-
Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Rauschverringerung in einer Niedrigstromschaltung
und insbesondere zur Rauschverringerung in einer Niedrigstromschaltung,
die mit auf einer integrierten Hochstrom- und Hochfrequenz-Chipschaltung
untergebracht ist.
-
Oszillatoren
für den
Einsatz in Halbleiter-Taktgeberchips arbeiten mit sehr niedrigen Strompegeln
im Bereich von Hunderten von Nanoampere. Ein Beispiel eines solchen
Halbleiter-Taktgeberchips enthält,
zum Beispiel, ein Echtzeit-Uhrchip mit der Bauteilnummer M48T86,
der von der Firma SGS-Thomson Microelectronics Inc. in Carrollton,
Texas, kommerziell verfügbar
ist. Die Rauschverringerung ist ein wesentliches Problem für optimale
Funktionsweise bei den sehr niedrigen Strompegeln im Bereich von
Hunderten von Nanoampere. Zur Rauschverringerung werden alle Oszillatorbauteile,
mit Ausnahme des Oszillatorkristalls, typisch auf dem Chip in einer
Umgebung mit möglichst
niedrigem Rauschpegel untergebracht. Die Energieversorgungsspannungen
für die
Oszillatorschaltung, Vss und Vcc, werden den Oszillatorbauteilen über exklusiv
dafür zugeordnete
Versorgungsspannungs-Leitungen zugeführt. Hinzu kommt, daß die Abschirmung
eine wichtige Gestaltungskomponente eines Systemtaktgeberchips ist,
der eine mit niedrigem Strom arbeitende Oszillatorschaltung aufweist. Ein
solcher Taktgeberchip wird allgemein auch in einer Umgebung mit
niedrigem Rauschpegel implementiert.
-
Computer
und Computer-Arbeitsstationen verwenden im typischen Fall zeitzählende Bauteile, d.
h. Taktgeberchips. Die zeitzählenden
Bauteile haben eine Uhrfunktion, die im typischen Fall mit einem Kristalloszillator
arbeitet und zusätzlich
eine Batteriepufferung enthält
für die
Zeiten mit fehlender, d. h. abgeschalteter Hauptenergieversorgung.
Die Batteriepufferung ermöglicht
den fortgesetzten Betrieb des Taktgeberchips auch wenn die Hauptenergieversorgung
ausgeschaltet ist. Im typischen Fall bleiben die Register zum Aufzeichnen
der Minuten, Stunden, Tage der Woche oder Tage des Monats usw. mit
der Batteriepufferung aktiv, so daß alles aktualisiert verfügbar ist,
wenn die Hauptenergieversorgung des Systems wieder eingeschaltet
wird. Mit anderen Worten, sobald die Hauptenergieversorgung wieder
eingeschaltet ist, kann der Uhrbaustein oder Uhrchip die richtige
Zeit mit Datum usw. auslesen. Die verfügbare Betriebszeit mit einer
Batterieladung bzw. die Batterielebensdauer hängt teilweise von der erforderlichen Stromaufnahme
für den
Betrieb der Taktgeberschaltung bei abgeschalteter Hauptenergieversorgung
ab.
-
Für Computer
bzw. Arbeitsstationen und im Rahmen von Bemühungen, möglichst viele Funktionen auf
möglichst
wenigen Chips unterzubringen, wäre
es wünschenswert,
auch einen Niedrigstrom-Oszillator in einem Chipsatz für einen
bestimmten Mikroprozessor einzubeziehen. Der Niedrigstrom-Oszillator
ermöglicht
eine verlängerte
Batterie-Lebensdauer, wenn die Hauptenergieversorgung ausgeschaltet
ist. Der Chipsatz bietet jedoch eine sehr rauschintensive Umgebung
für den
Betrieb eines Niedrigstrom-Oszillators. Das heißt, der Chipsatz stellt eine
Hochstrom- und Hochfrequenzumgebung mit entsprechend hohem Rauschpegel
dar. Der Niedrigstrom-Oszillator ist eine relativ langsam arbeitende
Baugruppe, in welcher der Niedrigstrom-Oszillator für einen
Taktgeberchip im typischen Fall im Kilohertzbereich arbeitet. Andererseits
arbeiten ein Mikroprozessor und sein entsprechender Chipsatz typisch
im Megahertzbereich.
-
In
einigen Fällen
können
gewisse Bauteile einer bestimmten Schaltung nicht auf einem einzigen integrierten
Schaltungschip hergestellt werden zusammen mit den restlichen Bauteilen
der integrierten Schaltung, wegen Beschränkungen des Halbleiter-Produktionsverfahrens.
Zum Beispiel ermöglicht ein
bestimmtes Halbleiter-Produktionsverfahren keine Erzeugung hochpräziser Kondensatoren
auf demselben Chip wie der Hauptteil der Oszillatorschaltung, wobei
dieses Halbleiter-Produktionsverfahren in
erster Linie für
die Herstellung vom Mikroprozessoren und/oder Mikroprozessor-Chipsätzen bei
Verwendung einer bestimmten Technologie (z. B. 0,5 μm, 0,35 μm, 0,25 μm oder weniger)
vorgesehen ist. Folglich muß die
Herstellung der Oszillatorschaltung aufgeteilt werden, wobei die
mit dem Verfahren nichtkonformen Kondensatoren außerhalb
des Chips hergestellt werden müssen.
Dies ist nachteilig, denn es ist wünschenswert, die gesamte Oszillatorschaltung auf
einem einzigen Chip herzustellen, so daß sehr strenge Kontrollen über das
Verfahren eingeführt werden
können
für die
Herstellung des Oszillatorschaltungsbereichs des integrierten Schaltungschips.
-
Wie
oben angedeutet wurde, kann es wünschenswert
sein, eine Oszillatorschaltung in einem integrierten Schaltungschip
eines Computer-Chipsatzes
mit einzubeziehen, wobei die Umgebung des integrierten Schaltungschips
des Computer-Chipsatzes einen extrem hohen Rauschpegel aufweist.
