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DER ERFINDUNG ZUGRUNDELIEGENDER
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf ein elektromagnetisches,
kontaktloses Verbindungsschema zum Vorsehen eines Übertragungsweges
zwischen elektronischen Komponenten, wie z.B. integrierten Schaltkreisen
und/oder elektrischen Systemen, und im Besonderen auf ein elektrisches
Verbindungsschema, bei dem durch kontaktlose Nah-Verbindungen die
elektronischen Elemente elektromagnetisch entweder direkt oder durch
eine Zwischeneinrichtung miteinander gekoppelt sind.
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Beschreibung des verwandten
Fachgebiets
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Integrierte
Schaltkreise und andere Elemente eines elektronischen Systems stehen
typischerweise durch eine verdrahtete Verbindungsstruktur miteinander
in Verbindung. Beispielsweise kann bei einem Datenverarbeitungs-
oder Computersystem eine parallel verdrahtete Schnittstelle, wie
z.B. ein Bus, einen Mikroprozessor mit anderen integrierten Schaltkreisen,
wie z.B. integrierten Speicherschaltkreisen, innerhalb des Systems
verbinden. Um miteinander in Verbindung zu stehen (miteinander zu
kommunizieren), müssen
alle integrierten Schaltkreise und anderen elektronischen Elemente
des Systems mit der verdrahteten Verbindungsstruktur physikalisch
verbunden sein, mit einem Gleichstrompfad (DC-Pfad). Mit anderen
Worten müssen
die integrierten Schaltkreise und anderen elektronischen Elemente
einen physikalischen Kontakt mit der verdrahteten Verbindungsstruktur
haben. Daraufhin können
die integrierten Schaltkreise und anderen Systemelemente über die
verdrahtete Verbindungsstruktur elektronische Signale zueinander
senden.
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Im
Allgemeinen sendet nur ein integrierter Schaltkreis oder ein Systemelement
Signale auf der verdrahteten Verbindungsstruktur zu irgendeiner
vorgegebenen Zeit, jedoch überwachen
typischerweise alle integrierten Schaltkreise und Systemelemente
jedes Signal, das sich auf der verdrahteten Verbindungsstruktur fortbewegt. Üblicherweise
ignoriert ein integrierter Schaltkreis oder ein Systemelement Daten,
die auf der verdrahteten Verbindungsstruktur übermittelt werden, es sei denn
die Daten sind an diesen integrierten Schaltkreis oder an dieses
Systemelement adressiert.
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Bei
einer typisch verdrahteten Verbindungsstruktur ist jede verdrahtete
Signalleitung gewöhnlich
durch eine separate Leiterbahn auf einer Leiterplatte oder ähnlichem
ausgeführt.
Treiber und Empfänger
innerhalb eines jeden integrierten Schaltkreises oder Systemelements übertragen
und empfangen Signale, die auf jeder Leitung der verdrahteten Verbindungsstruktur übermittelt
werden. Die Treiber und Empfänger
tun dies durch physikalisches Kontaktieren der Leitungen und erzeugen
dabei eine elektrische Verbindung mit den Leitungen. Derartige herkömmliche
Verfahren haben jedoch mehrere Nachteile: sie sind teuer, sie verbrauchen
Energie, sie können
Hochfrequenzsignale verzerren und dämpfen, und sie erfordern oft
große,
kapazitive Schutzvorrichtungen gegen elektrostatische Entladung
(ESD). Bei vielen Hochfrequenzanwendungen begrenzt oft die durch
die verdrahtete Verbindungsstruktur verursachte Signalverzerrung
die Geschwindigkeit oder Datenflussrate, bei der die integrierten
Schaltkreise und Systemelemente Daten miteinander austauschen können, stärker, als
die Geschwindigkeit der integrierten Schaltkreise oder Systemelemente
selbst.
