JPS6358374B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は集積回路の相互接続に関し、より具体
的には伝送線及び伝送の終端に接続された複数個
の負荷の駆動を含む集積回路相互接続構造に関す
る。

実際のデイジタル・システムの設計にはその周
囲との相互作用を含むいくつかの重要な要素があ
る。集積回路装置間の相互接続は信号損失、信号
歪、及び電力消費の原因となる。このような問題
を生じるのは集積回路装置間の相互接続に含まれ
るキヤパシタンスが主な原因となつている。相互
接続線路が長くて事実上の伝送線になる場合特に
問題が大きくなる。駆動回路とその負荷を相互接
続する線路の電気的長さが線路上の上昇時間に比
べて長くなると、線路は伝送線となり特性インピ
ーダンスが終端しなければ線路上に反射が生じ
る。

デイジタル・システムにおいては伝送線を介し
て一連の負荷を駆動する駆動回路を用いることが
標準的である。伝送線は適当な終端抵抗で終端す
る。このようなことは、半導体技術の初期におい
て個別的なNPN又はPNPトランジスタを同軸ケ
ーブルで接続して回路を形成する場合に行なわれ
ていた。この場合、終端抵抗は個別的な抵抗器で
ある。小規模集積回路の到来によつて集積回路モ
ジユールは担体ボード上に配置されるようになつ
た。駆動回路及びその負荷はモジユール上の種々
の集積回路チツプに含まれた。終端抵抗は精密な
膜型の抵抗器であり数個の集積回路を含むにすぎ
ないチツプを含むモジユールの間に取付けるため
プラスチツクの容器に流し込まれた。集積回路の
集積度が上昇するにつれてモジユール間に抵抗器
を収容する余裕がなくなつてきた。この技術では
終端抵抗器として使用するための拡散抵抗器の集
合を備えた半導体チツプが製造された。そしてこ
の拡散抵抗チツプの近くに高密度集積回路チツプ
が取付けられた。拡散抵抗器の精度は全くおそま
つであつた。

使用される伝送線のインピーダンスは低く、使
用しなければならない信号にとつては伝送線上の
電流は大きすぎる。この電流は拡散終端抵抗器を
流れ、これらの抵抗器の精度は粗末であるから抵
抗器における電力消費のばらつきは許容できない
ほど大きい。また、拡散抵抗器の低精度のために
伝送線上の反射が増大する。

従来技術において可変抵抗素子が知られてい
る。このような可変抵抗素子はメモリ・セル回路
において使用されている。この素子は拡散領域を
有する抵抗領域の形をとることが多い。この抵抗
器はチヤンネルと呼ばれる中心領域に主に配置さ
れる。このチヤンネルは中心的拡散領域に接続さ
れた電極に適当な電圧を印加することによつて電
気的に狭めることができる。この型の可変抵抗器
は、米国特許第3510735号、第3693057号、第
3801886号、第3979612号の各明細書及び
“Physics and Technology of Semiconductor
Devices”A.S.Grove著、John Wiley ＆ Son、
Inc.社出版、1967年の第244乃至251頁に記載され
ている。

本発明は、高密度集積回路構造に適した相互接
続構造を提供することを目的とする。種々の集積
回路装置の駆動回路が伝送線によつて一連の負荷
に接続される。駆動回路がこれらの一連の負荷の
それぞれを駆動する。一連という用語は線路を伝
わつてくる信号が第１負荷をスイツチし次いで第
２負荷というように時間的な意味で使用されてい
る。一連の負荷の最後の負荷は可変終端抵抗器を
有する集積回路チツプに配置されている。この可
変終端抵抗器は伝送線の終端抵抗器である。伝送
線の精密な終端が得られるように終端抵抗器の抵
抗を調整するため該抵抗器に電圧を印加する回路
手段が備えられる。

