JP4820985B2 - 差動並走線路 - Google Patents

Description

本発明は、差動線路を組み合わせた並走線路に関し、特に、配線の配置を工夫することによりクロストーク耐性を高めた並走線路に関する。

近来、微細化による高集積化に伴って、大規模集積回路（ＬＳＩ）では１ｃｍ程度のチップサイズでＧＨｚ帯のデジタル信号処理を行うようになってきている。このようなＬＳＩ内で回路を高速に動作させたり長距離伝送させたりする場合、配線を抵抗と容量からなるＲＣ集中定数回路として回路設計を行うと、ｍｍオーダの長距離配線に関しては、配線を分割してリピータを挿入しなければならず、リピータによる消費電力の増加等が問題となっている。

このようにＬＳＩの高集積化に伴い信号波長とチップサイズが同程度になった場合、信号伝達は電磁波伝送として考える必要があり、配線を電気回路的には分布定数回路として扱う伝送線路として設計する必要がある。伝送線路は、信号の電磁波の特徴を考慮して回路設計を行うものであり、ＬＳＩに作成可能な伝送線路としては、例えば図１（ａ）に示すようなマイクロストリップ型伝送線路や図１（ｂ）に示すようなコプレーナ型不平衡伝送線路、図１（ｃ）に示すようなペアライン型不平衡伝送線路が挙げられる。これらの不平衡伝送線路を用いる場合、グラウンド線の寸法はミクロンオーダであり、抵抗が大きいことを考慮すると、電気的信頼性が保証できない。また、近傍の信号線路とのクロストークの問題もある。

このようなグラウンド線の電気的信頼性やクロストークの問題を解消するためには、ペア配線を用いる差動伝送線路を用いるのが有効である。図２に差動伝送線路の種々の構造の例を示す。図２（ａ）はスタックドペアライン型差動伝送線路、図２（ｂ）はコプレーナ型差動伝送線路、図２（ｃ）は対角線ペア型差動伝送線路の例である。差動伝送線路はそれぞれの線路に特性の反転した信号を伝送させ、受信側が差動増幅回路で受けるため、受信回路側で同相ノイズをキャンセルできるものである。

特開平０８−１２５４１２号公報 特開２００４−２０７９４９号公報 Ｈ． Ｉｔｏ， Ｋ． Ｏｋａｄａ， ａｎｄ Ｋ． Ｍａｓｕ， "Ｈｉｇｈ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｌｉｎｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｎ Ｓｉ ＵＬＳＩ"， ＩＥＩＣＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， Ｖｏｌ． Ｅ８７−Ｃ， Ｎｏ．６， ｐｐ． ９４２−９４８． Ｊｕｎｅ ２００４．

上述のような不平衡伝送線路は、配線の面積は小さくできるが、グラウンド線やクロストークの問題があった。また、差動伝送線路は、１つの信号を伝送するのに２本の信号線路が必要なため、不平衡伝送線路に比べて信号配線の面積を多く必要としていた。

本発明は、斯かる実情に鑑み、配線密度が高く、クロストーク耐性に優れた並走線路を提供しようとするものである。

上述した本発明の目的を達成するために、本発明による並走線路は、略並行な一対の配線からなる第１差動線路と、第１差動線路に略並行であって、略並行な一対の配線からなる第２差動線路と、を具備し、第１差動線路と第２差動線路は、第１差動線路の各線路間を結ぶ方向線と第２差動線路の各線路間を結ぶ方向線とが交差する位置関係で配置されるものである。

ここで、第１差動線路の各線路間を結ぶ方向線と第２差動線路の各線路間を結ぶ方向線の交差する角度は、各配線間に存在する絶縁体の誘電率又は透磁率に応じて、クロストークが小さくなるように調整されれば良い。

また、第１差動線路の各配線と第２差動線路の各配線との間の距離は、各配線間に存在する絶縁体の誘電率又は透磁率に応じて、クロストークが小さくなるようにそれぞれ調整されれば良い。
ことを特徴とする並走配線。

