JPH04302215A - 電力供給バス上のノイズ制御の方法および装置 - Google Patents
電力供給バス上のノイズ制御の方法および装置Info
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Abstract
め要約のデータは記録されません。
Description
積回路の電力供給バス上に存在するスイッチングに起因
するノイズのレベルを制御する方法および装置に関する
。
小さく、より高速の、かつより低出力の論理ゲートの実
現に向かっている。これはゲートおよびそれらの導線の
物理的大きさを小さくでき、翻って半導体材料の単位面
積当りに一層多数の論理ゲートが製造できることを意味
する。不幸にして、出力デバイスに関してはこの全体的
傾向に直ちに追随することはできない。これは主に、出
力デバイスを外部論理入力端に接続する外部導体が比較
的に大きな容量とインダクタンスとを有するものであり
、内部論理ゲートと同一の程度に物理的に小型化できな
いからである。
が接続線および外部回路を駆動するための出力パッドド
ライバで占拠されてしまう。これに関連して起こること
は、集積回路を通過する電流の大変顕著な部分が、集積
回路が供給するまたは吸収する出力電流として出力パッ
ドドライバを流れることである。
加えて、最近の集積回路の出力パッドドライバの多くは
一緒に動作しそれらの電流を一緒に流す。例えば16個
の出力パッドドライバは一緒に動作して16ビット幅の
アドレスまたはデータバスを駆動することができる。不
幸にしてこれは16個、32個、ときには64個の出力
パッドドライバの群がしばしば同時に論理状態のスイッ
チングを行うことを意味する。このような群のスイッチ
ングは過渡的電圧を集積回路の電力バス導体上に誘起す
ることがある。なぜならば物理的大きさ、寄生インダク
タンス、および寄生抵抗の制限を受ける固有の電流があ
るからである。過渡的電圧はもしも群をなすスイッチの
大多数が一つの特定状態、例えば論理高(HI)から反
対の状態、すなわち論理低LOに切り替わると特に起こ
りやすい。過渡電圧が出力パッドドライバ上において示
すこの効果のため、内部論理電力供給バスを入力/出力
用電力供給バスから分離する公知方法ではこれらの問題
を解決することができない。
常に高速のスイッチング速度において、これらスイッチ
ング過渡現象を一層悪化させる。その理由はインダクタ
ンス等が電流の変化に反対するからである。この反対現
象は出力パッドドライバ電力供給線を介して集積回路中
に流れ込む電流を抑制し、電源の低電位を過渡的に増大
させると共に電源の高電位を減少させるからである。電
源の低電位レベルの過渡的増大は通常グランドバウンス
と呼ばれ、また電源の高電位の過渡現象は過渡ノイズと
呼ばれる。これら両方の過渡電圧は問題を引き起こすこ
とがあり、注意深く取り扱わなければならないが、論理
低LOの電圧の確定は論理高HIに対してよりも厳格さ
を要求されるので、しばしばグランドバウンスが過渡問
題の中心を占める。
積回路のみならず、それに接続された他の集積回路の両
方に影響を与える。出力ドライバ電流により集積回路の
低電位レベルに誘起された過渡バウンスが、たまたま同
一の低電位バスを共有した無関係の論理回路に誤った論
理高HIを誘起しうる。これが、なぜ集積回路がしばし
ば内部論理ゲートおよび出力パッドドライバ用に別個の
電源バスを有するかという理由である。出力パッドドラ
イバ電力供給バスは、良く知られているように、保護ダ
イオードを介して集積回路入力線上に到来する任意サー
ジを吸収するのに広く使用される。このようなわけでパ
ッドドライバ電力供給バスは通常、入力/出力電力供給
バスと呼ばれる。内部電力供給バスと出力パッドドライ
ババスの分離によって電源の高電位導体および低電位導
体を外部的に一体に接続することが可能となる。この場
合、集積回路で発生した過渡ノイズを低減するためより
大きな外部導体および抑制容量を使用することができる
。このようにノイズを抑制し、共通の基準電位を与えて
集積回路間の信号取り扱いを促進できる。
路から2進法出力を受けている後続の集積回路は外部的
な誤りの論理高HIで駆動される可能性がある。すなわ
ち論理低LOより高いが論理高HIよりは低いメタ電圧
