JPWO2008126290A1 - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

クロックに同期して動作する回路を含む内部回路に電源を供給する電源線を流れる電流量を調整する電流量調整部を設け、クロックの立ち上がりエッジに流れる電流及び立ち下がりエッジに流れる電流による消費電荷量の比を調整するようにして、電源線に発生するノイズを抑制できるようにする。

Description

本発明は、半導体装置に関し、詳しくは、半導体装置で発生するノイズの低減技術に関する。

図８は、従来の半導体装置におけるノイズ低減技術を示す（例えば、特許文献１参照。）。半導体装置１００内の内部回路１１０は、クロックに同期して動作する回路を含む内部回路であり、図８においては、模式的にクロックＣＬＫが入力されるバッファ１１１で示している。内部回路１１０には、ＶＤＤ電源線１０３により電源電位ＶＤＤが供給され、ＶＳＳ電源線１０４により基準電位ＶＳＳが供給される。

この内部回路１１０の出力がスイッチすると、内部回路１１０に繋がる電源線１０３、１０４にスイッチングによる高周波のノイズが発生する。発生したノイズは、電源線１０３、１０４を伝播し、端子１０１、１０２を介して外部の電源線１０５、１０６まで伝播する。

従来においては、発生したノイズが伝播する経路の途中にローパスフィルタ（ＬＰＦ）１２０を設け、外部に伝播するノイズを抑制していた。ＬＰＦ１２０は、図８に一例を示すように、例えば半導体装置１００内のＶＤＤ電源線１０３とＶＳＳ電源線１０４との間に接続される容量１２１で構成される。

また、ノイズ対策を有効に実施するために、集積回路から発生するノイズを、集積回路の回路設計又はレイアウト設計の段階で評価できるようにするシミュレーション方法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

特開平８−１０２５２５号公報 特開平１１−１２０２１４号公報

本発明は、半導体装置における基本動作周波数の整数倍の高調波のノイズを抑制することを目的とする。

本発明の半導体装置は、クロックに同期して動作する回路を含む内部回路と、内部回路に電源を供給する電源線と、クロックに同期して電源線を流れる電流量を調整する電流量調整部とを有し、電流量調整部は、クロックの立ち上がりエッジに流れる電流量及び立ち下がりエッジに流れる電流量を調整することを特徴とする。

本発明によれば、クロックの立ち上がりエッジに電源線を流れる電流による消費電荷量と立ち下がりエッジに電源線を流れる電流による消費電荷量との比を調整し、電源線に発生するノイズを抑制することができる。

図１は、本発明の一実施形態による半導体装置の構成例を示す図である。 図２は、半導体装置の電源線に流れる電流量とクロックとの関係を示す図である。 図３は、高調波ノイズ量と電流波形面積比との関係を示す図である。 図４は、本実施形態における半導体装置の具体的な構成例を示す図である。 図５は、図４に示した半導体装置に係る電流量調整処理を示すフローチャートである。 図６は、本実施形態における半導体装置の他の具体的な構成例を示す図である。 図７は、図６に示した半導体装置に係る電流量調整処理を示すフローチャートである。 図８は、従来の半導体装置におけるノイズ低減技術を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の一実施形態による半導体装置の構成例を示す図である。
図１において、内部回路１０は、クロックに同期して動作する回路を含む内部回路であり、半導体装置の基本動作クロック（以下、単に「クロック」と称す。）ＣＬＫが入力されるバッファ１１で模式的に図示している。内部回路１０は、電源電位ＶＤＤを供給するためのＶＤＤ電源線４及び基準電位ＶＳＳを供給するためのＶＳＳ電源線５が接続されている。

ローパスフィルタ（ＬＰＦ）２０は、電源線４、５を伝播するノイズを抑制するための回路である。ＬＰＦ２０は、例えばＶＤＤ電源線４とＶＳＳ電源線５との間に接続される容量２１で構成される。なお、本実施形態は、ＬＰＦ２０の有無及び構成に限定されない。

