消除電荷泵噪聲的輸出緩衝器的製作方法
2023-09-19 07:19:55 1
專利名稱：消除電荷泵噪聲的輸出緩衝器的製作方法
發明的領域本發明涉及減少集成電路(IC)中的輸入/輸出(I/O)噪聲，特別涉及進行電荷泵同步噪聲消除方法和設備。
發明的背景傳統數字CMOS(補償金屬氧化物半導體)或GTL(岡寧收發機邏輯)I/O緩衝器由通過產生實質電流增量/時間增量(di/dt))瞬變的轉換產生相當大的電源噪聲。封裝電感在公共電壓(Vcc)和源電壓(Vss)線上產生公共模式噪聲。同時，從Vcc到Vss的有限量的低通濾波器電容通過影響噪聲裕度而在晶片上電源上產生差分模式噪聲。工藝尺度和總線速度增加導致以下情形其中在每個I/O片上的大量矽區域用於通常需要減少噪聲的無源去耦電容器。用於去耦電容器的附加區域佔據了分配面積的一半或更多。
圖1示出了其輸出耦合到在兩端終止的50歐姆總線的基本GTL電路100。還示出了晶片上去耦電容器110、封裝電感120和122、以及I/O焊盤130。輸出電路可以是其它類型的電路，如CMOS(補償金屬氧化物半導體)，但是為了簡化本例而選擇GTL。
當輸出從高向低或從低向高轉換時產生噪聲。圖2表示當輸出從高向低瞬變時來自外部電源的電流210採取的路徑。因為di/dt而使電流預填在電感122中併到外部Vss，產生到外部Vss的電壓降以及在晶片上Vcc向Vss電壓的下降。在最壞的情況下，當GTL總線的所有輸出一次轉換時將產生噪聲。
減少輸出噪聲的另一方法如下。對於傳輸的每個數據位，一個可以傳輸冗餘補償位。這樣，使輸出電路面積、功率和外部接點的數量加倍。其它方法如編碼可確保不會發生大量I/O從1到0或從0到1轉換的極端情況。
附圖的簡要說明圖1表示基本岡寧(Gunning)收發機邏輯(GTL)電路。
圖2表示具有從高到低瞬變的圖1的GTL電路。
圖3表示圖2中所示的GTL電路的平衡電流。
圖4表示具有用於從低到高瞬變的平衡電流的GTL電路。
圖5表示用於給電源施加平衡電流的轉換電容器電路。
圖6表示具有用於GTL輸出的電荷泵噪聲消除的本發明的實施例。
圖7是表示用於消除噪聲的電荷泵的可度量能力的實施例的方框圖。
圖8表示在具有多個晶片和輸入/輸出總線的系統中實施的本發明的實施例。
圖9表示將電荷泵定時到預期瞬變的實施例的流程圖。
詳細描述本發明一般涉及通過採用有源電荷泵電路用於減少噪聲的方法和設備。參照附圖，現在將介紹本發明的示意實施例。提供示意實施例以表示本發明並且不應該限制本發明的範圍。
在本發明的一個實施例中，有源電荷泵電路與輸出緩衝器中的公知噪聲產生事件同步，如從高狀態向低狀態的轉換，以便消除輸出噪聲。由於電荷泵電容器經受比無源去耦電容器更大的電壓擺動，因此採用電荷泵電容器在消除輸出噪聲上比去耦電容器更有效，並且使用更少的晶片面積(約該面積的三分之一)。圖3表示在圖2中所示的電路中的平衡電流i/2 320流動方向，用於從高向低電壓轉變。如果可以施加在i 210的相反方向流動的平衡電流i/2，則可以消除掉產生(由於di/dt)從高向低轉變的Vss到Vcc上的晶片上差分噪聲。平衡電流i/2 320(di/dt)在Vcc上產生相等並且相反量的公共噪聲，由此重分布公共模式噪聲，同時完全消除了差分模式噪聲。為了便於討論，認為Vcc和Vss電感相等，因此i/2 320而不是電感重量值適合平衡。
為了完整性，圖4示出了施加於圖2中所示的電路的低向高電壓瞬變特性和平衡電流420。應該注意到，雖然離理想較遠，去耦電容器110實現了與輸出瞬變相反的希望電流的一部分。流過去耦電容器110的電流Ic由以下等式表示Ic＝CdVc/dt。
來自無源去耦電容器的電流只以在晶片電源上的差分電壓降為代價而流動。因此，去耦電容器不能消除差分噪聲，只是利用用於去藕電容器的越來越大的面積來減少噪聲。無源去耦電容器本來就效率低，因為任何有利電流必須與電容器板兩端的電壓降相關。電壓降對應Vcc和Vss之間的不希望的晶片上差分電壓降。
很多目前的晶片集設計，包括下一代I/O(NGIO)，在I/O電源上採用大量去耦電容器。通常，每個晶片上I/O槽的大面積用於去耦電容器(通常每輸出200-400pf)。因此，相當大的面積用於電源濾波。