レベルにより駆動される可能性がある。他方、高電位ノ
イズ過渡現象を経験している集積回路のドライバから出
力を受信している次の集積回路は誤りの論理低LOで駆
動される可能性がある。すなわち論理高HIより低いが
論理低LOより高いメタ電圧レベルにより駆動される可
能性がある。これらは共に好ましからぬ状況であり、こ
れまで従来の解決法はさらに別の顕著な問題をもたらし
た。
イズに対するこれまでの解決法の一つは、ドライバ出力
2進値が有効であると考えられる時間を、過渡電圧が鎮
静するまで遅延することである。この解決法では遅延中
に開始されたすべての誤り2進状態が、消滅されるかあ
るいは「構わず無視せよ」論理信号となることが必要で
ある。この方法につきまとう問題は各2進出力転送に予
定の大きさの遅延を組み込むことである。そのような遅
延組み込みは、より高速でより高いデータ密度を得よう
とする技術傾向に逆らうものである。
バのスイッチング速度を変化させることにより出力ドラ
イバ電流の変化速度を遅延することである。この解決法
は常に、ノイズ過渡電圧を防止しおよび/または低減す
る方法として出力ドライバ電流の変化速度を遅延させる
。上記遅延設定方法と同様、この解決法はスイッチング
の遅延を導入するが、その遅延を出力ドライバ中に導入
して情報転送期間中に2進状態が変化するときのスイッ
チング速度を低減する。その結果データパルスの先頭縁
および後部縁で誘起された過渡ノイズ(これがこの種の
過渡ノイズの主要なものである)の量が低減される。 加えて、出力電流が変化しうる速度を低下させることに
より、しばしば過渡ノイズ自体のみならずグランドバウ
ンス量とグランドバウンス鎮静時間とが低減される。し
かしながらこの第二の方法はグランドバウンスおよび過
渡ノイズの抑制が常に必要であるとの仮定の下に依然と
してすべてのスイッチング遷移の変化速度を遅延させる
。従ってこれもまた、より高速のスイッチング時間へ向
かおうとする傾向を阻害するものである。
ンドバウンスノイズおよび/または電力供給線上の過渡
ノイズに関する問題を抑制する必要があるときのみ動作
するようにしたグランドバウンスノイズおよび過渡ノイ
ズの低減装置を提供することを課題とする。
するため、グランドバウンスおよび/または過渡ノイズ
量の関数として、出力電流の変化速度を遅延するグラン
ドバウンスと過渡ノイズを低減する装置を与えることで
ある。
上記目的は、出力パッドドライバを駆動する出力バッフ
ァを含む内部論理デバイスに供する別個の高レベル電力
供給バスおよび低レベル電力供給バス並びに出力パッド
ドライバを与えること、かつ内部論理電力供給バスおよ
び出力ドライババス間の相異を2進状態のスイッチング
により出力ドライババスに誘起されたノイズの関数とな
る制御信号として利用することにより達成される。この
制御信号が出力バッファ内の制御デバイスに帰還されて
、2進状態をスイッチングしている出力パッドドライバ
により出力ドライババスに誘起されたノイズを制御可能
に低減する。
および低電位を備えた内部電力供給バスと、高および低
電位を備えた入力/出力電力供給バスと、出力パッドド
ライバとを有する集積回路に対するノイズ低減装置を与
えることにより達成される。このノイズ低減装置はさら
に多段の、かつ複数最終段付きの、非反転バッファを含
む。これら最終段の一つは前記内部電力供給バスの高お
よび低電位間に接続された第一のインバータを有する。 この第一インバータは出力パッドドライバのP−型トラ
ンジスタを駆動するための出力端を有する。最終段の第
二のものは内部電力供給バスの高および低電位間に接続
される第二のインバータを有する。この第二のインバー
タは出力パッドドライバのN−型トランジスタを駆動す
るための出力端を有する。該第一インバータと該内部低
電位電力供給バスとの間には第一の帰還デバイスが接続
される。この帰還デバイスは、該入力/出力高電位電力
供給バスの電圧レベルが低電位内部電力供給バスに対し
て減少するに伴い、該出力パッドドライバのP−型トラ
ンジスタを駆動する出力の変化速度を減少させるための
ものである。同様に、第二帰還デバイスが該第二のイン
バータと入力/出力低電位電力供給バスとの間に接続さ
れるが、この帰還デバイスは、該入力/出力高電位電力
