信号传输系统和信号传输线路技术方案

为了经差分线路发送几十ＧＨｚ的高速数字信号，通过把参照地的差分线路连接到不参照地的差分线路，提供了一种经信号传输线路在电路块之间传输数字信号的信号传输系统，每个电路块基本包括功能电路、与功能电路分离形成的接收／发送电路、以及在接收／发送电路的接收端和发送端之间形成的阻抗匹配的传输线路（１１５）；参照地（１１０）的差分线路（１０５），其从差分输出驱动器引出，以及在电路块中相对于地（１１０）形成对称布设的差分信号线路，在信号传输线路（１１５）中，只有不参照地的差分对线路（１１１，１１２）直接从相对于地电位对称布置的差分信号线路延伸。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及经信号传输线路在电路块之间传输数字信号的信号传输系统，以及涉及信号传输线路。
技术介绍
对于经由信号线路从CMOS差分驱动器到接收器的高速数字信号传输来说，在本专利技术之前，本专利技术的专利技术者建议将电源/地线对当作传输线路，通过形成电源线和接地线，它的电磁场对于提供给驱动器的互补信号能量几乎是闭合的，该电源线和接地线在布线电路板上形成平行的长度彼此相等的对线结构，并且它的耦合系数是大的(日本公开的未审查专利申请No.284126，1999(将称作专利文献1))，以及通过提供电路来对晶体管的状态转换强制地泵入和泵出所需的电荷，使得能够高速切换晶体管。(日本公开的未审查专利申请No.2002-124635(将称作专利文献2))。在此注意电能量的传输，基本应该使用两根电源线路，比如家用电源线路。电源线路与水管具有类似的传导性，后者的传输性与后者的粗细成比例。其传导系数的倒数被称作“特性阻抗Zo”。水管粗细的物理特性对应于在每单位长度电源线的电感Lo和电容Co中存储的能量。由于随着频率升高会有更频繁的能量输入和输出，将出现交流(AC)电阻，也就是阻抗Z。阻抗Z具有时滞放电而不损失能量的特性，不同于把电能变换成热能的元件，比如直流电阻和对线之间的漏电导。因此，阻抗Z作为虚数处理。通过下式(1)和(2)给出阻抗ZZ＝jωLo (1)Z＝(1/jωCo) (2)如上所示的公式(1)和(2)，由于两种元件在线的每单位长度中共存，它们的均方根是线路的特性阻抗Zo，通过公式(3)被给出Z0=jωL0/jωC0=L0/C0---(3)]]>如公式(3)所示，包括虚数j、角频率ω和单位长度的三项被消除，因此特性阻抗Zo将不是以长度定义的实数，并不取决于任何频率。出现一个特殊的物理概念，短线和无限长的线在特性阻抗Zo上是彼此相等的。简言之，特性阻抗Zo只确定线的前端直径。作为集总元件电路领域中的普遍误解，迄今已经认为，由于传输线是电感-电容(LC)网络，RC(电阻-电容)延迟问题不能被充分地避免，除非从分布元件电路的观点去考虑LC网络。然而，传输线属于电磁现象物理学的领域，它与包括RC延迟的领域有很大不同。下面将讨论能解决传输线路RC延迟问题。分布元件电路(具有以长度定义的长距离布线)不同于下式(4)给出的集总元件电路(具有处于可忽略范围的布线长度)(”Silicon Technology”-Feature of the Problems and Outlook of the Ultra High-Speed Multilayer WiringTechniques-Journal of Applied Physics，Japan Society of Applied Physics，Japan，No.15，Feb.18，2000(Yamagami Clubhouse，Higashiyama(将称作非专利文献1))Lcritical=λ/40=coμrϵr/40fclock---(4)]]>其中co是真空中光的速度，μr是特定的导磁率，εr是特定的介电常数和fclock是流过布线的时钟脉冲的最高频率。上述公式(4)定义了正弦波的波长λ和布线长度Lcritical之间的关系。下面将参照图1解释公式(4)中的因数(1/40)。如图1所示，数字信号(脉冲)是复合波fcombine，包括基波f1和它的谐波f2，f3，...，加入具有高于基波f1三倍的频率的谐波f3和具有高于基波f1五倍频率的谐波f5近似的脉冲，并且分别加入高于基本波f1的七倍，九倍和十一倍频率的谐波f7，f9和f11提供接近完全的脉冲。