電流量調整部３０は、クロックＣＬＫ及び電流判定部５０からの制御信号が入力され、半導体装置内のＶＤＤ電源線４及びＶＳＳ電源線５に流れる電流量を調整する。具体的には、電流量調整部３０は、電流判定部５０からの制御信号に応じて、クロックＣＬＫに同期して、クロックの立ち上がりにＶＤＤ電源線４及びＶＳＳ電源線５に流れる電流量（以下、クロックの立ち上がりに流れる電流量と称す。）と立ち下がりにＶＤＤ電源線４及びＶＳＳ電源線５に流れる電流量（以下、クロックの立ち下がりに流れる電流量と称す。）を個別に調整する。

電流観測部４０は、電源線４、５に流れる電流量を観測する。
電流判定部５０は、電流観測部４０による電流量の観測結果に基づいて、電源線４、５を流れる電流量が適切であるか否かを判定する。電流判定部５０は、クロックの立ち上がりに流れる電流量と立ち下がりに流れる電流量との関係が適切であるか否かを比較判定し、その判定結果に応じた制御信号を電流量調整部３０に出力する。

ここで、半導体装置内の内部回路１０においては、図２に一例を示すようにクロックＣＬＫの立ち上がりエッジと立ち下がりエッジに同期してパルス状の電流が流れる。この電流波形によって、ノイズの性質及びノイズ量が決まる。

図２は、半導体装置の電源線４、５に流れる電流量とクロックＣＬＫとの関係を示す図である。図２に示すように、クロックＣＬＫは周期ｔｃ〔ｓ〕（周波数ｆｃ〔Ｈｚ〕）とし、クロックＣＬＫの立ち上がり時の電流波形面積をＳｒとし、クロックＣＬＫの立ち下がり時の電流波形面積をＳｆとする。電流波形面積Ｓｒ、Ｓｆは、それぞれクロックＣＬＫのエッジにおいて内部回路１０等により消費される電荷量に相当する。

図３は、電流波形面積Ｓｒ、Ｓｆを変化させた場合の発生するノイズ量を示している。図３において、縦軸はノイズ量〔ｄＢμＡ〕であり、横軸は電流波形面積Ｓｒを一定として電流波形面積Ｓｆを変化させたときの電流波形面積比（Ｓｆ／Ｓｒ）である。

図３に示す線ＮＳｉ（ｉは添え字であり、ｉ＝１、２、３、４、５、６）は、図２に示したような半導体装置の電源線４、５に流れる電流の電流波形をフーリエ解析し、基本動作周波数の整数倍の高調波成分のピーク値をプロットして得られるものである。線ＮＳｉは、基本動作周波数のｉ倍高調波のノイズ量を示している。

図３から分かるように、基本動作周波数の奇数倍高調波については極小点が存在する。極小点に対応する電流波形面積比（Ｓｆ／Ｓｒ）となるように電源線に流れる電流量を調整すれば、基本動作周波数の奇数倍高調波のみノイズ量を低減することができる。

そこで、本実施形態では、電流観測部４０が電源線４、５に流れる電流量を観測し、その観測結果に基づいて、電流判定部５０が奇数倍高調波の極小点に対応する電流波形面積比（Ｓｆ／Ｓｒ）であるか否かを判定する。そして、電流判定部５０での判定結果に応じた制御信号に従って、電流量調整部３０がクロックＣＬＫの立ち上がりに流れる電流量及び立ち下がりに流れる電流量を、極小点に対応する電流波形面積比（Ｓｆ／Ｓｒ）とするように調整する。これにより、基本動作周波数の奇数倍高調波のノイズを抑制することができる。

図４は、本実施形態における半導体装置の具体的な構成例を示す図である。この図４において、図１に示したブロック等と同一の機能を有するブロック等には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

半導体装置１は、内部回路１０、ＬＰＦ２０、及び電流量調整部３０を有する。半導体装置１内のＶＤＤ電源線４は、ＶＤＤ端子２を介して外部のＶＤＤ電源線６と電気的に接続されている。同様に、半導体装置１内のＶＳＳ電源線５は、ＶＳＳ端子３を介して外部のＶＳＳ電源線７と電気的に接続されている。