調整電圧を発生する手段としては電圧比較器を
使用する。電圧比較器は基準電圧及び信号電圧入
力をとる。信号電圧入力は可変終端抵抗器の実際
の抵抗値に比例する。基準電圧は終端抵抗器の所
望の値に比例する。従つて比較器の出力は実際の
抵抗値と所望の抵抗値との差に比例する。この差
電圧は、可変終端抵抗器の適当な端子に印加され
る時、抵抗を変化させ所望の値にほぼ等しくす
る。これによつて電力消費の変動が低減し、また
反射も減少する。

１つの比較器を複数個の抵抗器に接続すること
ができる。シリコン・チツプの面積を節約するた
めに１つの比較器で多数の抵抗器を扱うのがよ
い。集積回路の拡散抵抗器はチツプ上で広い公差
変動を有するが相互に関しては概してほとんど変
動しないので、上記のような構成は実際的であ
る。すなわち、これらの抵抗器の絶対的な抵抗値
はすべて所望の値の相当上又は下にあるが、これ
らの値の相対的な差は極く小さい。このことは追
従と呼ばれており、抵抗値が近密に追従するの
で、１つの比較器を用いて同じチツプ上の多数の
抵抗器の値を調整することができる。

次に図面を参照して本発明の実施例を説明す
る。第１図は伝送線１４上の複数個の負荷１２を
駆動するのに使用される基本的なエミツタ・フオ
ロワ駆動回路１０を示す。複数個の負荷１２の間
の間隔は異なつていてよい。これらの異なつた間
隔によつて広範囲のインピーダンスが生じ、その
すべては終端抵抗器１６によつて終端する。種々
の負荷のための終端用に異なつた値の無数の終端
抵抗器を用いるのは非実際的である。従つて、半
導体装置の相互接続構造に必要な終端抵抗器の数
を減少させ且つある程度の反射を許容するように
相互接続構造を設計することが行なわれてきた。

第２図は駆動回路及び負荷から見た個々の物理
的な実装素子を示す。集積回路チツプ２０がはん
だリフロー接続２４によつてモジユール２２の表
面に取付けられている。代りに基板２２は内部に
金属配線を有する多層セラミツク構造であつても
よい。半導体装置２０の集積回路はモジユール・
ピン２６によつてボード２８に物理的及び電気的
に接続される。ピン２６はボード２８の開口を延
びて金属層３０によつてボード２８内の電気的伝
送線３２に接続される。後の設計変更のために各
ピンについて２つの開口が用意されている。各開
口はその表面に金属導体層３３を有する。スタブ
と呼ばれる負荷は、開口、ピン、モジユール層そ
の他の個々の物理的実装素子の合計キヤパシタン
スで構成される。第１図は駆動回路１０によつて
駆動されるべき各モジユールの位置に従つて各負
荷が伝送線に沿つて分布している状態を示す。

第３図はスタブ負荷キヤパシタンスCLを考慮
した第１図の回路の等価回路を示す。第３図で駆
動回路１０は電圧源３４及び内部インピーダンス
３６を含むものとして示されている。第４図を参
照すると、伝送線は無負荷線路インピーダンス
Zφではなく負荷線路インピーダンスZ′をとり、
駆動回路はインピーダンスの減少を補償しなけれ
ばならない。次の式は負荷線路インピーダンスと
無負荷線路インピーダンスとの間の関係を示す。

Z′＝Zφ／１＋μCL／Cd μ＝CLの負荷の数 Ｃ＝無負荷線路キヤパシタンス ｄ＝CL負荷間の間隔 Zφ＝無負荷線路インピーダンス Z′＝負荷線路インピーダンス 第４図は一定なスタブ負荷キヤパシタンスCL
についてCL間の間隔ｄに対する負荷線路インピ
ーダンスの変化を表わす。この曲線は伝送線が均
一に負荷されている状態で間隔ｄを変えた場合の
ものである。これと異なる条件の場合には伝送線
をいくつかの断片に分けることができる。この例
を第５図に示す。一連の負荷４０が駆動回路４２
から相当遠くに位置している。この場合には負荷
伝送線４８と整合させるために２つの無負荷５０
オーム伝送線路４４及び４６を並列に用いる必要
がある。実効インピーダンスＺ１は25オームとな
るから終端抵抗器５０は25オームでなければなら
ない。

