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Die Erfindung betrifft eine Signalübertragungsanordnung für eine Übertragung von Takt- und/oder Datensignalen zwischen mehreren funktionell gleichrangigen Halbleiterchips über eine Vielzahl von Stromversorgungsverbindungen, die die Halbleiterchips untereinander verbindet, und ein Signalübertragungsverfahren zur Übertragung von Takt- und/oder Datensignalen zwischen mehreren funktionell gleichrangigen Halbleiterchips über eine Vielzahl von die Halbleiterchips mteinander verbindenden Stromversorgungsverbindungen. Eine derartige Signalübertragungsanordnung und ein solches Signalübertragungsverfahren sind jeweils aus
US 5 903 607 A bekannt.
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Bei dem andauernden Trend zur Minimierung integrierter Halbleiterschaltungen werden häufig mehrere Halbleiterchips gleicher oder unterschiedlicher Funktion in einem einzigen Gehäuse untergebracht und darin untereinander durch Verbindungsleitungen verbunden. Ein Beispiel derartiger in einem gemeinsamen Gehäuse durch Verbindungsleitungen miteinander verbundener Chips mit unterschiedlicher Funktion stellt ein in einem Logikchip eingebetteter Speicherchip dar, wobei der Logikchip z. B. als kundenspezifischer Schaltkreis (ASIC) ausgeführt sein kann. Zur Übertragung von Daten-, Adressen- und Steuersignalen müssen bei der herkömmlichen Technik eine größere Anzahl von Signalübertragungsleitungen oder -kanälen zwischen dem als Master dienenden Logikchip und dem hier als Slave bezeichneten Speicherchip geführt werden. Für jede dieser Signalleitungen ist auf beiden Chips ein Interface einschließlich eines Verbindungspads notwendig. Derartige Verbindungspads reduzieren die zur Verfügung stehende Chipfläche. Dies schlägt um so mehr zu Buche, je kleiner z. B. der als Slave fungierende Speicherchip ist. Aus diesem Grund ist eine starke Verringerung der Anzahl der physikalischen Verbindungen zwischen dem Masterchip und dem Slavechip erwünscht.
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Bislang hat man zur Verringerung der physikalischen Verbindungen statt einer parallelen Signalübertragung eine serielle Signalübertragung vorgeschlagen, die die für die Signalübertragungsinterface einschließlich der Verbindungspads nötige Chipfläche reduziert.
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Nicht entbehrliche und immer vorhandene Verbindungen stellen die Stromversorgungsverbindungen, z. B. -leitungen dar, die die in einem Gehäuse befindlichen Chips untereinander verbinden. Der Erfinder hat nun erkannt, dass sich die Anzahl der für die Signalübertragung nötigen physikalischen Verbindungsleitungen noch weiter verringern lässt, wenn die Stromversorgungsverbindungen gleichzeitig auch für die Signalübertragung ausgenutzt werden.
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Aus
US 5 903 607 A ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur bidirektionalen Übertragung von Daten zwischen einer Mastereinheit und einer Slaveeinheit bekannt, wobei für die Datenübertragung Spannungsversorgungsverbindungsleitungen verwendet werden, die die Mastereinheit mit der Slaveeinheit verbinden. Bei dieser bekannten Vorrichtung sind jedoch die Mastereinheit und die Slaveeinheit nicht in einem gemeinsamen Gehäuse miteinander verbunden, und die Mastereinheit ist z. B. ein Mikroprozessor, während die Slaveeinheit beispielsweise in einem Kennungsstreifen z. B. an einer Tonerkassette eines Druckers vorhanden ist.