换句话说，脉冲可以被说成是混合波，包括直到高于它的脉冲频率一个数量级的正弦波的谐波。因此，对于1GHz的脉冲，需要考虑高至10GHz的谐波。如同调谐音叉，谐振导致的最小谐振频率等于四分之一波长(就是(1/4)λ)。因此，对于1GHz频率的脉冲的传输，集总元件电路能通常被设计为具有高至10GHz的脉冲的四分之一波长的长度，就是说，长度小于1/40波长加安全长度。在此长度使分布元件电路和集总元件电路彼此不同的电路长度被定义为布线长度Lcritical。即，具有大于(1/40)λ长度的电路应该是分布元件电路，即传输电路。作为常规的具有长度不能被忽略的全局布线的驱动器-接收器的一个例子，单端(single-ended)数字信号传输电路300被示例在图2中。尽管出于简化图2仅仅示出了单一的信号线，根据物理学原理数字信号传输电路300实际上需要两个这样的线来用于传输电能。非有意形成的作为基准的接地线，或电源线用作第二信号线路。在单端数字信号传输电路300中，从驱动器310引出的信号线路311与接地线312配对以形成信号传输线路315，经过它从驱动器310到接收器320发送互补信号(“Measurement Evidence of Mirror Potential Traveling onTransmission Line”by Otsuka，et al.，Technical Digest of 5th VLSI PackingWorkshop of Japan，pp27-28，Dec.，2000(将称作非专利文献2)和“Stacked PairWire”by Kanji Otsuka and Tadakazu Suga，Journal of Japan Society of ElectronicsPackaging，Vol.4，No.7，pp556-561，Nov.，2001(将称作非专利文献3))。此外，作为常规的差分数字信号传输电路，图3示例了CML(电流型逻辑)差分传输电路400的结构和图4示例了LVDS(低压差分信令)差分传输电路500的结构。在图3(4)所示结构的差分数字信号传输电路400(500)中，经与接地线配对的信号传输线路415(515)从驱动器410(510)到接收器420(520)发送互补信号。据称，差分数字信号传输电路适用于高速数据传输，而且近年来频繁地用于差分信号的高速传输。注意这里，使用具有处于GHz频带中的频率的脉冲时钟的信号传输电路的布线长度受到限制，因为由于RC延迟和损失以及介电损失，所以布线不能太长。另一方面，单独的布线对于信号传输电路的功能块之间的通信是越来越重要。例如，由金属导体形成的LAN电缆需要在高达10Gbps和100Gbps的速率上确保信号传输。用金属LAN电缆不能完成在小于100米的距离上的高于10Gbps速率的信号传输，但采用2003年市用的光缆可以完成。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种信号传输系统，包括成组的长度大于前述公式(4)定义的布线长度Lcritical的布线、和由该布线形成的驱动器/接收器，该系统使用高至几十GHz的GHz频段的时钟频率。本专利技术的另一个目的是提供一种主要改进用于10和100Gbps传输速率的中长布线的措施，以及提供对信号传输系统的电路结构的改进。本专利技术另一个目的是建立传输线/晶体管系统，其中将在芯片中具有长布线或线路的整个电路用作传输线以确保无本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种经信号传输线在电路块之间传输数字信号的信号传输系统，每个电路块基本包括功能电路、与功能电路分离形成的接收／发送电路、以及在接收／发送电路的接收端和发送端之间形成的阻抗匹配的传输线路；参照地的差分线路，其从差分输出驱动器引 出，并在电路块中相对于地电位形成对称布设的差分信号线路，在信号传输线路中，只有不参照地的差分对线路直接从相对于地电位对称布置的差分信号线路延伸。

【技术特征摘要】