ここで、第１差動線路の各配線から第２差動線路の各配線までの距離がそれぞれ略等しい位置関係で配置されるものであっても良い。また、各配線までの距離がそれぞれ異なる位置関係で配置されるように調整されても良い。

また、第１差動線路の各配線と第２差動線路の各配線の幅及び／又は高さは、各配線間に存在する絶縁体の誘電率又は透磁率に応じて、クロストークが小さくなるようにそれぞれ調整されれば良い。

ここで、第１並走配線の各配線と第２並走配線の各配線は、その配線の幅と高さが略等しくなるように構成されれば良い。また、その配線の幅と高さは異なるように調整されても良い。

また、第１差動線路の１つの配線と第２差動線路の１つの配線とが水平方向に並んで配置されれば良い。

さらに、第１差動線路に略並行であって略並行な一対の配線からなる第３差動線路を具備し、第１差動線路と第２差動線路とからなる並走配線の組が複数略並行に配置され、該第３差動線路は並走配線の組間に配置されても良い。

ここで、第３差動線路の一対の配線は、略垂直方向に並んで配置されれば良い。

さらに、第３差動線路のコモンモード電圧を基準電圧線路又は信号線路の一方とし、第１差動線路及び／又は第２差動線路のコモンモード電圧を基準電圧線路又は信号線路の他方とする擬差動線路を有するように構成しても良い。

また、第３差動線路のコモンモード電圧を基準電圧線路として用い、第１差動線路のコモンモード電圧を信号線路とする第１擬差動線路と、第２差動線路のコモンモード電圧を信号線路とする第２擬差動線路とを有するように構成しても良い。

本発明の並走線路には、配線密度を高くすることが可能であり、さらに差動配線間のクロストークも低減できるという利点がある。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図示例と共に説明する。図３は、本発明の最も基本形となる第１実施例の並走線路を説明するための概略断面斜視図である。なお、本明細書中では、差動線路を用いた並走線路の内、基本的にＬＳＩ内に設けられるような差動伝送線路について説明するが、本発明はこれに限定されず、伝送線路以外の差動線路にも勿論適応可能なものである。また、ＬＳＩに設けられるもの以外に、多層プリント基板等の実装基板上に形成される並走線路であっても構わず、多層配線層や再配線層、多層プリント基板等のあらゆるところに形成可能なものである。さらに、本明細書中で用語「並行線路」とは、完全に並行な線路のものだけに限定するものではなく、略並行であり差動線路として機能するような並行線路であれば、一部に並行でない部分があるもの等であっても広く含まれるものである。

本発明の第１実施例の並走線路は、図３に示すように、並行な一対の配線１１，１２からなる第１差動線路１と、第１差動線路１に並行であって、並行な一対の配線２１，２２からなる第２差動線路２とからなるものである。各差動線路は、例えばダイアゴナルペアライン（Ｄｉａｇｏｎａｌ Ｐａｉｒ Ｌｉｎｅ）（非特許文献１参照）から構成されている。そして、本発明の並走線路の特徴とすべきところは、この第１差動線路１と第２差動線路２とが、交差する関係で配置されている点にある。すなわち、第１差動線路１の各線路１１，１２間を結ぶ方向線と第２差動線路２の各線路２１，２２間を結ぶ方向線が交差する位置関係で配置されている。

例えば、Ａｇｇｒｅｓｓｏｒ（配線の特性に影響を与える側）の配線を配線１１，１２とし、Ｖｉｃｔｉｍ（配線の特性に影響を受ける側）の配線を配線２１，２２とすると、配線１１，１２は差動伝送線路であるため、これに乗ったノイズはＶｉｃｔｉｍの配線２１，２２上ではそれぞれキャンセルされることになる。したがって、最も単純には、線路間隔を絶縁膜の厚さと等しくし、線路幅を金属膜の厚さと等しくすれば、Ｖｉｃｔｉｍから見たＡｇｇｒｅｓｓｏｒの各配線（図示例では配線２１から見た配線１１，１２、又は配線２２から見た配線１１，１２）は全く等しく見えるため、それを差動で用いることにより完全にクロストークノイズをゼロとすることが可能となる。すなわち、全く等しい配線を４本用いて２つのペアとして、各ペア間を結ぶ方向線が直交する位置関係で配置すれば良い。