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Die
US-A-5,638,402 offenbart
eine drahtlose Übertragung
zwischen einem oder einer Vielzahl von integrierten Schaltkreisen
und einer Busverbindungsleitung. Ausgenommen des einen integrierten
Schaltkreises, der direkt an die Busverbindungsleitung gekoppelt
ist, weisen alle integrierten Schaltkreise einen elektromagnetischen
Koppler auf, der drahtlos an die Busleitung ankoppelt. Eine Übertragung
kann nur stattfinden zwischen dem einen direkt an die Busleitung
gekoppelten, integrierten Schaltkreis und einem oder allen anderen, über die
elektromagnetischen Koppler gekoppelten, integrierten Schaltkreise.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein elektronisches System vorzusehen,
das die kontaktlose Datenübertragung
innerhalb des elektronischen Systems verbessert.
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Die
Erfindung ist in den Ansprüchen
1 bzw. 16 definiert.
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Spezielle
Ausführungsbeispiele
sind in den Unteransprüchen
dargelegt.
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Gemäß Anspruch
1 ist eine Vielzahl von elektronischen Komponenten, wie z.B. integrierte
Schaltkreise, elektromagnetisch an eine Übertragungsleitung gekoppelt.
Eine erste elektronische Komponente moduliert Daten, die zu einer
anderen elektronischen Komponente gesendet werden sollen. Das modulierte
Datensignal wird von der ersten elektronischen Komponente zur Übertragungsleitung
und dann von der Übertragungsleitung
zur anderen elektronischen Komponente durch eine elektromagnetische
Kopplung übertragen,
was den Bedarf für
einen physikalischen Kontakt zwischen jeder elektronischen Komponente
und der Übertragungsleitung überflüssig macht.
Abschirmmaterial ist vorgesehen, um zumindest teilweise die Übertragungsleitung
abzuschirmen. Gemäß Anspruch
16 sind elektronische Komponenten, wie z.B. integrierte Schaltkreise,
elektromagnetisch direkt miteinander gekoppelt, was den Bedarf für ein Zwischenmedium,
wie z.B. eine Übertragungsleitung,
erübrigt.
Abschirmmaterial ist zwischen der Schaltung eines Schaltkreises
und einem Koppler dieses Schaltkreises vorgesehen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG(EN)
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1 stellt
ein exemplarisches Ausführungsbeispiel
der Erfindung dar, bei dem integrierte Schaltkreise elektromagnetisch
an eine Übertragungsleitung
gekoppelt sind.
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2 ist
eine Draufsicht, die die integrierten Schaltkreise der 1 auf
einer Leiterplatte darstellt.
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3 ist
eine Teilquerschnittsansicht der integrierten Schaltkreise und Leiterplatte
von 2.
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4 stellt
ein Blockdiagramm eines exemplarischen Schaltkreises dar, der dem
integrierten Schaltkreis 14 von 1 entsprechen
kann.
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5 stellt
ein exemplarisches Ausführungsbeispiel
der Erfindung dar, bei dem acht integrierte Schaltkreise elektromagnetisch
an eine Übertragungsleitung
gekoppelt sind.
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6a und 6b stellen
einen exemplarischen Sendeschaltkreis und einen Empfangsschaltkreis dar,
die dem Sendeempfänger 16 in 4 entsprechen
können.
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7 stellt
exemplarische Kopplungskennwertdaten für ein exemplarisches Ausführungsbeispiel
der Erfindung dar.
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8 stellt
ein Blockdiagramm eines exemplarischen Schaltkreises dar, der einem
integrierten Schaltkreis entsprechen kann, der bei einer Vielzahl
von kontaktlosen Zwischenverbindungen der Erfindung verwendet werden
kann.
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9 stellt
ein exemplarisches Ausführungsbeispiel
der Erfindung dar, bei dem eine Vielzahl von integrierten Schaltkreisen
jeweils elektromagnetisch an eine Vielzahl von elektromagnetischen Übertragungsleitungen
gekoppelt ist.
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10 ist
eine Querschnittsansicht von 9.
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11 ist
eine Querschnittsseitenansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,
bei dem Tochterkarten elektromagnetisch an eine Hauptplatine gekoppelt
sind.