圖5示出了採用轉換電容器產生用於平衡由輸出轉變產生的噪聲所需要的同步電流的實施例。在給定I/O時間瞬變平衡電流。當開關510從左向右移動並且開關520從右向左移動時，產生對應高-低轉變的放電模式和從Vss到Vcc的i/2。這個移動串聯連接電容器530和540。通過開關510從右向左移動和開關520從左向右移動，在電容器上產生從Vcc到Vss的補償再充電事件，因此將電容器530和540並聯連接到電源Vcc550。
當電容器530的電容等於電容器540的電容時，電荷泵循環允許電容器兩端的電壓在Vcc/2和Vcc之間擺動。由於這個大電壓擺動，對於給定尺寸的電容器來說得到的di/dt瞬變十分大。由於因大電容電壓擺動造成的大電流瞬變的優點，可以消除比採用無源去耦電容器時更小的面積中的輸出噪聲，以便濾出噪聲。每個輸出焊盤被看作是分離單元。因此，由每個焊盤產生的噪聲利用用於每個焊盤的分開電路而被消除。因此，本領域技術人員很容易看到本實施例可相當大地消除輸出噪聲。
為採用具有電荷泵電路的本發明實施例消除輸出噪聲，將局部電路設置到關於要產生的預期電源噪聲。因此，電荷泵電路同步以消除噪聲。當通過晶片的輸出緩衝器傳輸數據位時，數據位通常被傳輸到流水線並通過幾個鎖存器和緩衝器。結果是，用於給定輸出焊盤的數據串在任何一次為幾個位深度。因此，要被計時的數據是已知的。利用要計時的數據的信息，可以給流水線添加電路，反應要到達焊盤的數據的信息。因此，這些電路可以預先處理在焊盤上發生的瞬變範圍。本發明的一個實施例觸發了電容電荷泵電路以符合輸出瞬態，以便實現噪聲消除。表1示出了採用電荷泵電路的實施例如何對在輸出上要發生的數據變化起作用。
表1圖6表示採用用於GTL電路的電荷泵方案的本發明的實施例。電源電感610和620可以是典型值，如1.5nH。分別有兩組電容器對630和635、640和645。電容器對可以是如增強型正-溝道金屬氧化物半導體(PMOS)和負-溝道金屬氧化物半導體(NMOS)電容器。電容器對供應放電和再充電脈衝。由於放電脈衝本來就比再充電脈衝效率低，因此將其分為兩個不同的部分。因此，所有的電容都是必須的以產生所希望的放電di/dt，並且對於再充電di/dt需要較少的電容。具有由控制信號670和控制信號680控制的再充電的部分660表示利用在再充電場效應電晶體(FET)615和616的柵極上的慢速反相器電路在可得到時間上的再充電。本領域技術人員將注意到可採用FET以外的其它類型的開關器件用於再充電。具有由控制信號690和控制信號695控制的再充電和放電的部分605利用比上部660更快的放電和再充電平衡了di/dt。
應該注意到，給採用電荷泵的實施例添加無源電容不會減少噪聲。相反，添加無源電容激發了諧振。
通過採用在每個輸出具有電荷泵電路的實施例，可以消除掉di/dt噪聲。電荷泵電路被定時到進入電源的源電流或來自電源的消失電流(sink current)，以便抵消轉換輸出為高或低所需要的電流。因此，di/dt瞬態被消除，並且作為單元的輸出的噪聲減少了。由於電荷泵在固有的有效方式中起到其電容器的作用，因此利用大的電壓擺動(與無源濾波電容器相比)，用於減少噪聲目的在晶片上需要較少的面積。作為例子，利用具有電荷泵的本發明實施例可以在三分之一面積上實現由具有200pf值的無源電容電路過濾噪聲。因此，很容易度量輸出和相關的噪聲減少電路。
圖7表示含有電荷泵I/O電路的實施例的基本方框圖。電路701是自持的、可度量的位劃片單元。電路701可以用在需要二進位數據輸出的任何集成電路總線上。通常，電路701用在微處理器或具有與存儲器或控制器晶片通信的數據總線的晶片設置元件上。本領域技術人員將認識到電路701還可以與其它元件面接，如動態隨機存取存儲器(DRAM)、2級(L2)高速緩衝存儲器、加速圖形埠(AGP)、控制器中心、外圍元件互連(PCI)、集成驅動電子學(IDE)、通用輸入/輸出(GPIO)。利用可度量的電荷泵I/O，即使所有的位一次轉換，總線的寬度(即，位的數量，由輸出焊盤的數量為代表的，每個焊盤為一位)也不影響性能。這是因為每個I/O單元(位片)應付其自己的噪聲補償。因此，很容易發現可度量性。當所有位轉換時在64位或128位數據總線上實施不會具有噪聲問題，因為噪聲補償是一位一位設置的。而且，噪聲補償是利用比採用無源去耦電容器少的面積實現的。