なお、図示例では第１差動線路１の１つの配線１１と第２差動線路２の１つの配線２１とが、及び第１差動線路１の１つの配線１２と第２差動線路２の１つの配線２２とが、水平方向に並んで配置されている例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば配線１１，１２が垂直方向に配置され、それに交差するように配線２１，２２が水平方向に配置されるようなものであっても勿論構わない。

また、図示例では配線の幅と高さや各配線までの距離がそれぞれ等しい例を示したが、本発明はこれに限定されず、Ｖｉｃｔｉｍから見たＡｇｇｒｅｓｓｏｒの各配線が電気特性上等しく見えれば良い。したがって、例えば配線幅が配線高さよりも大きい場合（断面が長方形）であっても、配線間の距離を調整することや誘電率又は透磁率の異なる層を配線間に設けること等によりクロストークがゼロとなるように調整して配置することも可能である。すなわち、上下方向の間隔を広げ左右方向の間隔を狭める等して調整可能である。また、配線間の距離が等しい場合でも、上下の配線間の絶縁体の誘電率や透磁率が左右の配線間の絶縁体の誘電率や透磁率よりも高い場合等でも、配線間の距離の調整や配線幅・高さの調整によりクロストークをゼロにすることが可能となる。また、このような場合には、図示例のように各ペア間を結ぶ方向線が直交するような位置関係ではなく、その角度はクロストークがゼロになるように調整されれば、どんな角度で交差していても構わない良い。

さらに、図示例ではペア配線間を結ぶ線内で交差する位置関係のものを図示しているが、本発明はこれに限定されず、ペア配線間を結ぶ方向線が交差するような関係であれば良いため、ペア配線間の外側で交差する位置関係であっても構わない。これらは、クロストークがゼロとなるように、配線設計の容易性や配線スペース、絶縁膜の誘電率や透磁率等により、種々変形可能である。

このように構成された４本一組からなる並走配線を、複数水平方向又は垂直方向に配置する場合、各並走配線の組間におけるクロストークが問題となるため、それぞれの並走線路間はある程度の所定の幅だけ間隔を開けて配置する必要がある。しかしながら、間隔を開けて配置した場合には、その間のスペースが無駄となってしまう。これを解消したのが以下に説明する第２実施例である。

図４は、本発明による並走配線の第２実施例を説明するための概略断面斜視図である。図中、図３と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。図示のとおり、第１差動線路１と第２差動線路２からなる並走線路と、第１差動線路１’と第２差動線路２’からなる並走線路は、所定の間隔を開けて配置されている。そして、その間のスペースに、第３差動線路３が設けられている。これにより配置面積の少ない６本の線路で３種類の信号を送信することが可能となる。並走線路同士のクロストークは、ある程度の間隔を開けることで低減することができ、また、第３差動線路３を挿入することによる影響も受けないため、高クロストーク耐性の差動線路を実現可能となる。なお、図示例では第３差動線路３は垂直方向に並んで配置されたスタックドペアライン型の例を示したが、本発明はこれに限定されず、水平方向や斜め方向に並んで配置されたものであっても勿論構わない。