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DE 103 15 303 A1 beschreibt eine Anordnung eines ersten und zweiten Halbleiterbauelements in einem gemeinsamen Gehäuse. Das erste Halbleiterbauelement ist während einer Standby-Periode oder eines Refreshzyklus stromversorgungsmäßig der Master und versorgt das zweite Bauelement, das dann als Slave fungiert, während dieser Betriebsarten mit Strom über eine Stromversorgungsleitung. Das bedeutet, dass im besagten Standby-Betrieb bzw. im Refresh-Zyklus die beiden Halbleiterbauelemente nicht funktionell gleichrangig sind, sondern dann in einer Master-Slave-Beziehung stehen. Die beiden Halbleiterbauelemente sind gemäß dieser Druckschrift in einem gemeinsamen Gehäuse übereinander gestapelt. Die Übertragung von Daten- oder Steuersignalen bzw. Taktsignalen über die Stromversorgungsleitung ist in dieser Druckschrift nicht erwähnt.
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US 5 473 635 A beschreibt ebenfalls eine Übertragung von Signalen über Stromversorgungsleitungen, die einem ersten als Master fungierenden Halbleiterchip und einem zweiten als Slave fungierenden Halbleiterchip gemeinsam sind. Allerdings sind gemäß dieser Druckschrift die beiden Chips nicht in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Signalübertragungsanordnung und ein Signalübertragungsverfahren für die Übertragung von Takt- und/oder Datensignalen zwischen mehreren in einem gemeinsamen Gehäuse miteinander verbundenen und funktionell gleichrangigen Halbleiterchips so anzugeben, dass sich die Anzahl der für die Signalübertragung benötigen physikalischen Übertragungsverbindungen und damit die für die Interfaceschaltungen und die Verbindungspads nötige Chipfläche drastisch reduzieren lässt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Signalübertragungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 bzw. durch ein Signalübertragungsverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 6 gelöst.
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In einer bevorzugten Anordnung sind die Halbleiterchips in einem gemeinsamen Gehäuse miteinander verbunden.
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Abhängig jeweils von den Spezifikationen der Stromversorgungsverbindung, den Strom-, Spannungs- und Impedanzwerten derselben, der Rate der übertragenen Signale und weiteren Kennwerten der miteinander verbundenen Halbleiterchips können die Sende- oder Empfangsschnittstellen gemäß einem Ausführungsbeispiel für eine differentielle Signalübertragung z. B. über zwei potenzialmäßig getrennte Stromversorgungsverbindungen eingerichtet sein.
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Die Sende- oder Empfangsschnittstellen können zum einen für eine unidirektionale Signalübertragung aber auch für eine bidirektionale Signalübertragung über die wenigstens eine Stromversorgungsverbindung eingerichtet sein.
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Die Sende- oder Empfangsschnittstellen können wenigstens eine Sendeschaltung aufweisen, die den zu übertragenden Signalen entsprechende kleine Spannungsschwankungen auf der Stromversorgungsleitung auslöst.
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Für den Empfang der Signale können die Sende- oder Empfangsschnittstellen wenigstens eine Empfängerschaltung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, kleine Spannungsschwankungen auf der wenigstens einen Stromversorgungsleitung als die übertragenen Signale zu diskriminieren.
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Die obigen und weitere Aspekte einer erfindungsgemäßen Signalübertragungsanordnung und eines erfindungsgemäßen Signalübertragungsverfahrens werden anhand von Ausführungsbeispielen bezogen auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert, deren Figuren im Einzelnen zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Signalübertragungsanordnung, bei der mehrere zwischen mehreren funktionell gleichrangigen Halbleiterchips geführte Stromversorgungsleitungen zur Signalübertragung genutzt werden;
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2A ein erstes Ausführungsbeispiel von Sende- oder Empfangsschnittstellen für eine bidirektionale Übertragung von Signalen über eine Stromversorgungsleitung zwischen wenigstens zwei Halbleiterchips;
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2B ein zweites Ausführungsbeispiel von Sende- oder Empfangsschnittstellen für eine bidirektionale Übertragung von Signalen über eine Stromversorgungsleitung zwischen wenigstens zwei Halbleiterchips, und
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2C ein drittes Ausführungsbeispiel von Sende- oder Empfangsschnittstellen für eine unidirektionale Übertragung von Signalen über eine Stromversorgungsleitung zwischen wenigstens zwei Halbleiterchips.