JP 2003-7-28 281188/031.一种经信号传输线在电路块之间传输数字信号的信号传输系统，每个电路块基本包括功能电路、与功能电路分离形成的接收/发送电路、以及在接收/发送电路的接收端和发送端之间形成的阻抗匹配的传输线路；参照地的差分线路，其从差分输出驱动器引出，并在电路块中相对于地电位形成对称布设的差分信号线路，在信号传输线路中，只有不参照地的差分对线路直接从相对于地电位对称布置的差分信号线路延伸。2.根据权利要求1所述的系统，其中包括在每个接收/发送电路中的所述驱动器和/或接收器在与其相同的导电区中形成ESD保护电路，和以互补的方式启动ESD保护晶体管，ESD保护电路对每个差分信号线路分别具有上拉保护电路和下拉保护电路。3.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述信号传输线路具有多芯电缆结构，其中设置了相邻的差分或单端对线，以便它们产生的电场矢量是并排的或直线的。4.根据权利要求1或2所述的系统，其中包括电源/地对传输线路的所述接收/发送电路至少具有接收电路或发送电路中的一个，二者都包括在接收/发送电路中，嵌入在连接器中以从基底提供电源。5.根据权利要求1的系统，其中所述接收/发送电路包括具有输出数字信号的差分变换器结构的驱动器；所述接收/发送电路被延伸到主电源电路或接近旁路电容器，并具有DC绝缘结构，其中驱动器经由具有低特性阻抗的电源/地对线路提供电源，并且能够驱动驱动器的导通电阻和信号传输线路的特性阻抗的和，以及定向耦合器或者电容器至少正好插入驱动器之后或在接收端；和在通过传输线路进一步扩展所述接收/发送电路的情况下，如果有的话，正好在定向耦合器或电容器之后或之前，通过差分接收器接收经由在定向耦合器或电容器的传播方向上端接的信号传输线路传输的数字信号，该差分接收器具有相应于到达信号的电平的Vth。6.根据权利要求1所述的系统，其中在同一阱中提供与所述差分驱动器或接收器成对的晶体管，并且它具有浮置结构而不连接到基底地，以及前述所有的传输线路由金属形成。7.根据权利要求1所述的系统，其中双向提供一组电源/地对线路、驱动器、信号传输线路和接收器。8.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述对线路的两端是浮置开路端，并且甚至正好在驱动器芯片之后和正好在接收器芯片之前或之后的定向耦合器或电容器的接地线不直与地相连。9.根据权利要求5所述的系统，其中定向耦合器或电容器的能量传递侧线路具有插在其发送结尾端的多反射保护端接电阻器。10.根据权利要求1所述的系统，其中在经由信号传输线路接收数字信号的接收器末端的差分线对之间插入电极，并把电极上的电势当作参照电压。11.根据权利要求1所述的系统，其中在经由信号传输线路发送数字信号的电路块中的一个的接收/发送电路不具有电源的情况下，电源/地对传输线路并排排列；和电源/地对传输线路的特性阻抗等于或小于被驱动的多个信号传输线路的并联阻抗。12.一种经信号传输线路在电路块之间传输数字信号的信号传输系统，每个电路块基本包括功能电路、与功能电路分离形成的接收/发送电路、以及在接收/发送电路的接收端和发送端之间形成的阻抗匹配的传输线路；和每个接收/发送电路包括驱动器和/或接收器，它们在与其相同的导电区中形成ESD保护电路，并以互补的方式启动ESD保护晶体管，ESD保护电路对每个差分信号线路分别具有上拉保护电路和下拉保护电路。13.根据权利要求12所述的系统，其中所述信号传输线路具有多芯电缆结构，其中布设相邻的差分或单端对线路，以便它们产生的电场矢量将是并排的或直线的。14.根据权利要求12所述的系统，其中包括电源/地对传输线路的接收/发送电路至少具有接收电路或发送电路中的一个，二者都包括在接收/发送电路中，嵌入连接器中以从基底提供电源。15.根据权利要求12所述的系统，其中所述接收/发送电路包括具有输出数字信号的差分变换器结构的驱动器；所述接收/发送电路被延伸到主电源电路或接近...

【专利技术属性】
技术研发人员：大塚宽治，宇佐美保，
申请(专利权)人：大塚宽治，宇佐美保，索尼株式会社，冲电气工业株式会社，三洋电机株式会社，株式会社东芝，日本电气株式会社，夏普株式会社，株式会社瑞萨科技，松下电器产业株式会社，富士通株式会社，罗姆股份有限公司，
类型：发明
国别省市：JP[日本]