次に、図５を用いて本発明の第３実施例を説明する。第３実施例は、差動線路と擬差動線路を組み合わせたものである。図５は、本発明の第３実施例の並走線路を説明するための図であり、図５（ａ）はその概略断面斜視図、図５（ｂ）はその等価回路図である。図中、図４と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。図示のとおり、配線の配置としては図４に示す第２実施例の並走線路と同様であるが、本実施例では、第３差動線路３のコモンモード電圧を基準電圧線路とし、第１差動線路１と第２差動線路２のコモンモード電圧を信号線路とする擬差動線路としている。具体的には、図５（ｂ）に示すように、第３差動線路３のコモンモード電圧を基準グラウンド線路の所定の基準バイアス電圧（Ｓ１＋Ｓ１バー）としている。そして、この基準バイアス電圧を基準として、第１差動線路１と第２差動線路２のコモンモード電圧（Ｄ１＋Ｄ１バー＋Ｄ２＋Ｄ２バー）に信号を重畳して擬差動線路とするものである。これにより６本の線路で４種類の信号を送信することが可能となる。また、第３差動線路３を基準電圧線路として、さらに別の第１差動線路１’と第２差動線路２’のコモンモード電圧に信号を重畳することにより、１０本の線路で７種類の信号を送信することが可能となる。

なお、本実施例では第３差動線路３のコモンモード電圧を基準電圧線路として用いたが、本発明はこれに限定されず、第１差動線路１と第２差動線路２のコモンモード電圧を基準電圧線路とし、第３差動線路３のコモンモード電圧に信号を重畳して擬差動線路としても勿論構わない。また、第１差動線路１と第２差動線路２の両方のコモンモード電圧ではなく、片方のコモンモード電圧だけを用いても勿論構わない。

次に、図６を用いて本発明の第４実施例を説明する。図６は、本発明の第４実施例の並走線路を説明するための図であり、図６（ａ）はその概略断面斜視図、図６（ｂ）はその等価回路図である。図中、図５と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。図示のとおり、配線の配置としては図５に示す第３実施例の並走線路と同様であるが、本実施例では、第３差動線路３のコモンモード電圧を基準電圧線路とし、第１差動線路１のコモンモード電圧を信号線路とする第１擬差動線路とし第２差動線路２のコモンモード電圧を信号線路とする第２擬差動線路としている。具体的には、図６（ｂ）に示すように、第３差動線路３のコモンモード電圧を基準グラウンド線路の所定の基準バイアス電圧（Ｓ１＋Ｓ１バー）としている。そして、この基準バイアス電圧を基準として、第１差動線路１のコモンモード電圧（Ｄ１＋Ｄ１バー）に信号を重畳して第１擬差動線路としている。そしてさらに、第３差動線路３のコモンモード電圧を基準として、第２差動線路２のコモンモード電圧（Ｄ２＋Ｄ２バー）に信号を重畳して第２擬差動線路とするものである。これにより６本の線路で５種類の信号を送信することが可能となる。また、第３差動線路３を基準電圧線路として、さらに別の第１差動線路１’のコモンモード電圧と第２差動線路２’のコモンモード電圧にそれぞれ信号を重畳することにより、１０本の線路で９種類の信号を送信することが可能となる。

なお、本実施例では第３差動線路３のコモンモード電圧を基準電圧線路として用いたが、本発明はこれに限定されず、第１差動線路１又は第２差動線路２の一方のコモンモード電圧を基準電圧線路とし、他方の差動線路のコモンモード電圧及び第３差動線路３のコモンモード電圧に信号を重畳して擬差動線路としても勿論構わない。

また、本実施例の説明では、差動線路の一方のコモンモード電圧を基準電圧とし、他方のコモンモード電圧に信号を重畳して擬差動線路とすることを説明したが、この２つのコモンモード電圧を用いて差動線路とすることも可能である。すなわち、コモンモード電圧が時間変化する電圧とし、これと逆相の信号を信号電圧とする差動線路するものである。このように構成することで、第１差動線路１と第２差動線路２、さらにこれらのコモンモード電圧による差動線路の３つの線路が実現できる。

以上説明したように、本発明の並走線路によれば、配線密度（配線ピッチ／信号）が、従来のコプレーナ型差動伝送線路と比べると、第３実施例では例えば約３０％、第４実施例においては例えば約４３．５％もの低減が可能となる。