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1 zeigt schematisch und perspektivisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Signalübertragungsanordnung, wobei drei einzelne in einem (nicht gezeigten) gemeinsamen Gehäuse miteinander verbundene und funktionell gleichrangige Halbleiterchips I, II und III durch eine Vielzahl von für eine parallele Signalübertragung verwendete Stromversorgungsleitungen Va1, Va2, ..., Van und Vb1, Vb2 und Vbk untereinander verbunden sind.
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Es ist zu bemerken, dass die Stromversorgungsverbindungen, die für die Signalübertragung genutzt werden in dem Ausführungsbeispiel als Verbindungsleitungen, insbesondere als Metalldrahtverbindung beschrieben und in den Zeichnungsfiguren dargestellt sind. Dies ist aber nicht einschränkend zu verstehen. Im Sinne der Erfindung sind auch andere leitende Verbindungen, z. B. aus leitendem Klebstoff verwendbar.
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Eine derartige Signalübertragungsanordnung, wie in 1, eignet sich hervorragend für eine parallele Signalübertragung über die gleichzeitig verwendeten Stromversorgungsleitungen Va1, Va2, ..., Van und Vb1, Vb2, ..., Vbk. Eine derartige parallele Signalübertragung kann unidirektional oder bidirektional ausgeführt werden.
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Damit kann die Anzahl der zwischen den Halbleiterchips für die Signalübertragung notwendigen physikalischen Übertragungsleitungen drastisch reduziert werden. Mit einer solchen Signalübertragungsanordnung lässt sich z. B. eine unidirektionale oder auch bidirektionale Signalübertragung zwischen den Sende- oder Empfangsschnittstellen über die potenzialmäßig voneinander getrennten Stromversorgungsleitungen ausführen. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung kann auch eine differentielle Signalübertragung ausgeführt werden, oder es kann auch jede der für die Signalübertragung vorgesehenen Stromversorgungsleitungen V1, V2 einem eigenen Kanal für eine serielle Signalübertragung zugeordnet sein.
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Wie erwähnt, müssen für die spezifische Gestaltung der Sende- oder Empfangsschnittstellen an den chipseitigen Enden jeder für die Signalübertragung verwendeten Stromversorgungsleitungen der jeweilige Einsatzfall, das heißt der jeweilige Logiktyp der Halbleiterchips, die Strom-Spannungs- und Impedanzkennwerte der jeweiligen Stromversorgungsleitung und selbstverständlich deren Polarität, die Rate der übertragenen Signale und die Signalrichtung berücksichtigt werden, wie unidirektionale oder bidirektionale Signalübertragung.
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Es ist ferner für die Wahl der Sende- oder Empfangsschnittstellen wesentlich, ob eine differentielle, pseudodifferentielle oder nicht differentielle Signalübertragung ausgeführt wird.
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Demgemäß ist für die Realisierung von für die vorliegende Signalübertragungsanordnung geeigneten Sende- oder Empfangsschnittstellen unter Berücksichtigung der oben erwähnten Kriterien eine breite Palette von Lösungen möglich.
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Nachstehend werden drei unterschiedliche Schaltungsvarianten für Sende- oder Empfangsschnittstellen für eine Signalübertragungsanordnung über eine Stromversorgungsleitung zwischen beispielhaft zwei Halbleiterchips I und II anhand der 2A, 2B und 2C beschrieben, wobei die Signalübertragungsanordnungen und die Sende- oder Empfangsschnittstellen der 2A und 2B für eine bidirektionale Signalübertragung und die der 2C für eine unidirektionale Signalübertragung konzipiert sind.
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Gemäß 2A werden die zu übertragenden Signale D (Daten) durch eine erste Sende- oder Empfangsschnittstelle SI auf der Seite eines ersten Halbleiterchips I auf eine Stromversorgungsleitung V1 induktiv (beispielhaft mit Hilfe eines Signaltransformators) eingekoppelt oder von der Stromversorgungsleitung ausgekoppelt. Eine zweite Sende- oder Empfangsschnittstelle SII befindet sich am anderen chipseitigen Ende der Stromversorgungsleitung V1, dort wo diese mit einem zweiten Halbleiterchip II gekoppelt ist. Die zweite Sende- oder Empfangsschnittstelle SII ist prinzipiell identisch mit der ersten Sende- oder Empfangsschnittstelle SI und koppelt auch hier die zu übertragenden Signale auf die/von der Stromversorgungsleitung V1 induktiv ein bzw. aus. Die jeweiligen Doppelpfeile D geben in 2A die erwähnte bidirektionale Signalübertragung an.
