JPWO2009034600A1

JPWO2009034600A1 - 集積回路およびノイズ測定方法

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Publication number: JPWO2009034600A1
Application number: JP2009531984A
Authority: JP
Inventors: 友幸中尾
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2007-09-10
Filing date: 2007-09-10
Publication date: 2010-12-16
Anticipated expiration: 2027-09-10
Also published as: KR20100049096A; WO2009034600A1; JP4764511B2; CN101796630A; KR101113146B1; US20100156436A1

Abstract

内部回路は、外部から受けた電気信号を基にデジタル信号を生成し、そのデジタル信号を出力信号線に出力する。出力回路は、デジタル信号の電圧値を規定の値にする。駆動信号入力回路は、駆動信号入力端子を介して外部から受信した駆動信号を出力回路に入力し、駆動信号によってデジタル信号とは独立して出力回路を駆動する。

Description

本発明は、集積回路および集積回路のノイズ測定方法に関する。

電子機器の電波放射の原因の一つに、プリント基板に搭載した大規模集積回路（ＬＳＩ：Large-Scale Integration ）のクロックドライバ回路による電磁干渉（ＥＭＩ：electromagnetic interference）ノイズがある。

近年のＬＳＩの高速化により、クロック周波数は向上しており、クロック周波数が１０ＭＨｚを超えると、その高調波は容易に電波放射されるようになる。ＬＳＩでは、１００ＭＨｚ以上のクロック周波数が使用されるのが通常であり、ＬＳＩやプリント基板からは電波が放射される。

図１は、
プリント基板に搭載されたＬＳＩにより発生するＥＭＩノイズを示している。プリント基板１１上にはＬＳＩ１２が搭載され、ＬＳＩ１２にはスイッチ１３が接続されている。ＬＳＩ１２の動作時には、電源ピンノイズ２１、２２、信号ピンノイズ２３、２４、およびＬＳＩパッケージからの放射ノイズ２５が発生する。

図２は、従来の電子装置における電源ＥＭＩノイズの測定方法を示している。電子装置３２は、電源端子４１、クロック発振回路４２、外部回路４３、およびＬＳＩ４４を備え、ＬＳＩ４４は、内部回路５１および出力ドライバ回路５２〜５６を備える。ＬＳＩ４４が正常に動作すると、内部回路５１は、クロック発振回路４２からのクロック信号と、外部回路４３からの入力信号に従ってデジタル信号を生成し、出力ドライバ回路５２〜５６は、そのデジタル信号の電圧値を規定の値に保持しながら外部に出力する。

このとき、出力ドライバ回路５２〜５６がＯＮ／ＯＦＦすることにより、電源端子４１から供給される電源電流が変化し、電源端子４１にＥＭＩノイズを発生する。そこで、スペクトラムアナライザ３１でそのノイズ波形のスペクトラム電圧の大小を測定することにより、電子装置３２のＥＭＩノイズ低減能力を評価する。この場合のノイズ測定手順は、以下の通りである。
（１）ＬＳＩ４４を動作させるための制御プログラム４５を、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）３３から外部回路４３に読み込む。外部回路４３は、制御プログラム４５の指令に従って動作し、内部回路５１との間でデジタル信号をやり取りする。
（２）ＬＳＩ４４の正常動作確認後に、スペクトラムアナライザ３１の測定プローブを電源端子４１に当て、スペクトラム電圧を測定する。

ＬＳＩ４４単体でＥＭＩノイズ評価を実施する場合も、図２と同様の構成が用いられる。この場合、次のような問題がある。
・ＬＳＩ４４のみの評価であっても、それを動作させるためにクロック発振回路４２および外部回路４３が必要である。
・ＬＳＩ４４の種類が変われば、外部回路４３のために専用の回路と基板が必要であり、相当なコストと工数が要求される。
・評価対象のＬＳＩ４４のＥＭＩノイズ以外に、クロック発振回路４２および外部回路４３のＥＭＩノイズが発生するため、評価精度が低下する。
・事前に制御プログラム４５の読み込みが必要である。