Im Fall einer Niedrigstrom-Oszillatorschaltung, die zwei Kondensatoren
aufweist, die auf jeder Seite eines Oszillatorkristalls mit einer Energieversorgungsleitung
Vss verbunden sind, können
die Kondensatoren eine Präzision
erfordern, die mit manchen Halbleiter-Herstellungsverfahren nicht
erzielbar ist. Zum Beispiel könnten
die Kondensatoren ziemlich groß sein,
mit Abmessungen in der Größenordnung
von 100 μm
auf jeder Seite. Solche großen
Kondensatoren erfordern zusätzliche
Fertigungsschritte, die nicht problemlos im gleichen Herstellungsprozeß für den integrierten
Schaltungschip eines Computer-Chipsatzes
einbezogen werden können,
oder solche Einbeziehung ist möglicherweise
nicht wünschenswert.
Die Einbeziehung der Kondensatoren im gleichen Herstellungsprozeß kann auch
die Ausbeute beeinflussen und würde
auch die Herstellungskosten der integrierten Schaltung erhöhen, als
Folge der zusätzlich benötigten Verfahrensschritte.
Bestimmte Erfordernisse können
auch verlangen, daß die
Kondensatoren von beiden Kristallknoten zur Leitung Vss außerhalb
des Chips (d. h. nicht auf dem Chip) angeschlossen werden müssen. In
einer extrem rauschintensiven Umgebung kann die Vss-Leitung außerhalb
des Chips ein anderes Absolutpotential aufweisen, verglichen mit
dem gleichen Signal innerhalb des Chips. Eine derartige Differenz
beeinträchtigt
die taktgebende Betriebsfähigkeit
der Niedrigstrom-Oszillatorschaltung.
-
Die 1 zeigt eine Leiterplatte 10 mit
einer darauf montierten, integrierten Hochstrom- und Hochfrequenz-Chipeinheit 12.
Die Leiterplatte 10 weist viele Leiterbahnen auf für die Verbindungen
der diversen Bauteile untereinander. Diese Leiterbahnen umfassen,
zum Beispiel die positive Energieversorgungsbusleitung Vcc 14 und
eine Vss-Massebusleitung 16 auf der Leiterplattenebene.
Die Chipeinheit 12 ist mittels Standardtechnik mit der
Leiterplatte 10 verbunden.
-
Weiterhin
mit Bezugnahme auf 1,
enthält
die Chipeinheit 12 einen darauf montierten integrierten
Hochstrom- und Hochfrequenzchip 18. Der Chip 18 ist
mit der Einheit 12 beispielsweise über Verbindungsdrähte 20 oder
beliebige sonstige, nach dem Stand der Technik bekannte Verbindungsarten verbunden.
Der Chip 18 enthält
weiter darin integriert einen langsamen Niedrigstrom-Oszillatorschaltungsteil 22.
Die Niedrigstrom-Oszillatorschaltung 22 enthält einen
Kristall 24 sowie Kondensatoren 26, 28, die
extern zum Chip 18 und der Einheit 12 (d. h. nicht auf
dem Chip) montiert sind. Die Kondensatoren 26, 28 sind
auf der Leiterplatte 10 montiert, jeder respektive zwischen
einem gegenüberliegenden
Ende des Kristalls 24 und der Vss-Masseleitung 16 auf
der Leiterplatte angeschlossen.
-
Integrierte
Schaltungschips werden typisch in einem Substratgehäuse verbunden,
und das Substratgehäuse
wird auf einer Leiterplatte verbunden. Die Anzahl der Verbindungsleitungen
zum integrierten Schaltungschip kann beliebig groß sein.
Die elektrischen Verbindungen zwischen dem Substratgehäuse und
dem Halbleiterchip können
mit Verbindungsdrähten, "flip-chip", thermisch aktivierten
Anschlüssen,
Lötstellen
und/oder sonstigen bekannten Chip-Gehäuse-Verbindungsarten nach dem Stand der
Technik hergestellt werden. Das Substratgehäuse weist beliebige geeignete
Eingangs-/Ausgangsanschlüsse
auf, um Signale in das angeschlossene integrierte Schaltungschip
hineinzubringen oder aus ihm herauszuholen. Das Substratgehäuse ist
zusätzlich
mit der Leiterplatte Verbunden, mittels beliebiger bekannter Mittel
nach dem Stand der Technik.
-
Die
typische Betriebsfrequenz der hier besprochenen Niedrigstrom-Oszillatorschaltung
liegt in der Größenordnung
von einigen Zehnkilohertz, beispielsweise 32,768 kHz. Eine derartige
Niedrigstrom-Oszillatorschaltung verwendet einen sehr niederfrequenten
Kristall. Wenn es wie oben erwähnt nicht
möglich
ist, wegen Beschränkungen
des Halbleiter-Herstellungsverfahrens, die Niedrigstrom-Oszillatorschaltung
ganz innerhalb eines betreffenden integrierten Schaltungschips herzustellen,
dann könnte
die vorgesehene Umgebung für
die Niedrigstrom-Oszillatorschaltung eine Hochstrom- und Hochfrequenzumgebung
aufweisen. Eine solche Hochstrom und Hochfrequenzumgebung arbeitet
typisch im Megahertzbereich (z. B. mit Frequenzen im Bereich mehrerer
Zehnmegahertz, wie 33, 66 oder 100 MHz, usw.) und umfaßt auch,
zum Beispiel, einen Computer- oder Mikroprozessor-Chipsatz. Das
Rauschen innerhalb des integrierten Schaltungschips eines Computer-Chipsatzes
wird somit im sehr hohen Frequenzbereich liegen. Daraus ist zu entnehmen, daß ein Unterschied
von vielen Größenordnungen zwischen
dem Betriebsfrequenzbereich der Niedrigstrom-Oszillatorschaltung und dem Frequenzbereich
des Rauschens vorliegt. Das Ausgangssignal 32 einer Niedrigstrom-Oszillatorschaltung
ohne Rauschen ist normalerweise eine Sinuswelle, wie in 4 dargestellt ist. Ohne
Rauschen wird ein Triggerpunkt 80 problemlos erkannt, wobei
der Triggerpunkt 80 vom Durchlauf des Oszillator-Ausgangssignals
durch eine vorgegebene Trigger-Spannungsschwelle
bestimmt ist. Das Ausgangssignal 34 der Niedrigstrom-Oszillatorschaltung
mit aufgeprägtem Rauschen
im Ausgangssignal sieht zum Beispiel so aus, wie in der 5 dargestellt ist. Ein Triggerpunkt 84 wird
in 5 infolge des hochfrequenten
Rauschens auf dem Oszillator-Ausgangssignal nicht eindeutig erkannt.