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12 ist
eine detaillierte Querschnittsansicht der Verbindungselemente von 11.
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13 stellt
einen exemplarischen, integrierten Schaltkreis dar, der bei dem
in 14 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung
verwendet werden kann.
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14 stellt
eine Querschnittsansicht eines exemplarischen Ausführungsbeispiels
der Erfindung dar, bei dem eine Vielzahl von integrierten Schaltkreisen
elektromagnetisch an eine Ringbusstruktur gekoppelt ist.
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15 stellt
eine Querschnittsansicht eines exemplarischen Ausführungsbeispiels
der Erfindung dar, bei dem eine Vielzahl von gestapelten, integrierten
Schaltkreisen elektromagnetisch gekoppelt ist.
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16 stellt
ein exemplarisches Ausführungsbeispiel
der Erfindung dar, bei dem zwei Seiten eines integrierten Schaltkreises
elektromagnetisch gekoppelt sind.
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Die 17a-17c stellen exemplarische Ausführungsbeispiele
der Erfindung dar, bei denen zwei oder mehrere integrierte Schaltkreise
direkt elektromagnetisch gekoppelt sind.
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18 stellt
ein exemplarisches Ausführungsbeispiel
eines integrierten Schaltkreises mit einem spiralförmigen,
elektromagnetischen Koppler dar.
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19 stellt
ein der 18 entsprechendes Ersatzschaltkreisschema
dar.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist gerichtet auf ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Bewirken von kontaktlosen Nah-Verbindungen zwischen Elementen
in einem elektronischen System. (Wie hier verwendet, bezieht sich "kontaktlos" auf einen Mangel
an einem direkten physikalischen oder mechanischen Kontakt, durch den
Elektronen strömen
können,
d.h. "kontaktlos" bedeutet, dass direkter
elektrischer Kontakt zwischen Leitern nicht erforderlich ist.) Nachfolgend
sind exemplarische Ausführungsbeispiele
der Erfindung beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht beschränkt auf
die nachfolgenden, exemplarischen Ausführungsbeispiele oder auf die
Art, wie die exemplarischen Ausführungsbeispiele
funktionieren oder hier beschrieben sind.
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Die 1 bis 4 stellen
ein exemplarisches Ausführungsbeispiel
der Erfindung dar. Wie in 1 gezeigt,
umfasst ein Elektroniksystem 10 eine Vielzahl von integrierten
Schaltkreisen 14(1)-14(x) und eine Übertragungsleitung 22.
Wie in 1 gezeigt, umfasst eine Übertragungsleitung typischerweise
eine Rückleitung 23.
Wie in den 2 und 3 dargestellt,
sind die integrierten Schaltkreise 14(1)-14(x) auf
einer Leiterplatte 21 angeordnet, und die Übertragungsleitung 22 ist
in die Leiterplatte eingebettet. Alternativ kann die Übertragungsleitung 22 auf
einer Oberfläche
der Leiterplatte 21 angeordnet sein. Wie in 1 dargestellt,
ist die Übertragungsleitung 22 vorzugsweise
mit ihrer charakteristischen Impedanz 27, 29 abgeschlossen,
um Reflexionen zu verringern oder zu beheben.
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Integrierte
Schaltkreise 14(1)-14(x) können jede Art von integriertem
Schaltkreis oder elektronischem Schaltkreis sein. Beispielsweise
können
einer oder mehrere der integrierten Schaltkreise 14(1)-14(x) ohne
Einschränkung
eine Speichereinrichtung, ein Mikroprozessor, ein Mikrokontroller,
eine digitale Logikeinrichtung, eine analoge Einrichtung, oder irgendeine
Kombination der Vorhergehenden sein. 4 stellt
ein Blockdiagramm eines exemplarischen, integrierten Schaltkreises 14 dar,
der bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Die Übertragungsleitung 22,
obwohl sie nicht Teil des integrierten Schaltkreises 14 ist,
ist aus Klarheits- und Diskussionsgründen auch in 4 gezeigt.