下記の特許文献１は、半導体装置内に発生するノイズを測定するシステムに関し、特許文献２は、発生ノイズ量を定量的にコントロールすることのできるデジタルノイズ発生回路に関する。
特開２００６−２１４９８７号公報特開２００１−２６４３９４号公報

本発明の課題は、評価対象のＬＳＩ以外の回路を削減し、ＥＭＩノイズ測定を簡単かつ低コストで実現することである。
図３は、本発明の集積回路の原理図である。図３の集積回路は、入力端子１０１、内部回路１０２、出力回路１０３、駆動信号入力回路１０４、駆動信号入力端子１０５、および電源線１０６を備える。

入力端子１０１は、外部から電気信号を受ける。内部回路１０２は、その電気信号を基にデジタル信号を生成し、そのデジタル信号を出力信号線に出力する。出力回路１０３は、デジタル信号の電圧値を規定の値にする。電源線１０６は、電源端子１０７から出力回路１０３へ電源を供給する。駆動信号入力端子１０５は、外部からの駆動信号を受信し、駆動信号入力回路１０４は、その駆動信号を出力回路１０３に入力し、駆動信号によってデジタル信号とは独立して出力回路１０３を駆動する。

正常動作時において、内部回路１０２は、入力端子１０１から入力される電気信号を基にデジタル信号を生成し、そのデジタル信号を出力回路１０３を介して出力信号線に出力する。出力信号線に出力されるデジタル信号の電圧値は、出力回路１０３により規定の値に保持される。

ノイズ測定時において、内部回路１０２は非動作状態になる。駆動信号入力回路１０４は、駆動信号入力端子１０５から入力される駆動信号を出力回路１０３に入力し、出力回路１０３を駆動する。これにより、出力回路１０３のみが動作してＥＭＩノイズを発生する。

出力回路１０３は、例えば、後述する図５のバッファ回路３０２に対応し、駆動信号入力回路１０４は、例えば、ＡＮＤ回路３０１に対応する。
本発明によれば、駆動信号入力用の回路をＬＳＩ内に設けることで、ノイズ測定のために内部回路を動作させる必要がなくなる。したがって、ノイズ評価用の装置構成を簡素化することができ、コストが低下する。また、内部回路を動作させる必要がないため、周辺回路からのＥＭＩノイズが発生せず、精度の良い評価が可能になる。

このように、ＥＭＩノイズを低コストで精度良く測定できるので、個々のＬＳＩや電子装置に対して、ＥＭＩ設計の良否判定を正確に行うことが可能になる。その結果、装置設計者は、ＥＭＩ設計の良否を基準として、ＬＳＩや電子装置を選定することができ、ＥＭＩノイズを削減する装置設計が可能になる。

ＥＭＩノイズの発生を示す図である。従来のノイズ測定を示す図である。本発明の集積回路の原理図である。第１のＬＳＩの構成図である。出力ドライバ回路の構成図である。ＬＳＩのノイズ測定を示す図である。第２のＬＳＩの構成図である。第３のＬＳＩの構成図である。第４のＬＳＩの構成図である。第５のＬＳＩの構成図である。ノイズスペクトラムの測定を示す図である。第６のＬＳＩの構成図である。複数のダイを含むＬＳＩを示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。
実施形態のＬＳＩは、正常動作することなくＥＭＩノイズを発生する機能を有する。より具体的には、ＥＭＩノイズの主な発生源となる出力ドライバ回路をＯＮ／ＯＦＦするための回路を、ＬＳＩ本来の機能回路とは別に設ける。

図４は、このようなＬＳＩの構成例を示している。電子装置２０１は、電源端子２１１１およびＬＳＩ２１２を備え、ＬＳＩ２１２は、内部回路２２１、出力ドライバ回路２２２〜２２６、電源線２２７、出力信号線２２８〜２３２、駆動信号入力端子２３３、クロック信号入力端子２３４、出力端子２３５〜２３８、および入力端子２３９〜２４２を備える。電源線２２７は、電源端子２１１から出力ドライバ回路２２２〜２２６へ電源を供給する。