供給バスの電圧レベルが該入力/出力低電位電力供給バ
スに対して減少するに伴い、出力パッドドライバのN−
型トランジスタを駆動する出力の変化速度を減少させる
ためのものである。本ノイズ低減装置は出力パッドドラ
イバを駆動する出力電圧の変化速度を減少させる。この
減少は入力/出力高電位電力供給バスの電圧レベルの変
化速度を減少させ、それにより2進状態をスイッチング
している出力パッドドライバで発生されるノイズ電圧を
低減する。
を説明する。
0が示されている。入力端Dは第一段の入力であると共
にこのバッファの入力である。この第一段はFET12
、14で構成される。各FET12、14は外部導体お
よび/またはコンポーネントに出力すべき論理信号を受
信するため、そのゲートが入力端Dに接続される。FE
T12、14は一体となって公知のCMOSインバータ
構成を形成する。第一段はFET16、18、20、2
2、24および26のイネーブル/ディスエーブル回路
網に接続される。ENABLE入力がアクティブ低によ
り駆動されるとき、FET16、26はオフにされ、F
ET18はオンにされる。FET18にかかる電圧はそ
の後FET20をオンにし、FET22をオフにする。 FET24はオンにされたFET20により短絡される
。FET20による短絡路が完全でないとしても、FE
T24はアクティブLO ENABLE信号によりオ
ンにされる。当業者はFET22、26がオフになって
おり、FET20、24がオンになっているときは、第
一段FET12、14の出力データが通常時、FET3
0、32および36、38でそれぞれ形成される実質的
に同一の第二段インバータ29、35に伝播することが
了解されよう。
Iで駆動されると、FET16、26はオンにされ、F
ET18はオフにされる。このときFET16にかかる
電圧はFET22をオンにし、FET20、24をオフ
にする。FET22、26がオンの状態の下では、第一
段からの出力データは使用禁止にされ(disable
d )、論理高HIが線FET22を通り、線28を介
して第二段29へ通過し、論理低LOがFET26を通
り、線34を介してもう一つの第二段35に至る。この
論理高HIは第二段29により論理低LOに反転され、
これが線40を介して、FET42、44で構成される
第三段CMOSインバータ41に出力される。同様に第
二段35がその入力端の論理低LOを論理高HIに反転
して、これが線46を介して、FET48、50で構成
されるもう一つの第三段CMOSインバータ47に出力
されるCMOSインバータ41の出力は従って論理高H
Iとなり、CMOSインバータ47の出力が論理低LO
となる。これらの第三段出力はそれぞれ線52、54を
介して図2の出力ドライバ58のP−FET60のゲー
トとN−FET62のゲートとに接続される。P−FE
T60のゲートが論理高HIで駆動され、N−FET6
2のゲートが論理低LOで駆動されるとき、出力ドライ
バ58は高インピーダンス出力状態に駆動される。
アクティブである(すなわちENABLE入力は論理低
LOである)ときの出力バッファ10の2進演算を説明
する。入力DはN−FET12およびP−FET14の
ゲートに接続される。N−FET12およびP−FET
14は、N−FET12とP−FET14との間で直列
であるN−FET20を除けば、CMOSインバータ構
成内の内部高電位電力供給バスのIN VDDと内部
低電位電力供給バスのIN VSSとの間で直列に接
続される。 しかし、前述したように、もしもENABLE入力が論
理低LOに駆動されると、N−FET20は実質的に短
絡路となり、このためこの第一段がCMOSインバータ
段と等価になる。さらにもしもN−FET20が実質的
に短絡路となると、出力線28、34が実質的に同等の
電圧と同等の論理レベルを有することを意味する。
FET32のゲートは線28に共通して接続される。P
−FET30およびN−FET32はさらに、IN
VDDおよびIN VSS間に直列に、CMOSイン
バータ構成となるように直列に接続される。他の第二段
35も同様にP−FET36とN−FET38のゲート
が共通に線34に接続され、P−FET36とN−FE
T38がIN VDDおよびINVSS間にCMOS