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Auch das in 2B gezeigte Ausführungsbeispiel ist für eine bidirektionale Signalübertragung von Signalen D über eine einen ersten Halbleiterchip I und einen zweiten Halbleiterchip II verbindende Stromversorgungsleitung V1 konzipiert. Dazu werden die zu übertragenden Signale D in einer ersten Sende- oder Empfangsschnittstelle SI auf Seiten des ersten Halbleiterchips I über ein Hochpassfilter HPF auf die Stromversorgungsleitung V1 eingekoppelt bzw. von dieser ausgekoppelt. Die Gestaltung des Hochpassfilters HPF muss die Frequenzcharakteristika der übertragenen Signale D berücksichtigen. Gestrichelt ist in der Stromversorgungsleitung V1 ein optionales Tiefpassfilter eingezeichnet, das Gleichströme durchlässt und Wechselströme in einem mit dem Frequenzband der übertragenen Signale D übereinstimmenden Frequenzband sperrt. Auch hier ist die auf Seiten des zweiten Halbleiterchips II vorgesehene Sende- oder Empfangsschnittstelle SII prinzipiell identisch mit der ersten Sende- oder Empfangsschnittstelle SI, weshalb auch die in 2B dargestellte Signalübertragungsanordnung symmetrisch und für eine bidirektionale Übertragung der Signale D über die Stromversorgungsleitung V1 eingerichtet ist (siehe die Doppelpfeile D).
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Dagegen ist das in 2C dargestellte dritte Ausführungsbeispiel unsymmetrisch hinsichtlich der Gestaltung der Sende- oder Empfangsschnittstelle SI und SII jeweils auf Seiten des ersten Halbleiterchips I und des zweiten Halbleiterchips II. Die erste Sende- oder Empfangsschnittstelle SI weist eine steuerbare Impedanzeinrichtung auf, so dass jeweils eine einem Datum der zu übertragenden Signale D zugeordnete Impedanz R1, R2 und RN an die Stromversorgungsleitung V1 angelegt wird. Dagegen weist die zweite Sende- oder Empfangsschnittstelle SII auf der Seite des zweiten Halbleiterchips II eine Vergleicheranordnung aus mehreren Vergleichern VGL1, ..., VGLN auf, die jeweils eine kleine Spannungsänderung auf der Stromversorgungsleitung V1 durch einen Vergleich mit einer jeweils gewählten Referenzspannung Vref1, ..., VrefN erfassen.
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Selbstverständlich können die Signalübertragungen der erfindungsgemäßen Signalübertragungsanordnungen asynchron oder synchron durchgeführt werden. Für eine synchrone Signalübertragung muss gegebenenfalls noch ein Taktsignal zwischen den durch die Stromversorgungsleitung verbundenen Halbleiterchips übertragen werden oder es muss das Taktsignal aus den übertragenen Signalen regeneriert werden.
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Die zuvor beschriebene und anhand der Figuren erläuterte Signalübertragungsanordnung und das Signalübertragungsverfahren gemäß der Erfindung nutzen die Stromversorgungsverbindungen zwischen mehreren insbesondere in einem Gehäuse miteinander verbundenen Halbleiterchips für die Signalübertragung zwischen den Chips und reduzieren dadurch die Anzahl der physikalischen Verbindungen zwischen den Halbleiterchips und die für diese Verbindungen und die zugehörigen Interfaceschaltungen notwendige Chipfläche. Die Erfindung ist auch bei Anordnungen anwendbar, bei denen die Chips nicht gemeinsam gehäust sind, sondern separate Gehäuse haben, aber dicht nebeneinander liegen.