正常動作時において、クロック信号入力端子２３４にはクロック信号が入力され、入力端子２３９〜２４２にはその他の信号が入力され、駆動信号入力端子２３３には、所定の制御信号が入力される。内部回路２２１は、クロック信号入力端子２３４および入力端子２３９〜２４２から入力された信号に従ってデジタル信号を生成し、そのデジタル信号を出力ドライバ回路２２２〜２２６を介して出力信号線２２８〜２３２に出力する。

出力ドライバ回路２２２〜２２６は、例えば、図５に示すように、ＡＮＤ回路３０１およびバッファ回路３０２から構成される。ＡＮＤ回路３０１は、内部回路２２１からのデジタル信号と、駆動信号入力端子２３３からの制御信号の論理積を出力し、バッファ回路３０２は、ＡＮＤ回路３０１の出力信号の電圧値を規定の値に保持しながら出力する。正常動作時には、駆動信号入力端子２３３に論理“１”の制御信号を入力することで、内部回路２２１からのデジタル信号を出力信号線に出力することができる。

なお、図４の構成では５個の出力ドライバ回路が設けられているが、一般には、出力信号のビット数と同じ数の出力ドライバ回路が設けられる。例えば、３２ビットの出力信号を生成するＬＳＩの場合、３２個の出力ドライバ回路が設けられる。

図６は、図４のＬＳＩのノイズ測定方法を示している。ノイズ測定時においては、内部回路２２１には電源は供給されず、出力ドライバ回路２２２〜２２６には電源が供給される。駆動信号入力端子２３３には信号発生器４０２が接続され、信号発生器４０２が発生する駆動信号は、駆動信号入力端子２３３を介して出力ドライバ回路２２２〜２２６に入力される。駆動信号としては、例えば、正常動作時のクロック信号と同じ周波数の信号が入力される。

このとき、内部回路２２１の出力信号は、例えば、不図示のプルアップ回路により論理“１”に固定され、図５のＡＮＤ回路３０１は、駆動信号入力端子２３３からの駆動信号をバッファ回路３０２に出力する。したがって、バッファ回路３０２は、内部回路２２１の出力信号の代わりに、駆動信号により駆動される。

このように、バッファ回路３０２の入力側にＡＮＤ回路３０１を設けることで、ＬＳＩ２１２を正常動作させることなく、出力ドライバ回路２２２〜２２６のみを動作させることができる。ＥＭＩノイズは、主としてバッファ回路３０２のＯＮ／ＯＦＦ動作時に発生するため、バッファ回路３０２をクロック信号と同じ周波数で駆動することで、電源端子２１１や出力信号線２２８〜２３２に、正常動作時と同等のＥＭＩノイズを発生させることができる。発生したＥＭＩノイズは、スペクトラムアナライザ４０１等の測定器により測定される。

このような構成によれば、従来のノイズ測定と比較して、次のような効果が得られる。
・ＬＳＩの正常動作に必要となる、クロック発振回路および外部回路が不要なため、評価用の簡単なプリント基板による低コストのＥＭＩノイズ評価が可能になる。
・ＬＳＩの正常動作のための制御プログラムが不要なため、評価工数が削減される。
・クロック発振回路および外部回路からのＥＭＩノイズが発生しないため、精度の良い評価が可能になる。

図７は、ＬＳＩ内に駆動信号発生用の発振回路を内蔵した構成例を示している。ＬＳＩ５０１は、内部回路２２１、出力ドライバ回路２２２〜２２６、出力信号線２２８〜２３２、クロック信号入力端子２３４、出力端子２３５〜２３８、入力端子２３９〜２４２、発振回路５１１、および外部端子５１２を備える。内部回路２２１、出力ドライバ回路２２２〜２２６、および発振回路５１１には、不図示の電源線により電源端子２１１から電源が供給される。