電流観測部４０は、外部のＶＤＤ電源線６に直列接続された抵抗４１と、抵抗４１の両端の電圧を測定するオシロスコープ４２を有する。オシロスコープ４２は、半導体装置１のクロックＣＬＫが供給され、クロックＣＬＫと同期して動作させる。電流判定部５０は、オシロスコープ４２により得られる波形を基に、電流波形面積比（Ｓｆ／Ｓｒ）が適切であるか否かを判定する。

なお、図４においては、オシロスコープ４２に対して半導体装置１の内部からクロックＣＬＫを供給するようにしているが、クロックＣＬＫに相当する半導体装置１に外部から供給されるクロックを供給するようにしても良い。しかし、一般には半導体装置１内部にてクロックの分配等が行われるので、位相のずれ等を防止するために半導体装置１の内部からクロックＣＬＫを供給することが望ましい。

電流調整部３０は、第１の可変容量回路（第１の負荷回路）３１、第２の可変容量回路（第２の負荷回路）３２、レジスタ３３、ヒューズ回路（記憶回路）３４、マルチプレクサ（選択回路）３５、及びバッファ３６を有する。

バッファ３６には、クロックＣＬＫが入力される。バッファ３６は、ＶＤＤ電源線４により電源電位ＶＤＤが供給され、ＶＳＳ電源線５により基準電位ＶＳＳが供給される。

第１の可変容量回路３１は、容量値を制御可能な容量回路であり、ＶＤＤ電源線４とバッファ３６の出力信号線（クロックが伝播されるクロック信号線）Ｌ１との間に接続される。第１の可変容量回路３１は、クロックＣＬＫがハイレベルからローレベルに遷移したとき、すなわち立ち下がり時に作用する。第１の可変容量回路３１の容量値を増加させると、クロックＣＬＫの立ち下がりに流れる電流量（電流波形面積Ｓｆ）が増大する。

第１の可変容量回路３１は、例えば複数の容量素子ＣＡｐ（ｐは添え字であり、自然数）とスイッチトランジスタＴＡｐで構成される。容量素子ＣＡｐは、第１電極が出力信号線Ｌ１に接続され、第２電極がスイッチトランジスタＴＡｐを介してＶＤＤ電源線４に接続される。スイッチトランジスタＴＡｐのゲートにはマルチプレクサ３５の出力が供給され、その出力に応じて独立してオン／オフ制御される。したがって、例えば複数の容量素子ＣＡｐの容量値を２^(p-1)Ｃとすることで、容量値Ｃの任意の整数倍に第１の可変容量回路３１の容量値を制御することができる。

第２の可変容量回路３２は、容量値を制御可能な容量回路であり、バッファ３６の出力信号線（クロック信号線）Ｌ１とＶＳＳ電源線５との間に接続される。第２の可変容量回路３２は、クロックＣＬＫがローレベルからハイレベルに遷移したとき、すなわち立ち上がり時に作用する。第２の可変容量回路３２の容量値を増加させると、クロックＣＬＫの立ち上がりに流れる電流量（電流波形面積Ｓｒ）が増大する。

第２の可変容量回路３２は、例えば複数の容量素子ＣＢｑ（ｑは添え字であり、自然数）とスイッチトランジスタＴＢｑで構成される。容量素子ＣＢｑは、第１電極がＶＳＳ電源線５に接続され、第２電極がスイッチトランジスタＴＢｑを介して出力信号線Ｌ１に接続される。スイッチトランジスタＴＢｑのゲートにはマルチプレクサ３５の出力が供給され、その出力に応じて独立してオン／オフ制御される。したがって、例えば複数の容量素子ＣＢｑの容量値を２^(q-1)Ｃとすることで、容量値Ｃの任意の整数倍に第２の可変容量回路３２の容量値を制御することができる。

なお、第１の可変容量回路３１及び第２の可変容量回路３２の構成は、これに限定されるものではなく、バラクタ素子を用いて構成するようにしても良い。また、設計段階において、電流波形面積比（Ｓｆ／Ｓｒ）を極小点近傍とする容量値が決定できる場合には、可変容量回路にかえて容量値が固定の容量を設けるようにしても良い。

