2004 年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会 C-12-1 オフチップスタブを用いた LSI における電源ノイズ低減 Power Supply Noise Reduction on LSIs using Off-chip Stubs 大池 祐輔 Yusuke Oike 浅田 邦博 Kunihiro Asada 東京大学大規模集積システム設計教育研究センター VLSI Design and Education Center, University of Tokyo (VDEC) GHz stub for 1.80 vddn 1 はじめに LSI の高速化・集積化によって電源ノイズが大きくな るとともに、低電圧化によってノイズマージンの低下を 招き、電源ノイズが LSI 回路の誤動作の原因となって信 頼性を低下させている。特にトランジスタのスイッチン グとパッケージなどの寄生インダクタンスが原因となる di/dt ノイズが深刻な問題となってくる。 λ/4 長のスタブは理想的には入力インピーダンスがゼ ロとなり、スタブを LSI の電源線に接続することでその 周波数成分の電源ノイズを抑えることが可能であり、デ カップリング容量よりも有効になり得ることをこれまで 理論的に示した [1][2]。本発表では、スタブの効果を実 験的に検証したので [3]、報告する。 vctrl sel vddio vddn stu b fo r1 .15 GH z vdd prbs clk/32 図 1. 測定系とスタブ. power splitter 3 測定結果 内部回路のスイッチングによって起こる di/dt とワイ ヤの寄生インダクタンス Lwire によって、vddn には電源 ノイズが発生する。この電源ノイズの大きさを、スタブ を接続する場合としない場合で比較した結果を図 3 に示 す。(a) は電源ノイズの動作周波数成分を示し、(b) は動 作周波数以外の成分を含めたノイズの大きさを示す。 4 まとめ λ/4 スタブがバンドパスフィルタとして働き、電源ノ イズ低減が可能であることを実験的に示した。 参考文献 [1] T. Nakura et al., “Preliminary Experiments for Power Supply Noise Reduction using Stubs,” IEEE Asia-Pasific Conference on ASIC (APASIC), to be published, Aug. 2004. [2] 名倉 徹, 他, “スタブを用いた電源安定化手法,” 電子情報通信学会 デザインガイア, p.217-222, 2003 年 11 月 lead Lwire Z0=50Ω vddn Z0=50Ω 50[Ω] nothing 50[Ω] stubs spectrum analyzer for 1.15GHz, 6.52cm for 1.8GHz, 4.17cm lead sel vdd_internal prbs lead vdd_io lead vctrl Z0=50Ω Z0=50Ω clk/32 Z0=50Ω trig. 50[Ω] test chip oscillo scope 図 2. 測定系とスタブの等価回路. 0.3 (a) 0.2 stub freq. 2 測定系 測 定 系 の 写 真 を 図 1 に 示 す。内 部 回 路 は 7 段 の PRBS(Pseudo Random Bit Stream) 生成回路の各 DFF 出 力にインバータ列が連なっている構造となっている。内 部には VCO を内蔵し、動作周波数を容易に変化させる ことができる。DC 電圧供給では、Cu ボード上に “島” を 形成し、チップ容量で安定化している。高速信号はパッ ケージピンに直接 50Ω の伝送線路を当て、高速測定を 可能にしている。内部用電源として、vdd の安定な島を 用意し、ワイヤで繋がれた vddn の島とチップの電源ピ ンが接続されている。vddn の島には 6.52cm/4.17cm の 1.15GHz/1.80GHz 用のスタブが接続されており、また、 50Ω の伝送線路によって、電源変動が測定可能である。 等価回路を図 2 に示す。 vdd stub freq. 東京大学工学系研究科 Faculty of Engineering, University of Tokyo 池田 誠 Makoto Ikeda Standard Deviation of the Power Supply [V] Noise Amp. of the Operating Freq. Comp.(V) 名倉 徹 Toru Nakura w/o Stubs with Stubs 0.175 90% 0.110 0.1 84% 0.017 0.018 0.0 0.3 (b) w/o Stubs with Stubs 0.2 0.156 0.178 15% 48% 0.133 0.1 0.093 (i) 0.0 0.8 1.0 (ii) 1.2 (iii) 1.4 1.6 (iv) 1.8 (v) 2.0 2.2 2.4 Operating Frequency [GHz] 図 3. 電源ノイズの動作周波数依存性. (a) ノイズの動作 周波数成分. (b) トータルの電源ノイズの大きさ. [3] T. Nakura et al., “Theoretical Study of Stubs for Power Line Noise Reduction,” IEEE Custom Integrated Circuit Conf. (CICC), 31-4, pp.715-718, Sept. 2003. 71
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