Im praktischen Fall weist das hochfrequente Rauschen noch höhere Amplitude
auf als hier dargestellt ist.
-
Allgemein
sind die meisten Funktionsteile eines Taktgeberchips nicht rauschempfindlich,
mit Ausnahme derjenigen, die das Oszillatorsignal erzeugen. Ein
vorhandenes Oszillatorsignal wird im typischen Fall nur frequenzgeteilt
und nimmt dabei an Amplitude zu, bis es zwischen den Potentialen
Vss und Vcc der Energieversorgungs-Busleitungen schwingt, wie aus
dem Stand der Technik bekannt ist. Die empfindlichsten Teile eines
Taktgeberchips sind der Oszillator und die ersten zwei Teilerstufen.
Wenn Rauschen an den Eingang einer Teilerstufe gelangt, kann es vorkommen,
daß das
Rauschen die entsprechende Stufe mehrfach triggert, obwohl der Eingang
nur einmal getriggert werden sollte, wenn das Oszillator-Ausgangssignal
die Triggerschwelle durchläuft. Die
Energieversorgungs-Anschlüsse eines
bestimmten integrierten Hochstrom- und Hochfrequenz-Schaltungschips werden
typisch über
viele externe Energieversorgungsstifte (nicht dargestellt) geführt. Die
externen Eingangsstifte entsprechen, zum Beispiel, den Potentialen
Vss (Energieversorgungsmasse) und Vcc (Energieversorgungsspannung).
Die vielen externen Eingangsstifte sind mit den entsprechenden internen
Busleitungen auf dem Chip verbunden, um den Energieversorgungsrauschpegel auf
eine Größenordnung
von Volt, insbesondere auf eine Größenorderung von Hunderten von
Millivolt, zu reduzieren.
-
In
der Anordnung, in welcher eine Energieversorgung am hochfrequenten
integrierten Hochstromchip 18 angeschlossen ist, kann die
Energiequelle ein absolut sauberes Signal liefern, d. h. ihr Ausgang
weist keinen signifikanten aufgeprägten Rauschpegel auf. Nachdem
die Energieversorgung jedoch über
eine Kombination der Gehäusestifte, Verbindungsdrähte und
auf den Halbleiterchip gelaufen ist, ist das Energieversorgungspotential
nicht mehr sauber. Statt dessen trägt das Energieversorgungspotential
einen signifikanten Rauschpegel, zum Beispiel wegen dem RCL-Verhalten
der Leitungen und infolge der Schaltvorgänge, die auf dem Chip stattfinden.
Die Schaltvorgänge
sind eine Funktion des Umschaltens der Logikkreisausgänge auf dem
Chip. Auf Hochgeschwindigkeitschips können im typischen Fall 50–75% (fünfzig bis fünfundsiebzig Prozent)
der Ausgänge
jederzeit gleichzeitig umschalten. Ein Chipsatz für einen
Mikroprozessor weist solche Hochgeschwindigkeitschips auf, wobei der
Chipsatz eingesetzt wird, um die Umgebung des Mikroprozessors (oder
Prozessors) gemäß eines
bestimmten Computers und/oder einer bestimmten Computerarchitektur
funktionsfähig
zu machen.
-
Viele
Rauschquellen sind auf dem Chip vorhanden. Wie oben bereits erwähnt wurde,
selbst wenn die Energieversorgung bis zum Chip sauber ist (d. h.
kein Rauschen enthält),
wäre Rauschen
auf den Energieversorgungsleitungen auf dem Chip vorhanden. Dies
wird teilweise von den Induktivitäten der Leitungen auf dem Chip
und von den Widerständen
der Leitungen und Verbindungen verursacht, zusätzlich zu den Effekten der
auf dem Chip stattfindenden Schaltvorgängen, so daß sich eine sehr rauschintensive
Umgebung ergibt. 2 zeigt
die RCL-Schaltungseigenschaften
des Widerstands, der Kapazität
und der Induktivität
der Leitungswege. 3 zeigt
auch die Oszillatorschaltung 22 mit dem Chip 18 integriert,
wobei die Schaltung 22 auch den Kristall 24 und
die Kondensatoren 26, 28, die extern zum integrierten
Schaltungschip 18 angeschlossen sind, umfaßt. Die
Kondensatoren 26, 28 sind respektive zwischen
gegenüberliegenden
Enden des Kristalls 24 und der Vss-Energieversorgungsleitung 16 auf
der Leiterplatte angeschlossen. Der Strom iIN außerhalb
des Chips wird sich vom Strom i(chip+osc) auf dem
Chip unterscheiden, wegen des von der Schaltung erzeugten Rauschens
aus dem integrierten Hochstrom- und Hochfrequenzschaltungschip 18. 3 zeigt auch die RCL-Charakteristik 30 der
Verbindungsleitungen.
-
Bezüglich der
typischen Busleitungen auf einem integrierten Schaltungschip, ist
das Rauschen von den Spezifikationen des jeweiligen Chips abhängig. Der
jeweilige Rauschpegel kann ein Volt erreichen. Auf gut gestalteten
integrierten Schaltungschips mit vielen Energieversorgungsstiften
kann das Rauschen auf einen Pegel von einigen Zehntelvolt reduziert
gehalten werden. Das Rauschen hängt
somit von vielen Faktoren ab, darunter von der bestimmte Funktion
des Chips, von den jeweiligen Eigenschaften des Chips und, insbesondere,
von den Logikschaltungen auf dem Chip, die gleichzeitig umschalten
können,
z. B. wenn Schaltvorgänge
mit hoher Geschwindigkeit stattfinden. Die Funktionalität der Schaltungen
auf einem Chip trägt
auch zum Rauschen auf dem Chip bei, z. B. Hochstrom- und Hochfrequenzschaltungen
usw.