なお、本発明の並走線路は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

図１は、従来の不平衡伝送線路の例を説明するための図である。 図２は、従来の差動伝送線路の例を説明するための図である。 図３は、本発明の第１実施例を説明するための配線構造を示す概略断面斜視図である。 図４は、本発明の第２実施例を説明するための配線構造を示す概略断面斜視図である。 図５は、本発明の第３実施例を説明するための図であり、図５（ａ）は配線構造を示す概略断面斜視図、図５（ｂ）がその等価回路図である。 図６は、本発明の第４実施例を説明するための図であり、図６（ａ）は配線構造を示す概略断面斜視図、図６（ｂ）がその等価回路図である。

符号の説明

１ 第１差動線路
２ 第２差動線路
３ 第３差動線路

Claims (11)

1. 略並行な一対の配線からなる第１差動線路と、
   前記第１差動線路に略並行であって、略並行な一対の配線からなる第２差動線路と、
   前記第１差動線路に略並行であって略並行な一対の配線からなる第３差動線路と、
   前記第３差動線路のコモンモード電圧を基準電圧線路又は信号線路の一方とし、前記第１差動線路及び／又は第２差動線路のコモンモード電圧を基準電圧線路又は信号線路の他方とする擬差動線路と、
   を具備し、
   前記第１差動線路と第２差動線路は、前記第１差動線路の各線路間を結ぶ方向線と第２差動線路の各線路間を結ぶ方向線とが交差する位置関係で配置されることを特徴とする並走配線。
2. 請求項１に記載の並走配線において、前記第３差動線路のコモンモード電圧を基準電圧線路として用い、前記第１差動線路のコモンモード電圧を信号線路とする第１擬差動線路と、前記第２差動線路のコモンモード電圧を信号線路とする第２擬差動線路とを有することを特徴とする並走配線。
3. 請求項１又は請求項２に記載の並走配線において、前記第１差動線路の各線路間を結ぶ方向線と第２差動線路の各線路間を結ぶ方向線の交差する角度は、各配線間に存在する絶縁体の誘電率又は透磁率に応じて、クロストークが小さくなるように調整可能であることを特徴とする並走配線。
4. 請求項１乃至請求項３に記載の並走配線において、前記第１差動線路の各配線と第２差動線路の各配線との間の距離は、各配線間に存在する絶縁体の誘電率又は透磁率に応じて、クロストークが小さくなるようにそれぞれ調整可能であることを特徴とする並走配線。
5. 請求項４に記載の並走配線において、前記第１差動線路の各配線から第２差動線路の各配線までの距離がそれぞれ略等しい位置関係で配置されることを特徴とする並走配線。
6. 請求項４に記載の並走配線において、前記第１差動線路の各配線から第２差動線路の各配線までの距離がそれぞれ異なる位置関係で配置されることを特徴とする並走配線。
7. 請求項１乃至請求項６の何れかに記載の並走配線において、前記第１差動線路の各配線と第２差動線路の各配線の幅及び／又は高さは、各配線間に存在する絶縁体の誘電率又は透磁率に応じて、クロストークが小さくなるようにそれぞれ調整可能であることを特徴とする並走配線。
8. 請求項７に記載の並走配線において、前記第１並走配線の各配線と第２並走配線の各配線は、その配線の幅と高さが略等しいことを特徴とする並走配線。
9. 請求項７に記載の並走配線において、前記第１並走配線の各配線と第２並走配線の各配線は、その配線の幅と高さが異なることを特徴とする並走配線。
10. 請求項１乃至請求項９の何れかに記載の並走配線において、前記第１差動線路と第２差動線路とからなる並走配線の組が複数略並行に配置され、前記第３差動線路は前記並走配線の組間に配置されることを特徴とする並走配線。
11. 請求項１０に記載の並走配線において、前記第３差動線路の一対の配線は、略垂直方向に並んで配置されることを特徴とする並走配線。