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Wie
in 4 gezeigt, kann der integrierte Schaltkreis 14 einen
Logikschaltkreis 12 umfassen, der die Funktion des integrierten
Schaltkreises implementiert. Der integrierte Schaltkreis 14 kann
auch eine Eingangs-/Ausgangsschnittstelle 15 umfassen,
um den Eingang und Ausgang der Signale von und zur Logikschaltung 12 zu
steuern. Derartige Signale können
jede Art von analogen oder digitalen Signalen sein. Bei einem Datenverarbeitungs-
oder Computersystem beispielsweise können die Signale ohne Einschränkung Datensignale,
Adresssignale, Steuersignale, Zeitsignale, Taktsignale und ähnliche
umfassen. Wie hier verwendet, sollen die Begriffe "Daten" und "Signale" alle derartigen
Signale umfassen.
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Jeder
integrierte Schaltkreis 14 kann auch einen Radiofrequenz(RF)-Sendeempfänger 16 und
einen kleinen elektromagnetischen Koppler 18 umfassen.
Vorzugsweise ist der elektromagnetische Koppler genügend klein,
damit er auf oder innerhalb des integrierten Schaltkreises unter
Verwendung von Standard-Halbleiter-Fertigungstechniken ausgebildet werden
kann. Alternativ könnte
der elektromagnetische Koppler 18 als Teil des Halbleiterpakets
hergestellt werden. Somit ist der elektromagnetische Koppler vorzugsweise
kleiner als ein typischer Halbleiterchip. In dem in den 1 bis 4 dargestellten
Ausführungsbeispiel
sieht die Eingangs-/Ausgangsschnittstelle 15 vorzugsweise
eine Serienschnittstelle für
den Sendeempfänger 16 vor,
und der Sendeempfänger 16 kodiert
die von der Eingangs-/Ausgangsschnittstelle 15 empfangenen
Daten unter Verwendung irgendeines geeigneten RF-Modulationsschemas.
Nicht ausschließliche
Beispiele von geeigneten RF-Modulationsschemen umfassen Amplitudenmodulation
(AM), Frequenzmodulation (FM), Phasencodemodulation (PCM), Phasenmodulation
(PM), oder irgendeine Kombination der Vorangegangenen. Es wird angenommen,
dass Modulationsschemen, die in der Modemtechnologie verwendet werden,
in der vorliegenden Erfindung besonders vorteilhaft sein können. Jedoch
sind die spezifische Ausgestaltung des Sendeempfängers und das spezifische Modulationsschema
nicht für
die Erfindung entscheidend, und irgendein geeigneter Sendeempfänger und
irgendein geeignetes Modulationsschema kann bei der vorliegenden
Erfindung verwendet werden.
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Der
Sendeempfänger 16 stellt
das modulierte Signal dem elektromagnetischen Koppler 18 zur
Verfügung.
Der elektromagnetische Koppler 18 ist vorzugsweise auf
dem integrierten Schaltkreis 14 oder als Teil dessen ausgebildet.
Wie in 4 gezeigt, ist ein Ende des elektromagnetischen
Kopplers 18 vorzugsweise geerdet, aber kann alternativ
mit der Impedanz 19 abgeschlossen sein, um die gewünschten
Richtungskopplungs-, Leistungs-, oder Verzerrungseigenschaften zu
erhalten. Ferner kann der elektromagnetische Koppler 18 abgeschlossen
sein oder mit einer Referenzspannung verbunden sein, ausgenommen
Masse oder ein offenes Ende.