-
In 1 ist der langsame Niedrigstrom-Oszillator 22 auf
dem Hochstrom- und
Hochfrequenzchip 18 integriert. Das auf dem Chip während des
Betriebs des Chips 18 erzeugte Rauschen könnte den Oszillator 22 und
eine entsprechende Taktfunktion stören. Mit anderen Worten, es
würden
Rauschprobleme entstehen. Obwohl die Oszillatorschaltung 22 nur
einen kleinen Teil der Siliziumfläche des mit sehr hoher Geschwindigkeit
arbeitenden Chips 18 belegt, würde sich die Oszillatorschaltung 22 in
einer Umgebung befinden, in welcher Schaltvorgänge mit sehr hoher Geschwindigkeit
(d. h. im Bereich von weniger als 15 nsec (Nanosekunden)) vorkommen.
Somit ist die Umgebung sehr rauschintensiv verglichen mit dem rauscharmen
Niedrigstrom-Oszillator 22. Die Signalspannungsamplitude
am Ausgang des Oszillators 22 ist sehr klein, in der Größenordnung
von 0,5 bis 1 Volt Scheitel-Scheitel, mit einer Rauschpegel-Toleranz der Größenordnung
einiger Millivolt. Ein typisches Oszillator-Ausgangssignal ist eine Sinuswelle,
mit einer Scheitel-Scheitel-Signalamplitude von einem Volt oder
einiger Millivolt.
-
Es
wäre sehr
wünschenswert,
den Unterschied zwischen dem Absolutpotential einer Energieversorgungs-Masseleitung
Vss außerhalb
eines Chips und einer Energieversorgungs-Masseleitung innerhalb
des Chips zu verringern, wobei der Chip eine Hochstrom-Hochfrequenzrauschumgebung
aufweist.
-
Ein
Objekt der vorliegenden Erfindung ist die Überwindung der Rauschprobleme
in Verbindung mit einer Niedrigstromschaltung, die innerhalb eines
integrierten Hochstrom- und Hochfrequenz-Schaltungschips, wie oben
besprochen, integriert ist.
-
Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, bezüglich
des zusätzlichen,
intern von einem integrierten Hochstrom- und Hochfrequenzschaltungschip
auf dem Chip induzierten Rauschens gegenüber einer Niedrigstrom- und
Niederfrequenz-Schaltung, die auf dem integrierten Hochstrom- und Hochfrequenz-Schaltungschip
implementiert ist, wird ein Verfahren offenbart, um das Rauschen
in der Niedrigstrom und Niederfrequenzschaltung zu verringern. Das
Verfahren beinhaltet das Anordnen rauschempfindlicher Komponenten
der Niedrigstrom- und Niederfrequenzschaltung außerhalb des integrierten Schaltungschips.
Es wird eine exklusive Energieversorgungs-Referenzleitung zur Verfügung gestellt,
die von einem internen Energieversorgungsbus des integrierten Schaltungschips abgegriffen
ist. Die exklusive Energieversorgungs-Referenzleitung wird vom internen
Energieversorgungsbus auf dem Chip an der physischen Stelle abgegriffen,
die sich in nächster
Nähe der Niedrigstrom-
und Niederfrequenzschaltung befindet, und vom Chip nach außen geführt. Die
rauschempfindlichen Komponenten werden zwischen der Niedrigstrom-
und Niederfrequenzschaltung auf dem Chip und der Energieversorgungs-Referenzleitung angeschlossen,
wobei die Rauschdifferenz zwischen der Energieversorgung der Niedrigstrom-
und Niederfrequenzschaltung auf dem Chip und der Energieversorgung
der rauschempfindlichen Komponenten außerhalb des Chips minimiert
ist.
-
Gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird eine integrierte Schaltungsanordnung
offenbart. Die integrierte Schaltungsanordnung ist zur Rauschverringerung
in einer Niedrigstrom- und Niederfrequenzschaltung vorgesehen, die
auf einem integrierten Hochstrom- und Hochfrequenz-Schaltungschip implementiert
ist. Der integrierte Hochstrom- und Hochfrequenz-Schaltungsehip erzeugt ein zusätzliches
internes Rauschniveau auf dem Chip, verglichen mit der Niedrigstrom-
und Niederfrequenzschaltung. Die integrierte Schaltungsanordnung
beinhaltet rauschempfindliche Komponenten der Niedrigstrom- und Niederfrequenzschaltung,
die extern zum integrierten Schaltungschip angeordnet sind, entsprechend
einer Positionierung außerhalb
des Chips. Zusätzlich
wird eine exklusive Energieversorgungs-Referenzleitung von einem
internen Energieversorgungsbus des integrierten Schaltungschips
abgegriffen. Insbesondere wird die exklusive Energieversorgungs-Referenzleitung
am internen Energieversorgungsbus an einer physischen Stelle abgegriffen,
die sich in unmittelbarer Nähe
der Niedrigstrom- und Niederfrequenzschaltung befindet, und vom
Chip herausgeführt.
Die exklusive Energieversorgungs-Referenzleitung ist an den rauschempfindlichen
Komponenten angeschlossen, wobei die rauschempfindlichen Komponenten zwischen
der Niedrigstrom- und Niederfrequenzschaltung auf dem Chip und der
exklusiven Energieversorgungs-Referenzleitung
angeschlossen sind, wobei eine Rauschdifferenz in der Energieversorgung
der Niedrigstrom- und Niederfrequenzschaltung auf dem Chip und der
Energieversorgung der rauschempfindlichen Komponenten außerhalb
des Chips minimiert ist.