インバータ構成となるように直列接続される。第二段2
9、35の出力はそれぞれ、P−FET30、36およ
びN−FET32、38の交点から取られる。線40、
46はそれぞれ第二段29、35の出力端を第三段41
、47に接続する。
バータ段であり、実質的に第二段CMOSインバータ2
9、35に同一である。第三段41はP−FET42と
N−FET44から成る。P−FET42のゲートおよ
びN−FET44のゲートは共通して第二段29からの
線40に接続される。P−FET42およびN−FET
44はIN VDDおよびIN VSSの間に直列
に接続される。この直列接続のドレーンの交点は第三段
41の出力端であり、これは線52に接続される。もう
一つの第三段47は同様に共に線46に接続されたP−
FET48およびN−FET50のゲートに配置される
。またP−FET48はN−FET50のIN VD
DおよびIN VSSと直列に接続される。P−FE
T48およびN−FET50のドレーンの交点は第三段
47の出力点であり、線54に接続される。線52およ
び54は第三段41、47から出力論理駆動信号を、図
2に示す出力パッドドライバ58に送る。
Oに駆動されるときは第二段29および35への入力は
論理的に同一である。さらに、カスケード構成にされた
第二段29および第三段41がカスケード構成の第二段
35および第三段47と実質的に同じであるので、出力
ドライバ58への線52、54上の出力駆動信号は実質
的に同一である。このようにして出力ドライバ58は、
アクティブ低LOがそのENABLE入力端にあるとき
の出力バッファ10により駆動されるとき、本質的にC
MOSインバータである。出力バッファ10により与え
られる論理反転と出力パッドドライバ58の論理反転に
より変えられる三段の論理反転により変えられる三段の
論理反転によって出力線64により出力パッド66へ送
られる論理信号は、四個のインバータの伝播遅延により
遅延されたデータ入力D上の論理信号を非反転したもの
である。
FET60とN−FET62の直列接続からなる。しか
し、IN VDDおよびIN VSSの間に接続す
る代わりにP−FET60とN−FET62のこの直列
の組み合わせは入力/出力高電位電力供給バスI/O
VDDと入力/出力低電位電力供給バスI/O V
SSとの間に接続される。別個の電力供給電位I/O
VDDとI/O VSSを設ける理由は、出力バッ
ファ10を含む内部論理回路を、多数の出力パッドドラ
イバ58のような一群の出力パッドドライバが同時に論
理状態を変化するときに入力/出力電力供給バスに誘起
されるグランドバウンスノイズおよび過渡ノイズから分
離するためである。しかしながらバッファ10が共通の
基準レベルを有し、このレベルから出力パッドドライバ
58を駆動するため、集積回路チップ上であるオフチッ
プ位置で内部電力供給バスIN VDDおよびIN
VSSは入力/出力電力供給バスI/O VDDと
I/O VSSに接続しなければならない。接続をそ
のようなものにしても、依然としていくらかの防止困難
なグランドバウンスおよび過渡ノイズ電圧が内部電力供
給バスに誘起されるかも知れない。さらに設計者はその
ような電圧に対しグランドバウンスおよび電力供給過渡
現象が減衰消滅する鎮静期間を含めるか、あるいはノイ
ズ電圧により誘起されたビットエラーを処理するための
なんらかのエラー訂正装置を含めることが要求される。
ズ低減装置の実施例が示されている。バッファ10’は
図1のバッファ回路10のENABLE回路と機能的に
同一でFET16、18、20、22、24、26を含
むENABLE回路を有する。またFET12、14か
ら成る第一段は図1のバッファ回路10の第一段と機能
的に同一である。
てIN VDDとN−FET38’との間に直列に接
続されるP−FET36’を有する。ただし第二段35
’はFET36’、38’の直列接続の他端が低電位電
力供給バスとしてI/O VSSに接続されている点
が異なる。第三段47’は第二段35’と同様、低電位
電力供給バスとしてI/O VSSに接続されている
。このようにして図2に示す出力ドライバ段58を駆動
する段35’、47’はN−FET62と同様にI/O
VSSに接続される。この接続により、I/O