レジスタ３３は、電流判定部５０からの制御信号が供給され、第１の可変容量回路３１及び第２の可変容量回路３２の容量値（負荷）を制御するための制御コード（設定値）が書き込まれる。レジスタ３３に書き込まれた制御コードに応じて、スイッチトランジスタＴＡｐ、ＴＢｑがオン／オフ制御され、第１の可変容量回路３１及び第２の可変容量回路３２の容量値が制御される。

なお、後述するようにして、第１の可変容量回路３１及び第２の可変容量回路３２の容量値を制御するための制御コード（設定値）が決定された場合には、決定した制御コードをヒューズ回路３４により記憶しておき、マルチプレクサ３５によってヒューズ回路３４からの制御コードに応じてスイッチトランジスタＴＡｐ、ＴＢｑをオン／オフ制御するようにしても良い。

また、図４に示した半導体装置においては、電流調整部３０内にレジスタ３３、ヒューズ回路３４、及びマルチプレクサ３５を設けて、マルチプレクサ３５がレジスタ３３又はヒューズ回路３４からの制御コードに応じた出力を選択的に行うようにしているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、ヒューズ回路３４及びマルチプレクサ３５を設けずにレジスタ３３のみを設けて、レジスタ３３が書き込まれた制御コードに応じてスイッチトランジスタＴＡｐ、ＴＢｑをオン／オフ制御するようにしても良い。

図４に示した半導体装置に係る電流量調整処理について、図５を参照して説明する。
まず、電流観測部４０が、オシロスコープ４２によりＶＤＤ電源線６に直列接続された抵抗４１の両端の電圧を測定することにより電流波形を取得する（Ｓ１１）。

次に、電流判定部５０が、電流観測部４０で取得された電流波形に基づいて、クロックの立ち上がりにおける電流波形面積Ｓｒ及びクロックの立ち下がりにおける電流波形面積Ｓｆに相当する値を求める（Ｓ１２）。そして、電流判定部５０が、求めた電流波形面積ＳｒとＳｆとを比較する（Ｓ１３）。

比較の結果、電流波形面積Ｓｆが電流波形面積Ｓｒよりも小さい場合には、電流判定部５０は、電流波形面積Ｓｆを増加させるように、すなわち第１の可変容量回路３１の容量値を増加させるように設定値（制御コード）をレジスタ３３に書き込む（Ｓ１４）。一方、電流波形面積Ｓｆが電流波形面積Ｓｒよりも大きい場合には、電流判定部５０は、電流波形面積Ｓｒを増加させるように、すなわち第２の可変容量回路３２の容量値を増加させるように設定値（制御コード）をレジスタ３３に書き込む（Ｓ１５）。

上述したステップＳ１１〜Ｓ１５の処理を繰り返し行い、電流波形面積比（Ｓｆ／Ｓｒ）が１となるように制御する。これにより、電流波形面積比（Ｓｆ／Ｓｒ）が、図３に示した基本動作周波数の奇数倍高調波の極小点に対応する電流波形面積比（Ｓｆ／Ｓｒ）となり、奇数倍高調波のノイズが発生することを抑制することができる。
なお、最終的な電流波形面積比（Ｓｆ／Ｓｒ）は１でなくともよく、極小点近傍（例えば電流波形面積比（Ｓｆ／Ｓｒ）が１±０．０３の範囲内程度が望ましい）であっても良い。

また、上述した説明では、電流波形面積Ｓｆが電流波形面積Ｓｒよりも小さいとき、第１の可変容量回路３１の容量値を増加させるように制御しているが、第２の可変容量回路３２の容量値を減少させることが可能な状態である場合には、第２の可変容量回路３２の容量値を減少させて電流波形面積Ｓｒを減少させるように制御しても良い。同様に、電流波形面積Ｓｆが電流波形面積Ｓｒよりも大きいとき、第１の可変容量回路３１の容量値を減少させることが可能な状態である場合には、第１の可変容量回路３１の容量値を減少させて電流波形面積Ｓｆを減少させるように制御しても良い。