-
Die
obenstehende und andere Lehren und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden besser verständlich
an Hand einer nun folgenden, detaillierten Beschreibung der besten
Art der Implementierung der Erfindung. In dieser folgenden Beschreibung
wird auf die beigegebenen Figuren Bezug genommen, wobei gleiche
Bezugszahlen zur Identifizierung gleicher Teile in den diversen
Ansichten verwendet werden; dabei zeigt
-
1 eine Draufsicht eines
integrierten Schaltungschips, der auf einer integrierten Schaltungseinheit
montiert ist, die ihrerseits auf einer Leiterplatte montiert ist,
auf welcher die rauschkritischen Schaltungskomponenten an einer
Energieversorgungs-Masseleitung Vss auf der Leiterplatte angeschlossen
sind;
-
2 zeigt eine RCL-Schaltung,
die den Widerstand, die Kapazität
und die Induktivität
der Leitungswege von einer Leiterplatte zu einem integrierten Schaltungschip
darstellt;
-
3 zeigt eine mit einem integrierten Schaltungschip
integrierte Oszillatorschaltung, wobei die Oszillatorschaltung einen
Kristall und die zugehörigen
Kondensatoren extern am integrierten Schaltkreis angeschlossen aufweist
und zusätzlich
mit dem Energieversorgungs-Massepotential Vss auf der Leiterplattenebene
gekoppelt ist;
-
4 zeigt ein sinusförmiges Ausgangssignal
einer Niedrigstrom-Oszillatorschaltung
ohne Rauschen;
-
5 zeigt ein sinusförmiges Ausgangssignal
einer Niedrigstrom-Oszillatorschaltung
mit sehr hochfrequentem Rauschen;
-
6 zeigt eine Draufsicht
eines integrierten Hochstrom- und Hochfrequenz-Schaltungschips mit einer
Niedrigstrom-Oszillatorschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung,
wobei der externe Kristall und die zugehörigen Kondensatoren mit einem
Energieversorgungs-Referenzmassepotential Vss entsprechend der vorliegenden
Erfindung außerhalb des
Chips verbunden sind;
-
7 zeigt eine Niedrigstrom-Oszillatorschaltung,
die auf einem integrierten Schaltungschip mit integriert ist, wobei
die Oszillatorschaltung einen Kristall und die zugehörigen Kondensatoren
aufweist, die außerhalb
des integrierten Schaltkreises mit einem Energieversorgungs-Referenzmassepotential
Vss gemäß der vorliegenden
Erfindung verbunden sind.
-
Die
vorliegende Erfindung befaßt
sich mit und löst
das wegen des Rauschens vorhandene Problem, und mit der Aufgabe,
wie eine Niedrigstrom-Oszillatorschaltung
auf einem Hochstrom- und Hochfrequenzchip implementiert sein muß, um die Probleme
mit dem Rauschen zu überwinden.
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird die intensiv rauschende Umgebung auf dem Hochstrom-
und Hochfrequenzchip zum Vorteil genutzt, indem sie aus dem Chip
herausgeführt
wird. Das bedeutet, gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Energieversorgungsleitung in der Umgebung mit
dem hohen Rauschniveau abgegriffen, wie unten näher erläutert wird.
-
Nun
mit Hinweis auf die 6,
weist eine Leiterplatte 50 eine auf ihr montierte integrierte Schaltungschipeinheit 52 auf.
Die Leiterplatte 50 umfaßt zusätzlich eine Energieversorgungsleitung
Vcc 54 auf der Leiterplattenebene sowie eine Energieversorgungsmasseleitung
Vss 56 auf der Leiterplattenebene. Die integrierte Schaltungseinheit 52 umfaßt einen
integrierten Hochstrom- und Hochfrequenz-Schaltungschip 58.
Der Chip 58 ist angeschlossen und verbunden mit der Einheit 52 mittels beliebiger
geeigneter, gemäß dem Stand
der Technik bekannter Verbindungselemente, zum Beispiel Verbindungsdrähte 60.
-
Weiterhin
entsprechend der Darstellung in 6,
wird gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Energieversorgungs-Referenzmasseleitung Vss(REF) auf dem Chip abgegriffen und nach außer geführt, wo ein
Kristall 64 und die zugehörigen Kondensatoren 66, 68 einer
Niedrigstrom-Oszillatorschaltung 62 auf dem Chip damit
verbunden sind. Die Energieversorgungs-Referenzmasseleitung Vss(REF) wird an einem Energieversorgungsmassebus
auf dem Chip 58, in der Nähe der notwendigen Verbindungsstelle
für den Kristall 64 und
den zugehörigen
Kondensatoren 66, 68, die sich außerhalb
des Chips befinden, an der Oszillatorschaltung 62 auf dem
Chip abgegriffen. Die Energieversorgungs-Referenzmasseleitung Vss(REF), die
auf dem Chip abgegriffen wird, meldet somit das Geschehen innerhalb
bzw. auf dem Chip 58 als außerhalb des Chips zur Verfügung stehendes
Referenzpotential. Damit wird die Energieversorgungs-Referenzmasseleitung
Vss(REF) vorteilhaft als Massereferenzpotential
für die
zwei externen Kondensatoren 66, 68 und für den Kristall 64 der
Oszillatorschaltung genutzt. Die Differenz der Rauschniveaus der
Energieversorgungs-Masseleitungen von (i) der Oszillatorschaltung
auf dem Chip 62 und (ii) des Kristalls 64 und
der Kondensatoren 66, 68 vom Teil der Oszillatorschaltung
außerhalb
des Chips, wird somit vorteilhaft minimiert. Die Ströme auf den mit
der Referenznummer 69 (6)
gekennzeichneten Leitungen sind sehr klein, so daß die Potentialunterschiede
auf diesen Leitungen ebenfalls sehr klein sind. 7 zeigt die äquivalente RCL-Schaltung 70 der
Verbindungsleitungen. Gleichtakt-Rauschsignale auf den respektiven
Energieversorgungs-Masseleitungen von (i) der Oszillatorschaltung
auf dem Chip 72 und (ii) dem Teil der Oszillatorschaltung
außerhalb des
Chips 74, mit dem Kristall und den Kondensatoren, heben
sich gegenseitig auf, so daß die
Potentialdifferenz zwischen den zwei Massereferenzpunkten, 72 auf
dem Chip und 74 außerhalb
des Chips für
die Oszillatorschaltung 22, sehr nahe Null liegt. Ein Grund
dafür ist,
daß die
Stromaufnahme der Oszillatorschaltung sehr klein ist, im Bereich
von Mikroampere bis Nanoampere, so daß sehr wenig Strom durch die
zwei Kondensatoren außerhalb
des Chips fließt.
Insbesondere weist die Oszillatorschaltung eine Stromaufnahme von
weniger als ein Mikroampere auf. Die vorliegende Erfindung bringt
vorteilhaft die Umgebung mit starkem Rauschen auf dem Chip an eine
gewünschte
Stelle außerhalb
des Chips, wo dann die externe Energieversorgungs-Referenzmasseleitung
Vss(REF) einen Rauschpegel aufweist, der
im wesentlichen dem internen Rauschpegel in der Nähe der Oszillatorschaltung 22 auf
dem Chip möglichst gleich
ist. Die Integrität
der Funktionsweise der Oszillatorschaltung 22 bleibt somit
auch in der Umgebung mit starkem Rauschen auf dem Chip erhalten.