VSS電圧におけるINVSS電圧レベルに相対的な任
意のグランドバウンスの増大はN−FET38’、50
’および62の利得低下を引き起こす。なぜならばこの
グランドバウンスはそれぞれのゲート−ソース間電圧を
低下させるからである。N−FET38’、50’の利
得低下は段35’、47’が論理状態の切り替えに必要
とする時間を長引かせる。出力スイッチング時間を長引
かせることにより、これらの利得低下は或程度のグラン
ドバウンスを低減する。この時間が長くなるほど、寄生
インダクタンスおよび寄生容量と相互作用する高周波成
分の発生が減少する。さらに、スイッチング時間を長期
化すると、グランドバウンスが生じつつあるときのみ出
力ドライバ58の鎮静時間をより大きくする。そしてグ
ランドバウンスが生じていないときは鎮静時間を大きく
しない。
FET38’、50’に与える負の帰還および利得低下
に加えて、第三段47’、41’は出力ドライバ58(
図2)のスイッチング速度を一層低下させる追加的負の
帰還を与える追加成分を有し、このため以下に述べるよ
うにI/O VSS上のグランドバウンスとI/O
VDD上の過渡ノイズの両方を低減する。
線28、34を介して第二段29’、35’にそれぞれ
接続される。30’、32’を備えた第二段29’は機
能上、図1の第二段29に同一である。この第二段出力
端は線40’、46’を介して第三段41’、47’に
それぞれ接続される。これは第二段29、34が図1の
バッファ10の第三段41、47に接続されると同様で
ある。
、44’、48’、50’を備え、図1でU、V、W、
と記す点において第三段41’、47’が追加的FET
70、72、74、76をそれぞれ含むことを除き、第
三段41および47に機能上同一である。FET70、
74はP−FETで、そのソースがIN VDDに接
続され、ゲートがI/O VSSに接続され、ドレー
ンがFET42’、48’のソースにそれぞれ直列に接
続される。N−FET76はそのソースがIN VS
Sに接続され、ゲートがI/O VDDに接続され、
ドレーンがFET44’のソースと直列に接続される。 N−FET72は前述したようにグランドバウンスが生
じたときに第三段47’の利得を低減するため、そのソ
ースがI/O VSSに接続される。N−FET72
はそのゲートがI/O VDDに接続され、また第三
段41’のN−FET76の接続と同様にドレーンはF
ET50’のソースに直列接続される。第三段41’の
出力は線52’を介してFET42’、44’の交点か
ら図2の出力ドライバ58のP−FET60に接続され
る。 同様にして第三段47’の出力は48’と50’の交点
から線54’を介して出力ドライバ58のN−FET6
2に接続される。
O VSSに接続され、ソースがIN VDDに接
続された状態ではP−FET70、74は通常、完全に
オンにされてIN VDDと第三段41’、47’の
残りとの間の特性オン抵抗に等しい低い直列抵抗を与え
る。もしも入力/出力電源の低電位バスI/O VS
Sが瞬時に、論理レベルのスイッチングを行う出力ドラ
イバ58群によって過負荷にされてバス上にグランドバ
ウンスを生じると、P−FET70、74はそれらのゲ
ート−ソース間電圧を低下される。もしもゲート−ソー
ス間電圧のこの低下が小さいと、P−FET70、74
のオン抵抗は当初不変に留まる。しかしこのゲート−ソ
ース間電圧がさらに低下されると、P−FET70、7
4のオン抵抗はその後増大する。P−FET70、74
のオン抵抗の増大は第三段41’、47’のスイッチン
グ速度を遅速化させ、I/O VSSの瞬間的過負荷
により発生されるすべてのノイズを低減する。もしもI
/O VSS上にノイズが実質上無いと、P−FET
70、74、延ては第三段41’、47’のスイッチン
グ速度は低下されない。
VDDに接続され、ソースがIN VSSに接続され
、またN−FET72はそのゲートがI/OVDDに接
続され、ソースがI/O VSSに接続されており、
これらFETはP−FET70、74により与えられる
と同様のオペレーションを与える。このように接続され
たN−FET72、76は通常は完全にオンにされてお
り、それぞれ、I/O VSSおよびIN VSS
と第三段41’、47’の残りとの間の特性オン抵抗に