種々の技術においてスタブ負荷キヤパシタンス
CLのとる代表的な値は小規模集積回路では6.3pf
で大規模集積回路では３乃至9pfである。小規模
集積でも大規模集積でもボードについての代表的
な無負荷線路インピーダンスは70−90オームでモ
ジユールについては40−70オームである。伝送線
の代表的な長さは最大1.3−1.8ｍである。最小の
負荷線路インピーダンスは30オームのオーダであ
る。間隔ｄは小規模集積については３cm、大規模
集積では1.3cm以上である。

第６図は、伝送線の精密な終端を達成するよう
抵抗値を調整するために可変終端抵抗器に印加す
る電圧を発生する回路の実施例を示す。この実施
例では電圧発生手段はトランジスタＴ１及びＴ２
を含む差動増幅器である。基準電圧及び信号電圧
入力を比較し両者の差である出力が出される。差
動増幅器の出力はトランジスタＴ３及びＴ４を含
む第２の差動増幅器に送られる。第２差動増幅器
の出力はエミツタ・フオロワ駆動トランジスタＴ
５を介して可変抵抗器６０の値を制御するために
帰還され第１の差動増幅器の差出力が低減され
る。抵抗器Ｒ１及びＲ２は集積抵抗器でありその
正確な値は回路の動作にとつて重要でない。抵抗
値の比率を制御するか一定に維持することが重要
である。抵抗器Ｒ３は終端抵抗器として使用され
るものではないから第１重要度の高周波特性を有
する必要はない。基準電圧の値は抵抗器Ｒ１及び
Ｒ２の比率によつて決められる。可変抵抗の値は
次の式で表わすことができる。

可変抵抗値＝Ｋ×R3（R2／R1） 上式でＫは比較器の利得及び可変抵抗器の特性
に関係する変数である。エミツタ・フオロワ・ト
ランジスタＴ５の出力は集積回路チツプ上の可変
抵抗器のすべてを駆動する。図の回路では終端抵
抗器６０は大地を帰路としている。他の終端抵抗
器バイアスに対して類似の構成の増幅器を使用す
ることができる。

第７図は可変抵抗器に印加する電圧を発生する
回路の第２のより簡単な実施例を示す。第６図に
おけるトランジスタＴ３及びＴ４からなる第２の
差動増幅器は可変終端抵抗器制御の精度を増すた
めに必要とされたにすぎない。第７図の回路は第
２の差動増幅器を含まない。第６図と第７図の回
路はよく似ているので同様の回路構造に対して同
様の参照番号を使用している。その動作は実質的
に同じである。

第８図は第６図及び第７図の回路に使用された
可変抵抗器６０の１つの形即ちピンチ抵抗器を示
す。誘電性分離材料７０又は接合分離など適当な
分離技術によつて分離された単結晶シリコン領域
に抵抗器７２が形成されている。抵抗器７２はＰ
型でありその両端に接点７４及び７６が設けられ
ている。第１のＮ＋領域78が抵抗領域の中心部に
位置している。領域78とＰ型抵抗器の反対側に位
置する第２のＮ＋領域80との間に狭いチヤンネル
が形成される。領域78には接点８２が設けられて
いる。抵抗器７２の抵抗値を調整するための電圧
はこの接点８２に印加される。図とは反対の導電
型を用い、領域72をＮ−型、領域78及び80をＰ＋
型とすることも可能である。第８図の構造ではＮ
＋領域78及び80は領域72に関して常に正にバイア
スされている。このことは空乏層が主に領域72内
にあることを意味する。このバイアス電圧が強め
られると、空乏領域が広がり端子74及び76間の抵
抗値が増大する。正のバイアスが低減される時反
対の効果が現われる。バイアス電圧は端子８２に
印加され、この端子に比較器出力（第７図のＴ
５）が接続されるのである。第８図の領域８０に
は一定のバイアスが印加されている。この領域は
全チツプに延びるのでバイアス端子は１つだけ使
用するのが一般的である。この端子は第８図に示
していない。