図６は、本実施形態における半導体装置の他の具体的な構成例を示す図である。この図６において、図１及び図４に示したブロック等と同一の機能を有するブロック等には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図６に示す構成と図４に示す構成とは、電流観測部４０の構成が異なる。図６においては、電流観測部４０は、ＶＤＤ電源線６を流れる電流によって発生する磁界を検出する磁界プローブ４６及びスペクトラムアナライザ４７を有する。ここで、一般的なスペクトラムアナライザ４７では、位相情報を取得できないため、クロックの立ち上がりにおける電流量とクロックの立ち下がりにおける電流量とを判別することはできない。そこで、図６に示した構成においては、図７に示す制御フローに従って、半導体装置に係る電流量調整を行う。

図７は、図６に示した半導体装置に係る電流量調整処理を示すフローチャートである。
まず、電流観測部４０が、スペクトラムアナライザ４７によりＶＤＤ電源線６の磁界変化を検出し、流れる電流に基づくスペクトラム波形を取得する（Ｓ２１）。次に、電流判定部５０は、第２の可変容量回路３２の容量値を増加させるように設定値（制御コード）をレジスタ３３に書き込む（Ｓ２２）。これにより、電流波形面積Ｓｒが増加する。

続いて、電流観測部４０が、再びＶＤＤ電源線６を流れる電流に基づくスペクトラム波形を取得する（Ｓ２３）。そして、電流判定部５０は、ステップＳ２１、Ｓ２３において電流観測部４０で取得されたスペクトラム波形を解析して基本波成分を比較し、基本波成分が増加しているか否かを判定する（Ｓ２４）。なお、図７においては、基本波成分を比較するようにしているが、奇数倍高調波であっても良い。

判定の結果、基本波成分が増加している場合には、電流判定部５０は、第１の可変容量回路３１の容量値を増加させるように設定値（制御コード）をレジスタ３３に書き込む（Ｓ２５）。一方、基本波成分が減少している場合には、電流判定部５０は、第２の可変容量回路３２の容量値を増加させるように設定値（制御コード）をレジスタ３３に書き込む（Ｓ２６）。

上述したステップＳ２１〜Ｓ２６の処理を繰り返し行い、図３に示した基本動作周波数の奇数倍高調波の極小点に向かって電流波形面積比（Ｓｆ／Ｓｒ）を変化させるように制御することで、奇数倍高調波のノイズが発生することを抑制することができる。

なお、基本波成分が増加したとき、第２の可変容量回路３２の容量値を減少させることが可能な状態である場合には、第２の可変容量回路３２の容量値を減少させるように制御しても良い。同様に、基本波成分が減少したとき、第１の可変容量回路３１の容量値を減少させることが可能な状態である場合には、第１の可変容量回路３１の容量値を減少させるように制御しても良い。

また、上述した実施形態では、電流量調整部３０は、ＶＤＤ電源線４と出力信号線Ｌ１との間に接続される可変容量回路３１と、出力信号線Ｌ１とＶＳＳ電源線５との間に接続される可変容量回路３２との２つの可変容量回路を備えるようにしているが、本発明はこれに限定されるものではない。

例えば、クロックＣＬＫの立ち下がりに流れる電流量（電流波形面積Ｓｆ）が立ち上がりに流れる電流量（電流波形面積Ｓｒ）よりも小さくなるように設計し、第１の可変容量回路３１だけを設けるようにしても良い。また、例えば、逆にクロックＣＬＫの立ち下がりに流れる電流量（電流波形面積Ｓｆ）が立ち上がりに流れる電流量（電流波形面積Ｓｒ）よりも大きくなるように設計し、第２の可変容量回路３２だけを設けるようにしても良い。

なお、半導体装置が複数のクロックドメインを有する場合には、クロックドメイン毎に本発明を適用することが可能である。すなわち、あるクロックドメインにおいては電流量調整部３０を設けて電流量の調整を行い、他のクロックドメインにおいては電流量の調整を行わないようにしても良い。