等しい低い直列抵抗を与える。もしも入力/出力電力供
給バスI/O VDDの高電位が論理レベルのスイッ
チングを行っている出力ドライバ58群により瞬時に過
負荷にされると、N−FET72、76はそれらのゲー
ト−ソース間電圧を低下される。かかる過負荷はバス上
に過渡ノイズを発生するものである。もしもこのゲート
−ソース間電圧の低下が小さいと、N−FET72、7
6のオン抵抗は当初不変に留まる。しかし、このゲート
−ソース間電圧がさらに低下されるとN−FET72、
76のオン抵抗はその後増大する。N−FET72、7
6のオン抵抗の増大は第三段41’、47’のスイッチ
ング速度の遅速化をもたらし、I/OVDDの瞬間過負
荷により起こされるすべてのノイズを低減する。もしも
I/O VDD上に実質的なノイズがないと、N−F
ET72、76、延ては第三段41’、47’のスイッ
チング速度が低下されない。
も実質的なグランドバウンスがI/O VSS上に存
在すると一時的にスイッチング速度を制限し、N−FE
T72、76は実質的なノイズがI/O VDD上に
存在すると、一時的にスイッチング速度を制限する。P
−FET70、74およびN−FET72、76のかか
る制限特性はこれらの重要な大きさを変化させることに
より製造段階で予め定められる。このようにして10’
は過渡ノイズおよびグランドバウンスがないときは非常
に高速のスイッチング速度で動作できる一方、実質的に
ノイズおよびグランドバウンスが存在するときは自ら低
下させたスイッチング速度で動作することができる。ス
イッチング速度を低下させることにより、I/O V
DDおよびI/OVSS上の瞬間的過負荷が低減され、
これにより2進ビットエラーを生じうる状態を低減する
。
されるグランドバウンスおよび過渡ノイズ電圧を低減す
る装置を開示した。本発明は好ましい実施例を特定しこ
れについて説明し図示したが、当業者にとって形状、詳
細および用途において種々の設計変更が可能であること
を了解されたい。例えば本発明はBiCMOS、TTL
その他の論理回路群と動作させるように変更できる。
る。
れる公知CMOS出力パッドドライバの略線図である。
ファの略線図である。
Claims (2)
- 【請求項1】パッドドライバに接続された出力段を有す
るバッファに使用するノイズ低減装置であって、該バッ
ファが内部高電位および内部低電位の電力供給バスと入
力/出力高電位および入力/出力低電位の電力供給バス
とを有する集積回路内に設けられ、該出力段に接続され
、もしも該入力/出力低電位電力供給バスと該内部高電
位電力供給バスとの間の電位差が減少すると、該内部高
電位電力供給バスから出力段を介して該パッドドライバ
に流れる電流を低減する第一装置と、該出力段に接続さ
れ、もしも該入力/出力高電位電力供給バスと該内部低
電位電力供給バスとの間の電位差が減少すると、該内部
低電位電力供給バスから出力段を介して該パッドドライ
バに流れる第二の電流を低減する第二装置とを含み、も
しも該パッドドライバに接続された該入力/出力低電位
電力供給バスにグランドバウンスノイズが生じると、該
パッドドライバを駆動する第一電流を低減させる該第一
装置により、ノイズを低減し、もしも該パッドドライバ
に接続された入力/出力高電位電力供給バス上に過渡ノ
イズが生じると、該パッドドライバを駆動する該第二電
流を提言させる該第二装置により、ノイズを低減するこ
とを特徴とするノイズ低減装置。 - 【請求項2】内部高電位および低電位の電力供給バスと
入力/出力高電位および入力/出力低電位の電力供給バ
スとを有する集積回路内に設けられるバッファにしてパ
ッドドライバに接続された出力段を有するバッファに使
用するノイズ低減方法であって、該入力/出力低電位バ
スと内部高電位電力供給バスと間の電位差が減少すると
、該出力段を介して内部高電位電力供給バスからパッド
ドライバへ流れる電流を低減するステップと、該入力/
出力高電位バスと内部低電位電力供給バスと間の電位差
が減少するときは、該出力段を介して内部低電位電力供
給バスからパッドドライバへ流れる第二電流を低減する
ステップとを含むノイズ低減方法。
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