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Der
elektromagnetische Koppler 18 ist nahe der Übertragungsleitung 22 angeordnet,
so dass er elektromagnetisch an die Übertragungsleitung 22 gekoppelt
ist. Vorzugsweise sind elektromagnetische Koppler 18 innerhalb
von ungefähr
10 Millimeter von der Übertragungsleitung 22 angeordnet.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Anordnung irgendeines elektromagnetischen
Kopplers 18 innerhalb von 10 Millimeter von der Übertragungsleitung 22 beschränkt. Die Übertragungsleitung 22 ist
typischerweise in die Leiterplatte 21 eingebettet oder
auf ihr angeordnet. Da der elektromagnetische Koppler 18 elektromagnetisch
an die Übertragungsleitung 22 gekoppelt
ist, induziert das dem elektromagnetischen Koppler 18 durch
den Sendeempfänger 16 bereitgestellte,
modulierte Signal ein ähnliches,
aber gedämpftes
Signal in der Übertragungsleitung.
Ein kontaktloser Übertragungsweg
oder -kanal ist somit zwischen dem integrierten Schaltkreis 14 und
der Übertragungsleitung 22 vorgesehen.
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Die Übertragungsleitung 22 kann
jede Art von Übertragungsleitung
sein, die ohne Einschränkung
eine Mikrostreifenleitung, eine Streifenleitung, ein verdrilltes
Paar, ein Koaxialkabel, eine geerdete Leitung, einen Wellenleiter,
oder irgendeine Kombination, Mischform oder Modifikation der Vorangegangenen
umfasst. Die spezifische Ausgestaltung oder Ausführung der Übertragungsleitung 22 ist
nicht entscheidend für
die Erfindung, und in der Tat kann jede Struktur, die elektromagnetisch
mit einem elektromagnetischen Koppler 18 gekoppelt sein
kann und ein empfangenes Signal leiten oder kanalisieren kann, als Übertragungsleitung 22 in
der vorliegenden Erfindung wirken.
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Ungeachtet
ihrer spezifischen Ausführung,
ist die Übertragungsleitung 22 vorzugsweise
innerhalb einer Leiterplatte 21 eingebettet. Die Übertragungsleitung
kann jedoch darauf ausgebildet oder ansonsten befestigt sein, um
einen Verbindungskanal zwischen den elektromagnetisch gekoppelten
Schaltkreisen vorzusehen. Wie oben erwähnt ist die Übertragungsleitung 22 vorzugsweise
an einem oder beiden Enden mit ihrer charakteristischen Impedanz 27, 29 abgeschlossen,
um Reflexionen zu verhindern oder zu minimieren.
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Die
Leiterplatte 21 ist vorzugsweise eine typische Leiterplatte,
wie sie üblicherweise
im Elektronikbereich verwendet wird. Die Ausgestaltung und Zusammensetzung
der Leiterplatte 21 ist jedoch nicht entscheidend für die Erfindung
und kann jedes Substrat sein, das elektronische Komponenten tragen
kann und auf dem oder innerhalb dem Übertragungsleitungen oder Leiter
befestigt oder ausgebildet sein können.
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Modulierte
Signale, die auf der Übertragungsleitung 22 durch
einen integrierten Schaltkreis 14(1) induziert werden,
können
durch einen anderen integrierten Schaltkreis 14(x) im System 10 erfasst
werden. Das heißt,
das modulierte Signal auf der Übertragungsleitung 22 induziert
ein ähnliches,
aber gedämpftes
Signal im elektromagnetischen Koppler 18(x) des oder der
anderen integrierten Schaltkreise(s) 14(x), deren elektromagnetische
Koppler 18(x) nahe der Übertragungsleitung 22 angeordnet
sind, um elektromagnetisch an die Übertragungsleitung gekoppelt
zu sein.
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Unter
der Annahme, dass der integrierte Schaltkreis so wie in 4 dargestellt
konfiguriert ist, wird ein moduliertes Signal, das durch einen elektromagnetischen
Koppler 18 erfasst wurde, durch einen Sendeempfänger 16 decodiert
(demoduliert). Die decodierten Daten werden dann dem Eingangs-/Ausgangsbus 15 zugeführt, der
die Daten dem Logikschaltkreis 12 zuführt.