発振回路５１１は外部端子５１２に接続され、外部端子５１２はスイッチ５０２を介してグラウンドに接続される。発振回路５１１は、スイッチ５０２をＯＮにすると動作し、スイッチ５０２をＯＦＦにすると停止する。したがって、外部端子５１２は、図６の駆動信号入力端子２３３と同様の役割を果たす。発振回路５１１から出力される発振信号は、駆動信号として出力ドライバ回路２２２〜２２６に入力される。

内部回路２２１への電源供給を停止した状態で、スイッチ５０２をＯＮにして発振回路５１１を動作させると、出力ドライバ回路２２２〜２２６に駆動信号が入力される。これにより、図６の場合と同様にして、出力ドライバ回路２２２〜２２６のみが動作し、電源端子２１１や出力信号線２２８〜２３２にＥＭＩノイズが発生する。

この構成によれば、図６に示した信号発生器４０２が不要になり、スイッチ５０２の設定のみでＥＭＩノイズを発生させることができる。
図８は、光信号から駆動信号を生成する構成例を示している。ＬＳＩ６０１は、内部回路２２１、出力ドライバ回路２２２〜２２６、出力信号線２２８〜２３２、クロック信号入力端子２３４、出力端子２３５〜２３８、入力端子２３９〜２４２、プルアップ抵抗６１１、増幅回路６１２、６１３、および駆動信号入力端子６１４を備える。内部回路２２１、出力ドライバ回路２２２〜２２６、および増幅回路６１２、６１３には、不図示の電源線により電源端子２１１から電源が供給される。

駆動信号入力端子６１４には、ＥＭＩノイズを発生させないように、フォトトランジスタ等の光センサ６０２が接続される。内部回路２２１への電源供給を停止した状態で、光センサ６０２に赤外線パルス等の断続光を照射すると、光センサ６０２は、その断続光をパルス信号に変換して駆動信号入力端子６１４に入力する。そのパルス信号は、増幅回路６１２および６１３により増幅されて、出力ドライバ回路２２２〜２２６に入力される。これにより、図６の場合と同様にして、出力ドライバ回路２２２〜２２６のみが動作し、電源端子２１１や出力信号線２２８〜２３２にＥＭＩノイズが発生する。

この構成によれば、駆動信号としての電気信号が不要になり、それによる電波放射をなくすことができる。なお、駆動信号入力端子６１４に、光センサ６０２の代わりにパルス信号を接続してもよい。

図９は、駆動信号を発生するための光センサをＬＳＩパッケージ内、あるいはチップ内に設けた構成例を示している。ＬＳＩ７０１は、内部回路２２１、出力ドライバ回路２２２〜２２６、出力信号線２２８〜２３２、クロック信号入力端子２３４、出力端子２３５〜２３８、入力端子２３９〜２４２、プルアップ抵抗７１１、光センサ７１２、および増幅回路７１３を備える。内部回路２２１、出力ドライバ回路２２２〜２２６、および増幅回路７１３には、不図示の電源線により電源端子２１１から電源が供給される。

この場合、光センサ７１２に光を照射できるように、ＬＳＩ７０１のパッケージには、光が透過する材料を使用するか、または、光センサ７１２の部分に穴を開けた構造を採用する。光センサ７１２としては、例えば、フォトダイオードが用いられる。

内部回路２２１への電源供給を停止した状態で、光センサ７１２に赤外線パルス等の断続光を照射すると、パルス信号が発生し、そのパルス信号は増幅回路７１３により増幅されて、出力ドライバ回路２２２〜２２６に入力される。これにより、図６の場合と同様にして、出力ドライバ回路２２２〜２２６のみが動作し、電源端子２１１や出力信号線２２８〜２３２にＥＭＩノイズが発生する。