-
Nochmal
mit Hinweis auf die 6,
das Energieversorgungspotential 56 wird dem integrierten Schaltungschip 58 zugeführt, in
eine mit starkem Rauschen behaftete Umgebung eingeführt, und
dann wieder aus dem Chip herausgebracht von einer Stelle auf dem
Chip, die sich in der Nähe
vom Ort befindet, wo das benötigte
Bezugspotential für
die externen Komponenten der Niedrigstrom-Oszillarorschaltung 62 auf
dem Chip vorhanden ist. Für
den Zweck dieser Diskussion sind, wie dargestellt, die externen Komponenten
der Niedrigstrom-Oszillatorschaltung 62 der
Kristall 64 und die zwei Kondensatoren 66, 68, die
zur Oszillatorschaltung gehören.
Mit anderen Worten, die Stelle, an der das Energieversorgungs-Referenzmassepotential
Vss(REF) auf dem Chip abgegriffen und herausgeführt wird,
liegt in der Nähe
der physischen Stelle, an welcher die extern benötigten Komponenten mit der
internen Oszillatorschaltung 62 auf dem integrierten Schaltungschip 58 angeschlossen
werden müssen.
Das Energieversorgungs-Referenzmassepotential Vss(REF) wird
auf dem Chip abgegriffen und nach außen geführt an einer Stelle der internen
Schaltung, die der richtige Bezugspunkt für die geerdeten Kondensatoren
ist. Das Energieversorgungs-Referenzmassepotential Vss(REF) ist eine exklusive chip-externe Energieversorgungsleitung,
mit welcher nur der Kristall 64 und die zwei Kondensatoren 66, 68 außerhalb
des Chips verbunden sind. Das externe Energieversorgungs-Referenzmassepotential
Vss(REF) wird für keinen sonstigen Zweck verwendet.
Würde man
das Energieversorgungs-Referenzmassepotential Vss(REF) an
einer sonstigen Stelle im integrierten Schaltungschip abgreifen,
die sich nicht in der Nähe
der Niedrigstrom-Oszillatorschaltung 62 auf dem Chip befindet,
dann könnten
das Energieversorgungs-Referenzmassepotential außerhalb des Chips und das Massepotential
der Niedrigstrom-Oszillatorschaltung auf dem Chip sehr verschieden
sein.
-
Die
Rauschniveautoleranz einer Niedrigstrom-Oszillatorschaltung 62 auf
dem Chip kann mitunter nur einige Millivolt betragen. Die Rauschtoleranz eines
bestimmten Oszillators hängt
von seiner jeweiligen Gestaltung ab. Im Gegensatz dazu, die Art
des Tolerierten Rauschens bezüglich
der Energieversorgung des Hochstrom- und Hochfrequenzchips 58 liegt
im Pegel um mehrere Größenordnungen
höher als
die Art des von einem Niedrigstrom-Oszillator 62 tolerierten
Rauschenieveaus. Der verbleibende Unterschied zwischen dem Rauschniveau
auf dem Energieversorgungs-Massepotential Vss 56 an der
Oszillatorschaltung auf dem Chip und dem Rauschniveau auf dem Energieversorgungs-Referenzmassepotential
Vss(REF) außerhalb des Chips für den Kristall 64 und
für die
zwei Kondensatoren 66, 68, außerhalb des Chips für die Niedrigstrom-Oszillatorschaltung 62,
muß im
Bereich von nur einigen Millivolt liegen. Diese geringe Restdifferenz
darf nicht überschritten werden,
um die optimale Funktionalität
der Niedrigstrom-Oszillatorschaltung auf dem Chip zu gewährleisten.
-
Unabhängig davon,
wie die integrierte Schaltung in einem entsprechenden Substratgehäuse angeschlossen
ist und wie das Substratgehäuse
mit einer entsprechenden Leiterplatte verbunden ist, wenn Rauschen
innerhalb des Chips (d. h. intern bezüglich des Chips) vorhanden
ist mit einem Niveau, welches mit einem kritischen Teil der Schaltung
auf dem Chip unverträglich
ist, ist es vorteilhaft, den Rauschpegel entsprechend der vorliegenden
Erfindung auf dem Chip abzugreifen und nach außen zu führen. Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird das Rauschsignal an einer Stelle auf dem Chip abgegriffen als
Energieversorgungs-Referenzpotential in der Nähe des physischen Ortes des
kritischen Teils der Schaltung, zur ausschließlichen Verwendung seitens
der externen Komponenten des betreffenden kritischen Schaltungsteils.
-
Wie
oben bereits beschrieben wurde, wird das System-Energieversorgungspotential Vss von externer
Quelle dem integrierten Schaltungschip 58 über die
Verbindungen von der externen Leiterplatte zum Substratgehäuse und
vom Substratgehäuse
zu den Chipanschlüssen
zugeführt.
Das System-Energieversorgungspotential Vss wird dem Chip je nach Bedarf
auch an vielen Stellen auf einer oder mehreren Seiten des Chips
zugeführt,
wobei diese Stellen alle miteinander intern verbunden sein können. Auf dem
Chip wird das Energieversorgungspotential Vss den verschiedenen
Teilen des Chips über
diverse Busleitungen und/oder Verbindungsleitungen auf dem Chip
zugeführt,
entsprechend der jeweiligen Gestaltung des betreffenden integrierten
Schaltungschips. Die vorliegende Erfindung greift vorteilhaft das interne
Energieversorgungs-Buspotential Vss(REF) auf dem
Chip ab an einer Stelle in der Nähe
des Ortes, an welchem das Referenzpotential Vss benötigt wird, wie
hier diskutiert.
-
Dies
führt zu
einer effektiven Verringerung der mit dem Rauschen auf den Energieversorgungspotentialen
verbundenen Probleme. Es wird ein exklusives Energieversorgungs-Referenzpotential Vss(REF) am internen Vss-Bus abgegriffen an
einer Stelle, die in der Nähe
des Ortes liegt, an welchem das Referenzpotential Vss(REF) benötigt wird,
um eine externe Komponente oder externe Komponenten einer bestimmten,
rauschempfindlichen Schaltung auf dem integrierten Schaltungschip
anzuschließen.