圖8表示包括晶片A 810、晶片B 820以及I/O總線830的基本系統800。
晶片A 810和晶片B 820可兩者都具有實施的電荷泵I/O 840或只有一個具有實施的電荷泵I/O 840。I/O總線830可以是單向或雙向的。晶片A 810和晶片B 820可以是電子元件，如表2中所示的例子。
表2本領域技術人員將注意到表2中所示的在晶片A 810和晶片B 820下面的元件可以倒置，並且表2中所列的元件不是窮舉的。表2中所列的所有元件將具有I/O雙向的，除了第一入口之外。在第一入口中，只有GMCH將具有電荷泵I/O，而不是系統存儲器。在這種情況下，該系統將受到一次轉換的所有線的較小影響。在其它入口中，電荷泵I/O將形成在晶片A 810和晶片B 820中的一個上或兩個上。
通過在每個輸出採用電荷泵電路的本發明實施例可以在每個輸出上消除瞬變電流di/dt。該電路可以計時進入電源的源電流或來自電源的吸收電流以抵消轉換輸出高或低所需要的電流。因此di/dt瞬變被消除，並且作為單元，該輸出的噪聲很小。由於電荷泵以本徵有效方式「運用」其電容器，因此為了減少噪聲目的需要較少的面積。
圖9表示在期望電壓瞬變基礎上的控制電荷泵狀態的實施例的流程圖。泵狀態是準備再充電910、放電920、再充電930或準備放電940。由於關於要被計時的數據是已知的，因此可以看到電壓瞬變可以利用電荷泵實施例的再充電或放電來計時。
上述實施例還可以儲存在裝置上或介質上並由機器讀出以執行指令。裝置或介質可包括固態存儲器件和/或旋轉磁碟或光碟。當指令的部分被分開進入不同機器時，如穿過計算機的互連，可以分配該裝置或介質。
前面已經介紹了某些示意實施例並示於附圖中，應該理解這種實施例只是示意性的，並不限制寬的本發明，並且本發明不限於這裡所示和所述的特殊結構和設置，因為對於本領域技術人員來說可以做出各種其它修改。
權利要求
1.一種設備，包括耦合到多個輸出焊盤之一的輸出緩衝器；耦合到多個輸出焊盤之一的電源；耦合到電源的第一對電容器；耦合到第一對電容器和電源的第二對電容器；耦合到第一對電容器的第一對信號源；和耦合到第二對電容器的第二對信號源，其中第一對信號源和第二對信號源控制第一對電容器和第二對電容器向電源和從電源的放電和再充電，以便消除由電壓和電流轉換瞬態之一產生的噪聲。
2.根據權利要求1的設備，其中在達到多個輸出焊盤之一之前，電壓轉換和電流轉換瞬態之一是已知的。
3.根據權利要求1的設備，其中第一對電容器和第二對電容器是正溝道金屬氧化物半導體(PMOS)和負溝道金屬氧化物半導體(NMOS)之一。
4.根據權利要求1的設備，其中第一對信號源和第二對信號源被計時以便與期望的高到低和低到高電壓轉變相一致。
5.根據權利要求1的設備，其中第一對信號源和第二對信號源被定時以便與電流轉變一致。
6.一種系統，包括具有耦合到多個輸出焊盤的第一緩衝器的第一晶片；具有耦合到多個輸入和輸出焊盤之一的第二緩衝器的第二晶片；耦合到第一晶片和第二晶片的總線；耦合到電源的第一對電容器；耦合到第一對電容器和電源的第二對電容器；耦合到第一對電容器的第一對信號源；和耦合到第二對電容器的第二對信號源，其中第一對信號源和第二對信號源控制第一對電容器和第二對電容器向電源和從電源的放電和再充電，以便消除由電壓和電流轉換瞬態之一產生的噪聲。
7.根據權利要求1的系統，其中第一緩衝器和第二緩衝器是輸入緩衝器和輸出緩衝器之一。
8.根據權利要求1的系統，還包括耦合到電源的第三對電容器；耦合到第三對電容器和電源的第四對電容器；耦合到第三對電容器的第三對信號源；和耦合到第四對電容器的第四對信號源，其中第三對信號源和第四對信號源控制第三對電容器和第四對電容器向電源和從電源的放電和再充電，以便消除由第二晶片中的電壓和電流轉換瞬態之一產生的噪聲。
9.根據權利要求6的系統，其中總線是雙向的或單向的。