この構成によれば、光センサをＬＳＩと一体化することにより、外部の光センサと光センサ接続用の外部端子が不要になる。
図１０は、駆動信号を電波として入力する構成例を示している。ＬＳＩ８０１は、内部回路２２１、出力ドライバ回路２２２〜２２６、出力信号線２２８〜２３２、クロック信号入力端子２３４、出力端子２３５〜２３８、入力端子２３９〜２４２、ループアンテナ８１１、および増幅整形回路８１２を備える。内部回路２２１、出力ドライバ回路２２２〜２２６、および増幅整形回路８１２には、不図示の電源線により電源端子２１１から電源が供給される。

ループアンテナ８１１は、チップ内のループパターンやＢＧＡ（Ball Grid Array ）パッケージのパターンにより形成される。
内部回路２２１への電源供給を停止した状態で、ループアンテナ８１１に断続した電波や磁界を照射すると、電波や磁界がループアンテナ８１１で受信され、パルス信号が発生する。そのパルス信号は、増幅整形回路８１２により増幅され整形されて、出力ドライバ回路２２２〜２２６に入力される。これにより、図６の場合と同様にして、出力ドライバ回路２２２〜２２６のみが動作し、電源端子２１１や出力信号線２２８〜２３２にＥＭＩノイズが発生する。

この構成によれば、パッケージ材料として通常のモールドを用いることができるため、図９の場合より低コストで実現可能となる。
図１１は、図４のＬＳＩ２１２から発生するＥＭＩノイズのノイズスペクトラムの測定方法を示している。

ノイズ測定時に、信号発生器９０１を駆動信号入力端子２３３に接続し、信号発生器９０１が発生する駆動信号の周波数をスイープさせる。この場合、例えば、出力ドライバ回路２２２〜２２６が動作可能な周波数１０〜１００ＭＨｚの範囲で、周波数がスキャンされる。

そして、スペクトラムアナライザ４０１により、発生したＥＭＩノイズのノイズスペクトラムを測定し、その包絡線９０２を評価する。スペクトラムアナライザ４０１をｍａｘｈｏｌｄに設定してＥＭＩノイズを測定すれば、スキャンされた範囲のすべての周波数のノイズ成分を測定することができる。

汎用ＬＳＩの動作周波数は電子装置の設計仕様により異なる場合があるが、このようなノイズ測定方法によれば、どの周波数で使用された場合でもノイズ低減能力の評価が可能になる。

ところで、以上説明した構成では、すべての出力ドライブ回路に対して同一の駆動信号を入力しているが、それぞれの出力ドライブ回路に異なる周波数の駆動信号を入力してもよい。

図１２は、このようなＬＳＩの構成例を示している。ＬＳＩ１００１は、図４のＬＳＩ２１２において、駆動信号入力端子２３３と出力ドライバ回路２２２〜２２６の間に２進カウンタ１０１１を設けた構成を有する。この場合、２進カウンタ１０１１に対しても、不図示の電源線により、電源端子２１１から電源が供給される。

駆動信号入力端子２３３は、２進カウンタ１０１１の入力端子１０２１に接続され、２進カウンタ１０１１の出力端子１０２２〜１０２６は、それぞれ出力ドライバ回路２２２〜２２６の入力端子に接続される。

内部回路２２１への電源供給を停止した状態で、駆動信号入力端子２３３に信号発生器４０２を接続し、２進カウンタ１０１１に駆動信号を入力する。このとき、２進カウンタ１０１１の出力端子１０２２〜１０２６から、それぞれ、入力信号の１／１６、１／８、１／４、１／２、１／１の周波数の駆動信号が出力される。これにより、出力ドライバ回路２２２〜２２６のバッファ回路３０２がＯＮ／ＯＦＦするタイミングの組み合わせは、２⁵＝３２通りとなり、複雑なＥＭＩノイズを発生させることができる。

なお、出力端子１０２２〜１０２６の少なくとも１つを、出力ドライバ回路２２２〜２２６の少なくとも１つに選択的に接続して、出力ドライバ回路２２２〜２２６の一部にＥＭＩノイズを発生させることも可能である。