Mit anderen Worten, im Beispiel der Niedrigstrom-Oszillatorschaltung 62, liegt
die Stelle, an der das Energieversorgungs-Referenzpotential Vss(REF) auf
dem Chip 58 abgegriffen und nach außen geführt wird, in der Nähe des physischen
Ortes, an welchem ein internes Massepotential Vss vorhanden ist
für die
Oszillatorschaltung 62 mit welcher der Kristall 64 arbeitet.
-
Die
vorliegende Erfindung ist eine Verbesserung gegenüber dem
Verfahren, welches nur ein rauschfreies exklusives Energieversorgungspotential Vss
für den
integrierten Schaltungschip auf der Leiterplatte zur Verfügung stellt.
-
Zusätzlich wird
das Energieversorgungs-Referenzpotential Vss(REF),
sobald es aus dem Chip herausgeführt
ist, über
eine Leitung minimaler Größe geführt für die Verbindung
mit den externen Kondensatoren 66, 68, wobei diese
Leitung minimalen Abstand vom Substratgehäuse aufweist. Die Energieversorgungs-Referenzpotentialleitung
Vss(REF) wird auf der Leiterplatte 50 zum
Anschlußpunkt
der Kondensatoren 66, 68 mit geeigneter Abschirmung
und in sonst sehr kontrollierter Weise geführt.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Vss-Potential innerhalb des Chips abgegriffen
und außerhalb
des Chips als exklusive Energieversorgungs-Referenzmassepotentialleitung Vss(REF) geführt.
Eine solche Energieversorgungs-Referenzmassepotentialleitung
Vss(REF) folgt vorteilhaft dem auf der Vss-Leitung
im Chip an der Position des Oszillators vorhandenem Rauschen. Der
Strom i(OSC)2 auf dem Energieversorgungs-Referenzmassepotential
Vss(REF) 74 ist ausschließlich zur
Verwendung mit den zwei zuvor erwähnten Kondensatoren vorgesehen.
Der Strom in der Referenz-Massepotentialleitung Vss ist kleiner
als der Gesamtstrom des Oszillators, so daß die verbleibende Differenzspannung
minimiert ist. Das heißt,
der Strom i(OSC)2 auf der Energieversorgungs-Referenzmassepotentialleitung Vss(REF) ist bei guter technischer Gestaltung
so klein, daß das
exklusive Referenzmassepotential Vss(REF) dem
internen Potential Vss folgt, so daß nur eine sehr kleine Restdifferenzspannung übrigbleibt.
-
Der
Schaltplan in der 7 zeigt
das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung. Wie
die 7 zeigt, sind die
außerhalb
des Chips angeordneten Kondensatoren im Schaltplan nicht mit dem
Vss-Potential auf der Leiterplatte verbunden, sonder sie sind verbunden
mit der Energieversorgungs-Referenzmasseleitung,
die dem aktuellen Potential Vss an der Oszillatorschaltung auf dem
Chip entspricht.
-
Für den Niedrigstrom-Oszillator
ist der Strom, der in den Verbindungsdrähten vom Substrat zu den Anschlüssen des
integrierten Schaltungschips fließt, sehr klein. Die Potentialdifferenzen
auf den respektiven Leitungen sind folglich sehr klein und weisen
Werte von der Größenordnung
einiger Millivolt und insbesondere einiger Zehnmillivolt auf. Die Verbindungsdrähte, die
hier von besonderem Interesse sind, sind mit der Referenznummer 69 in
der 6 gekennzeichnet.
-
Jeder
Verbindungsdraht bzw. jede Leiterbahn innerhalb des integrierten
Schaltungschips sowie die Leiterbahnen auf der Leiterplatte verhalten sich
in Wirklichkeit wie RCL-Schaltungen. Wie hier besprochen, liegt
die Betriebsfrequenz des Oszillators so tief, daß sie nur einen minimalen Einfluß auf die äquivalenten
RCL-Schaltungsparameter bezüglich
der Verbindungsdrähte
oder Leiterbahnen hat, die mit der Oszillatorschaltung verbunden
sind. Ferner, obwohl ein kleiner Unterschied existiert zwischen
dem Vss-Potential auf dem Chip in der Nahe der Oszillatorschaltung
und dem Potential Vss(REF) außerhalb
des Chips infolge der RCL-Parameter der Leitungen, ist die Stromstärke i(OSC)2 auf der Leitung Vss(REF) ist
so klein, daß sie
zu keiner weiteren signifikanten Zunahme des Rauschens (d. h. Signalspannungsdifferenz)
führt,
gegenüber
der, die ohnehin vorhanden ist. Dies unterstreicht die Tatsache,
daß die
Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung kein signifikantes zusätzliches
Rauschen durch den Einsatz des Referenzpotentials Vss(REF) außerhalb
des Chips verursacht.
-
Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
somit die Integration einer Niedrigstrom-Oszillatorschaltung auf
einem integrierten Hochstrom- und Hochfrequenz-Schaltungschip, wobei
der Oszillator ein sauberes Ausgangssignal mit wohldefiniertem,
erwünschten
Triggerpunkt liefert. Dies steht im Gegensatz zur Situation, in
welcher das Oszillator-Ausgangssignal hochfrequenzrauschen enthält, so daß der Signaltriggerpunkt
nicht sauber erkannt wird.
-
Obwohl
die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit einer Oszillatorschaltung
beschrieben wurde, ist sie auch in anderen Schaltungsanordnungen,
die rauschempfindliche Elemente enthalten, anwendbar. Zum Beispiel
kann es sich bei anderen Schaltungsanordnungen um jede Art von Analogschaltung
handeln, beispielsweise einen Operationsverstärker mit niedrigem Differentialoffset
von der Größenordnung
einiger Millivolt. Somit ist die vorliegende Erfindung einsetzbar
für Schaltungsanordnungen,
die möglichst
geringe Differenz des Rauschniveaus der Umgebung außerhalb
von und auf einem Chip verlangen.