第９図に動作領域を点線で示してある。端子８
２に印加される所与の値VGに対して終端抵抗器
がとる実際の値をVG曲線上の点にVD対IDの比
で示してある。たとえば、第９図の点番号１は点
線内のVG＝０曲線上にある。抵抗値はVD1を
ID1で割つた値である。

第１０図は高密度集積回路チツプの配列図であ
る。集積回路チツプ９０の表面の１部が第１０図
に示されている。論理回路LCはエミツタ結合論
理回路、トランジスタ・トランジスタ結合回路、
ダイオード・トランジスタ結合回路などのような
任意のバイポーラ技術のものであつてよい。領域
92は論理回路領域LCに類似の論理回路領域であ
るが、それぞれその領域内に可変終端抵抗器を備
えている。DRIVERで示される駆動回路領域も
含まれている。基準電圧セルであるセル９４も含
まれている。セル９４は集積回路の可変抵抗器に
印加する電圧を発生し印加するための手段であ
る。この基準電圧セルは集積回路チツプ上にただ
１つであつてもよく所与の領域の可変抵抗器を制
御するために多くの領域に設けられていてもよ
い。領域96は配線用の領域である。

第１１図はモジユール１０２，１０３及び１０
４を支持するためのモジユール支持体又はボード
１００を示す。それぞれのモジユールは第１０
図、に示す型の集積回路チツプ１０６を有する。
モジユールはピン１０８によつてボード１００に
物理的及び電気的に接続されている。ボード１０
０内には集積回路遅延チツプ１０６上の回路を相
互接続する伝送線１１０がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は一連の負荷及びその終端抵抗器に対す
る駆動回路を示す図、第２図はボード上のモジユ
ールに集積回路チツプが取付けられている態様を
示す図、第３図は第１図の回路のインピーダンス
及び負荷キヤパシタンス特性を示す図、第４図は
負荷間の間隔に対する負荷線路インピーダンスの
特性曲線を示す図、第５図は負荷伝送線と整合を
とるために接続された２本の無負荷伝送線を示す
図、第６図は可変終端抵抗器に印加する電圧を発
生する回路の第１実施例を示す図、第７図は可変
終端抵抗器に印加する電圧を発生する回路の第２
実施例を示す図、第８図は可変終端抵抗器の１つ
の形の半導体構造を示す図、第９図は第８図のも
のに対する電流電圧特性を示す図、第１０図は集
積回路装置の１部分の配列を示す図、第１１図は
伝送線を含むボード上に取付けられたモジユール
に含まれる高密度集積回路の接続を示す図であ
る。 １０……駆動回路、１２……負荷、１４……相
互接続線、１６……終端抵抗。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 一連の負荷が接続された相互接続線と、 前記負荷を前記相互接続線を介して駆動する集
   積回路装置に含まれる駆動手段と、 前記一連の負荷における最後の負荷が配置され
   ている集積回路装置に設けられ、抵抗値調整電圧
   の印加に応じて抵抗値を変える可変抵抗器と 所定基準電圧と前記可変抵抗器の抵抗値に比例
   する信号電圧とを比較して当該両電圧の差を出力
   する電圧比較器を有し、前記相互接続線の適正な
   終端が得られるように前記両電圧の差に相当する
   電圧を前記抵抗値調整電圧として前記可変抵抗器
   に印加するための手段と、 を備える集積回路相互接続構造体。