図７〜図１０の構成においても、図１２の構成と同様に、出力ドライバ回路２２２〜２２６の入力側に２進カウンタ１０１１を設ければ、複雑なＥＭＩノイズを発生させることができる。

図１３は、複数のダイを含むＬＳＩの例を示している。ＬＳＩ１１０１はダイ１１１１〜１１１４を含み、それぞれのダイは、図４、図７〜図１０、および図１２に示したいずれかのＬＳＩと同様の回路を含む。例えば、それぞれのダイが図４の内部回路２２１および出力ドライバ回路２２２〜２２６を含む場合、ＬＳＩ１１０１に設けられた単一の電源端子からそれぞれのダイへ電源線が配線され、単一の駆動信号入力端子からそれぞれのダイへ駆動信号が入力される。

ＬＳＩ１１０１に含まれるダイの数は４個に限られるわけではなく、任意の数のダイを設けることができる。

Claims

外部から電気信号を受ける入力端子と、
前記電気信号を基にデジタル信号を生成し、該デジタル信号を出力信号線に出力する内部回路と、
前記デジタル信号の電圧値を規定の値にする出力回路と、
電源端子から前記出力回路へ電源を供給する電源線と、
外部からの駆動信号を受信する駆動信号入力端子と、
該駆動信号を前記出力回路に入力し、該駆動信号によって前記デジタル信号とは独立して前記出力回路を駆動する回路とを備える集積回路。
前記駆動信号入力端子と前記出力回路間に配置され、前記駆動信号に応じて複数の出力回路のうち少なくとも１つの出力回路に駆動信号を入力するカウンタをさらに備えることを特徴とする請求項１記載の集積回路。
前記駆動信号を発振信号に変換し、該発振信号を前記出力回路に入力する発振回路をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の集積回路。
前記駆動信号入力端子は、前記駆動信号を光として入力されることを特徴とする請求項１または２記載の集積回路。
前記駆動信号入力端子は、前記駆動信号を電波として入力されることを特徴とする請求項１または２記載の集積回路。
前記集積回路は複数のダイを有し、
前記ダイの各々に前記内部回路および前記出力回路を有し、
単一の前記電源端子からそれぞれのダイへ電源線が配線され、
単一の前記駆動信号入力端子からそれぞれのダイへ該駆動信号が入力されることを特徴とする請求項１記載の集積回路。
外部回路から電気信号を受ける入力端子と、
前記電気信号を基にデジタル信号を生成し、該デジタル信号を出力信号線に出力する内部回路と、
前記デジタル信号の電圧値を規定の値にする出力回路と、
電源端子から前記出力回路へ電源を供給する電源線と、
外部からの駆動信号を受信する駆動信号入力端子と、
該駆動信号を前記出力回路に入力し、該駆動信号によって前記デジタル信号とは独立して前記出力回路を駆動する回路とを有する集積回路と、
前記外部回路と、
前記集積回路と前記外部回路に電源を供給する電源回路とを備える電子装置。
前記駆動信号入力端子と前記出力回路間に配置され、前記駆動信号に応じて複数の出力回路のうち少なくとも１つの前記出力回路に駆動信号を入力するカウンタを前記集積回路が備えることを特徴とする請求項７記載の電子装置。
受信した光信号を前記駆動信号に変換して駆動信号入力端子に入力する光信号受信部をさらに有することを特徴とする請求項７記載の電子装置。
集積回路の電源端子を介して、内部回路から入力されたデジタル信号の電圧値を規定の値にする出力回路に電源を供給し、
前記集積回路の駆動信号入力端子は外部からの駆動信号を受信し、
前記デジタル信号の入力信号とは独立して前記出力回路に該駆動信号を入力し、
前記集積回路が発生する電磁干渉を測定することを特徴とする集積回路の電磁干渉測定方法。
前記駆動信号入力端子と前記出力回路間に配置されたカウンタによって、前記駆動信号に応じて複数の出力回路のうち少なくとも１つの出力回路に前記駆動信号を入力することを特徴とする請求項１０記載の電磁干渉測定方法。