-
Wie
oben bereits erwähnt
wurde, ist die vorliegende Erfindung anwendbar für Schaltungen, die einen möglichst
geringen Unterschied des Rauschniveaus auf einer Energieversorgungsleitung
auf dem Chip und einer Energieversorgungsleitung außerhalb des
Chips erfordern. Der erzielbare Rauschniveau-Restunterschied ist
kleiner als der, der zwischen einer internen und einer externen
Energieversorgung eines bestimmten Chips möglich ist. Ferner umfassen
die Schaltungen, für
welche die vorliegende Erfindung anwendbar ist, auch diejenigen
von welchen der größte Teil
der Schaltung auf dem Chip implementiert ist, und nur ein kleiner
Teil der betreffenden Schaltung außerhalb des Chips implementiert ist.
-
Obwohl
die vorliegende Erfindung bezüglich der
Verwendung des Energieversorgungs-Potentials Vss beschrieben wurde,
ist sie auch anwendbar bei der Verwendung des Energieversorgungs-Potentials Vcc.
Der in der jeweiligen Oszillatorschaltung-Implementierung verwendete
Kristall wird an Hand der Forderungen und Spezifikationen der bestimmten
Oszillatorschaltung gewählt.
Die Schaltungselemente der Niedrigstrom-Oszillatorschaltung außerhalb
des Chips umfassen auch hochpräzise
Kondensatoren.
-
Somit
beseitigt die vorliegende Erfindung in vorteilhafter Weise die mit
dem Rauschen verbundenen Probleme, wenn ein Energieversorgungs-Referenzmassepotential
Vss(REF) aus dem Chip herausgeführt wird.
Im Fall einer Niedrigstrom-Oszillatorschaltung 62 werden
zwei hochpräzise
Kondensatoren 66, 68 im Zusammenhang mit einem
Kristall 64 mit dem Referenzmassepotential Vss(REF) außerhalb
des Chips verbunden. Das Referenzmassepotential Vss(REF) außerhalb
des Chips wird ausschließlich
für den
Anschluß der
zwei hochpräzisen
Kondensatoren, und für
keine sonstigen Verbindungen, verwendet.
-
Ferner,
wie oben bereits kurz erwähnt
wurde im Zusammenhang mit einer Batteriepufferung, um den Betrieb
der gewünschten
Schaltungsfunktion aufrecht zu erhalten, wenn Vcc abgeschaltet ist
(d. h., wenn die Hauptenergieversorgung ausgeschaltet ist), ist
dem integrierten Schaltungschip im typischen Fall eine Batterie
zugeordnet. Mit der vorliegenden Erfindung kann eine Niedrigstrom-Oszillatorschaltung
in einer rauschintensiven Hochstrom- und Hochfrequenzumgebung implementiert
werden. Die Größe der erforderlichen
Batterie für
den Betrieb der Oszillatorschaltung ist damit wesentlich reduziert,
weil die niedrige Stromaufnahme der Oszillatorschaltung im Mikroampere-
bis Nanoampere-Bereich liegt. Die niedrige Stromaufnahme führt vorteilhaft
zu einer maximalen Batterie-Betriebslebensdauer.
-
Obwohl
die Erfindung dargestellt und beschrieben wurde bezüglich eines
integrierten Schaltungschips 58, der auf einer Chipeinheit 52 montiert ist,
die ihrerseits auf einer Leiterplatte 50 montiert ist, soll
dies nicht als Einschränkung
verstanden werden. Zum Beispiel könnten der Kristall 64 und
die Kondensatoren 66, 68 auf der Chipeinheit 52 montiert
werden, jedoch außerhalb
des Chips 58, soweit die Chipeinheit 52 eine ausreichende
Größe aufweist,
um diese Komponenten unterzubringen.
-
Somit
betrifft die vorliegende Erfindung die Integration einer Niedrigstromschaltung
in einem Halbleiterchip eines Chipsatzes mit hoher Leistungsaufnahme,
wobei einige Schaltungselemente der Niedrigstromschaltung, die nicht
auf demselben Chip integriert werden können, außerhalb des Chips angeordnet
sind. Ihre Verbindung außerhalb
des Chips weist eine exklusive Energieversorgungsreferenzleitung
Vss(REF) auf für den Anschluß an die
Schaltungselemente der Niedrigstromschaltung, die sich außerhalb
des Chips befinden. Die exklusive Energieversorgungsreferenzleitung
Vss(REF) wird an einer internen Vss-Busleitung
auf dem Chip abgezweigt an einer Stelle, die in der Nähe der Position
liegt, an welcher das Energieversorgungsreferenzpotential Vss(REF)
benötigt
wird für
den Anschluß der
externen Komponente oder Komponenten der rauschempfindlichen Niedrigstrom-Oszillatorschaltung
auf dem integrierten Schaltungschip.
-
Obwohl
die vorliegende Erfindung bezüglich einer
Niedrigstrom-Oszillatorschaltung
beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine solche
Anwendung beschränkt.
Das heißt,
die vorliegende Erfindung ist ebenso anwendbar im Zusammenhang mit
dem Potential Vcc oder mit einem beliebigen sonstigen Knoten einer
Niedrigstromschaltung auf einem Halbleiterchip, wo dies erforderlich
ist, um eine verbesserte Funktionalität (d. h. eine Rauschverringerung)
der Vorrichtung zu erzielen. Zum Beispiel, wenn irgendeine Komponente
der Oszillatorschaltung außerhalb
des Halbleiterchips angeordnet werden soll zwischen einem Knoten,
der sowohl innerhalb wie auch außerhalb des Chips gemeinsam vorhanden
ist, kann das Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden,
um den Chipknoten an eine Stelle außerhalb des Chips herauszuführen, wo der
Knoten mit verringerten, von der Schaltung erzeugtem Rauschen verwendet
werden kann.
-
Damit
wurde ein Verfahren und eine Vorrichtung aufgezeigt, mit welchen
das Rauschen verringert werden kann in einem Niedrigstrom-Oszillator, der
auf einem integrierten Hochstrom- und Hochfrequenz-Schaltungschip
integriert ist, wie zum Beispiel ein integrierter Schaltungschip
eines Computer-Chipsatzes.
-
Obwohl
die vorliegende Erfindung dargestellt und beschrieben wurde insbesondere
bezüglich
einer bestimmten Ausführungsform,
versteht der Fachmann, daß diverse
Veränderungen
in Form und Detail eingeführt
werden können,
und andere Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung möglich sind
und praktiziert werden können,
ohne den Geltungsbereich der im Anhang befindlichen Ansprüche zu verlassen.