加される。

さらに、図１および図２において、伝送されるクロックは２相クロックに限定されない。本発明の要旨の１つは、ディジタルデータの最大基本周波数とクロックの基本周波数とを同じにすることであるので、図１および図２において、ディジタルデータ伝送装置１００および５００は、原クロックが３分周され３相化されたクロックや原クロックが４分周され４相化されたクロックなどが伝送されるように構成されても良い。

本発明の第一の実施形態であるディジタルデータ伝送装置を示す図である。 本発明の第二の実施形態であるディジタルデータ伝送装置を示す図である。

符号の説明

１００，５００ ディジタルデータ伝送装置
２００，６００ 送信装置
２１０ フリップフロップアレイ
２１１，２１２ フリップフロップ
３００，７００ 受信装置
３１１，３１２，３１３ 比較器
３２１，３２２ フリップフロップ
３３０ 信号選択装置
３４０ インバータ
４００ 基準信号生成装置
５００ ディジタルデータ伝送装置

Claims (8)

1. グランド絶縁された第一の装置から第二の装置へディジタルデータおよびクロックを伝送する方法であって、
   前記第一の装置における電源電圧と前記第一の装置におけるグランドとから基準信号を生成するステップと、
   前記ディジタルデータの最大基本周波数と同じ基本周波数を有する多相クロックを前記クロックから生成するステップと、
   前記ディジタルデータと前記基準信号とを比較し、その比較結果を出力するステップと、
   前記比較結果を前記多相クロックを用いてラッチするステップと、
   を含むことを特徴とするディジタルデータ伝送方法。
2. グランド絶縁された第一の装置から第二の装置へディジタルデータおよびクロックを伝送する装置であって、
   前記第一の装置における電源電圧と前記第一の装置におけるグランドとから基準信号を生成する手段と、
   前記ディジタルデータの最大基本周波数と同じ基本周波数を有する多相クロックを前記クロックから生成する手段と、
   前記ディジタルデータと前記基準信号とを比較する手段と、
   前記比較手段の比較結果を前記多相クロックを用いてラッチする手段と、
   を備える、
   ことを特徴とするディジタルデータ伝送装置。
3. 前記基準信号生成手段は、前記第一の装置に備えられ、
   前記比較手段は、前記第二の装置に備えられる、
   ことを特徴とする請求項２に記載のディジタルデータ伝送装置。
4. 前記基準信号生成手段は、前記第一の装置の電源電圧とグランドとを抵抗器で分圧して基準信号を生成する、
   ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載のディジタルデータ伝送装置。
5. 前記基準信号生成手段は、前記ディジタルデータのハイレベルとローレベルとを抵抗器で分圧して基準信号を生成する、
   ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載のディジタルデータ伝送装置。
6. クロックに同期して、ディジタルデータを生成する手段と、
   前記ディジタルデータおよび該クロックのそれぞれに対応する閾値電圧を生成する手段と、
   前記クロックを分周し多相化する手段と、
   を備え、
   前記ディジタルデータ、および、前記閾値電圧を送信すると共に、前記クロックに代えて、前記ディジタルデータの最大基本周波数と同じ基本周波数を有する多相クロックを送信することを特徴とする送信装置。
7. クロックとディジタルデータと閾値電圧とを受信する受信装置であって、
   前記クロックと前記閾値電圧とを比較する第一の比較手段と、
   前記ディジタルデータと前記閾値電圧とを比較する第二の比較手段と、
   前記第一の比較手段の出力信号に応答して、前記第二の比較手段の出力信号を標本化する手段と、
   を備え、
   前記クロックは、前記ディジタルデータの最大基本周波数と同じ基本周波数を有する多相クロックであり、
   前記多相クロックに応答して前記標本化手段により前記標本化した信号を選択的に出力すること、
   を特徴とする受信装置。
8. 請求項６に記載の送信装置と請求項７に記載の受信装置とを備えることを特徴とするディジタルデータ伝送装置。

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