また、図４及び図６に示した構成においては、半導体装置１の外部に電流観測部４０及び電流判定部５０を設けているが、半導体装置１の内部に電流観測部４０及び電流判定部５０を設けるようにしても良く、また、電流観測部４０及び電流判定部５０の一方だけを半導体装置１の内部に設けるようにしても良い。

また、前記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化のほんの一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

本発明によれば、基本動作周波数の奇数倍高調波の極小点に対応する電流波形面積比となるように、クロックの立ち上がりにおける電流量及び立ち下がりにおける電流量を調整することにより、基本動作周波数の奇数倍高調波のノイズを抑制することができる。

Claims (17)

1. クロックに同期して動作する回路を含む内部回路と、
   前記内部回路に電源を供給する電源線と、
   前記クロックに同期して、前記クロックの立ち上がりエッジに前記電源線を流れる第１の電流の量及び前記クロックの立ち下がりエッジに前記電源線を流れる第２の電流の量を調整する電流量調整部とを備えることを特徴とする半導体装置。
2. 前記電流量調整部は、前記第１の電流による消費電荷量と前記第２の電流による消費電荷量とが等しくなるよう、前記第１の電流の量と前記第２の電流の量とを調整することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記電流量調整部は、前記電源線のうち電源電位を供給する第１の電源線と前記クロックが伝播される信号線との間に接続される第１の負荷回路、及び前記電源線のうち基準電位を供給する第２の電源線と前記クロックが伝播される前記信号線との間に接続される第２の負荷回路の少なくとも一方を有することを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置。
4. 前記第１及び第２の負荷回路は、負荷が可変であることを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
5. 前記第１及び第２の負荷回路は、容量値を変更可能な可変容量回路であることを特徴とする請求項３又は４記載の半導体装置。
6. 前記可変容量回路は、複数の容量素子と各容量素子に対応するスイッチング素子との組が、前記電源線と前記クロックが伝播される前記信号線との間に並列接続されていることを特徴とする請求項５記載の半導体装置。
7. 前記電流量調整部は、前記第１及び第２の負荷回路を制御する制御レジスタを有し、
   前記制御レジスタに設定された設定値に応じて、前記第１及び第２の負荷回路による負荷の大きさが制御されることを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項に記載の半導体装置。
8. 前記電流量調整部は、
   固定値を記憶する記憶回路を有し、
   前記記憶回路から出力される前記固定値に応じて前記第１及び第２の負荷回路による負荷の大きさを制御する選択回路を有することを特徴とする請求項３〜７のいずれか１項に記載の半導体装置。
9. 前記記憶回路は、ヒューズ回路であることを特徴とする請求項８記載の半導体装置。
10. 前記電源線を流れる電流量の観測結果に基づいて、前記第１の電流の量及び前記第２の電流の量を比較し、比較結果に応じた制御信号を前記電流量調整部に供給する電流判定部を備えることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
11. 前記電流判定部は、前記第１の電流による消費電荷量と前記第２の電流による消費電荷量との大小を判定することを特徴とする請求項１０記載の半導体装置。
12. 前記電流判定部は、前記電流量調整部による電流量の調整前後で、前記クロックの周波数の（２ｎ−１）倍（ｎは任意の自然数）の周波数成分が増加したか否かを判定することを特徴とする請求項１０又は１１記載の半導体装置。
13. 前記電源線を流れる電流量を観測し、観測結果を前記電流判定部に出力する電流観測部を備えることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の半導体装置。
14. 前記電流観測部は、前記電源線に直列接続された電流検出抵抗の両端の電圧を、前記クロックに同期して測定する電圧測定部であることを特徴とする請求項１３記載の半導体装置。
15. 前記電流観測部は、前記電源線に流れる電流の量を、当該電流による磁界に基づいて観測するスペクトラム検出部であることを特徴とする請求項１３記載の半導体装置。
16. 前記半導体装置は、複数のクロックドメインをもち、少なくとも１つのクロックドメインに前記電流量調整部を備えることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載の半導体装置。
17. 前記複数のクロックドメイン毎に前記第１の電流の量及び前記第２の電流の量が調整可能であることを特徴とする請求項１６記載の半導体装置。

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