10.根據權利要求6的系統，其中在達到第一晶片的第一輸出焊盤之前，電壓轉換和電流轉換瞬態之一是已知的。
11.根據權利要求8的系統，其中在達到第一晶片的第一輸出焊盤之前，電壓轉換和電流轉換瞬態之一是已知的。
12.根據權利要求6的系統，其中第一對電容器和第二對電容器是正溝道金屬氧化物半導體(PMOS)和負溝道金屬氧化物半導體(NMOS)之一。
13.根據權利要求8的系統，其中第三對電容器和第四對電容器是正溝道金屬氧化物半導體(PMOS)和負溝道金屬氧化物半導體(NMOS)之一。
14.根據權利要求6的系統，其中第一對信號源和第二對信號源被計時以便與期望的高到低和低到高電壓轉變相一致。
15.根據權利要求8的系統，其中第三對信號源和第四對信號源被定時以便與期望的高到低和低到高電壓轉變相一致。
16.根據權利要求6的系統，其中第一對信號源和第二對信號源被定時以便與電流轉變一致。
17.根據權利要求8的系統，其中第三對信號源和第四對信號源被定時以便與電流轉變一致。
18.一種方法，包括向輸出緩衝器發送數據；確定下一周期要被計時的數據；和控制電荷泵電路以便由高到低和低到高之一補償電壓轉變；其中在輸出上由電壓轉變產生的噪聲在發生之前被電荷泵電路消除。
19.根據權利要求18的方法，其中控制步驟還包括確定當前數據和將來數據是否處於低狀態；如果當前數據和將來數據處於低狀態，則準備電荷泵電路從電源再充電；確定從當前數據到將來數據的變化是否是高到低轉變；如果從當前數據向將來數據的變化是高到低轉變，則使電荷泵電路向電源放電；確定從當前數據向將來數據的變化是否是低到高轉變；如果從當前數據向將來數據的變化是低到高轉變，則由電源對電荷泵電路再充電，以便消除由瞬變產生的噪聲；確定當前數據和將來數據是否處於高狀態；和如果當前數據和將來數據處於高狀態，則準備電荷泵電路向電源放電。
20.根據權利要求19的方法，其中使電荷泵電路放電的步驟與關於在輸出焊盤發生的瞬變同步。
21.根據權利要求19的方法，其中使電荷泵電路再充電的步驟與關於在輸出焊盤發生的瞬變同步。
22.一種由機器可讀的程序存儲器件，包括使機器執行以下步驟的指令向輸出緩衝器發送數據；確定下一周期要被計時的數據；和控制電荷泵電路以便由高到低和低到高之一補償電壓轉變；其中在輸出上由電壓轉變產生的噪聲在發生之前被電荷泵電路消除。
23.根據權利要求22的程序存儲器件，其中使機器控制電荷泵電路以補償來自高到低和低到高之一的電壓轉變的指令還使機器確定當前數據和將來數據是否處於低狀態；如果當前數據和將來數據處於低狀態，則準備電荷泵電路從電源再充電；確定從當前數據到將來數據的變化是否是高到低轉變；如果從當前數據向將來數據的變化是高到低轉變，則使電荷泵電路向電源放電；確定從當前數據向將來數據的變化是否是低到高轉變；如果從當前數據向將來數據的變化是低到高轉變，則由電源對電荷泵電路再充電，以便消除由瞬變產生的噪聲；確定當前數據和將來數據是否處於高狀態；和如果當前數據和將來數據處於高狀態，則準備電荷泵向電源放電。
24.根據權利要求23的程序存儲器件，其中使機器對電荷泵電路放電的指令與關於在輸出焊盤發生的瞬變同步。
25.根據權利要求23的程序存儲器件，其中使機器對電荷泵電路再充電的指令與關於在輸出焊盤發生的瞬變同步。
全文摘要
提供一種具有連接到多個輸出焊盤之一的輸出緩衝器的電路。電源連接到多個輸出焊盤之一。第一對電容器連接到電源。第二對電容器連接到第一對電容器和電源。第一對信號源連接到第一對電容器。第二對信號源連接到第二對電容器。第一對信號源和第二對信號源控制第一對電容器和第二對電容器向電源的放電和由電源的充電，以便消除由電流和電壓轉換瞬態產生的噪聲。而且，提供一種方法，用於向輸出緩衝器發送數據的，確定下一周期要被計時的數據，和控制電荷泵電路以補償來自高到低和低到高之一的電壓瞬變。該方法還提供由在輸出上的電壓瞬變產生的噪聲在發生之前由電荷泵電路消除。
文檔編號H03K19/003GK1466817SQ01816506
公開日2004年1月7日 申請日期2001年9月26日 優先權日2000年9月28日
發明者T·馬洛尼, T 馬洛尼 申請人:英特爾公司