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Man
beachte, dass eine Kopplung zwischen einem elektromagnetischen Koppler 18 und
einer Übertragungsleitung 22 wahlweise
durch Abschließen
des geerdeten Endes des elektromagnetischen Kopplers 18 mit
der charakteristischen Impedanz 19 des elektromagnetischen
Kopplers direktional gemacht werden kann, wie in 4 dargestellt.
Abhängig
davon, welches Ende des elektromagnetischen Kopplers 18 gegen
Masse abgeschlossen ist (mit der charakteristischen Impedanz 19 wie
in 4 gezeigt) und welches Ende mit dem Sendeempfänger 16 verbunden
ist, kann dann der elektromagnetische Koppler 18 ein RF-Signal
induzieren, das sich nur in eine Richtung entlang der Übertragungsleitung 22 bewegt,
und kann ein RF-Signal empfangen, das sich nur in die entgegengesetzte
Richtung entlang der Übertragungsleitung 22 bewegt.
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Eine
elektromagnetische Welle beispielsweise, die sich auf der Übertragungsleitung 22 bewegt,
so dass ihre Wellenfront erst das geerdete Ende des Kopplers 18 passiert
und danach das Ende des mit dem Sendeempfänger 16 verbundenen
Kopplers 18 passiert, wird ein Signal im Koppler 18 erzeugen,
das durch den Sendeempfänger 16 erfasst
wird. Andererseits wird eine elektromagnetische Welle, die sich
in die entgegengesetzte Richtung entlang der Übertragungsleitung 22 bewegt,
eine Welle im Koppler 18 erzeugen, die durch die Impedanz 19 abgeführt wird;
der Sendeempfänger 16 wird
eine derartige Welle nicht erfassen.
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Wenn
die Impedanz 19 nicht vorhanden ist (z.B. der Koppler 18 geerdet
oder unterbrochen ist) würde die
im Koppler 18 erzeugte Welle vom Ende des Kopplers 18 zurückreflektiert
in den Sendeempfänger 16.
Daher werden ohne die Impedanz 19 die Wellen, die sich
in irgendeine Richtung auf der Übertragungsleitung 22 bewegen,
durch den Sendeempfänger 16 erfasst.
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Ungeachtet
dessen, ob die Impedanz 19 vorhanden ist, werden sich durch
den Empfängerteil
des Sendeempfängers 16 erzeugte
elektromagnetische Wellen entlang des Kopplers 18 vom Sendeempfänger bis zum
geerdeten Ende des Kopplers ausbreiten. Die Welle, die sich entlang
des Kopplers 18 ausbreitet, wird eine in der Übertragungsleitung 22 in
der gleichen Richtung zu erzeugende Welle verursachen. Wenn die
Impedanz 19 nicht vorhanden ist, wird die Welle im Koppler 19 vom
geerdeten Ende des Kopplers 18 zurückreflektiert und sich zurück in Richtung
Sendeempfänger 16 ausbreiten.
Die reflektierte Welle wird in der Übertragungsleitung 22 eine
Welle in der gleichen Richtung wie die reflektierte Welle erzeugen.
Daher werden ohne die Impedanz 19 die Wellen in der Übertragungsleitung 22 in
beiden Richtungen erzeugt.
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Wenn
die Impedanz 19 jedoch vorhanden ist, wird die durch den
Koppler 18 erzeugte Anfangswelle nicht entlang des Kopplers 18 in
Richtung Sendeempfänger 16 zurückreflektiert.
Die ursprüngliche
Welle wird vielmehr durch die Impedanz 19 abgeführt. In
einem derartigen Fall wird eine Welle in der Übertragungsleitung 22 in
nur eine Richtung erzeugt. Wenn die Impedanz 19 vorhanden
ist, wird daher der Empfängerteil
des Sendeempfängers 16 Wellen
in der Übertragungsleitung 22 in
nur eine Richtung erzeugen.
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Eine
Richtungskopplung zwischen Koppler 18 und Übertragungsleitung 22,
wie oben beschrieben, kann vorteilhaft sein, wenn beispielsweise
der Logikschaltkreis 12 des integrierten Schaltkreises 14(1) ein
Mikroprozessor ist, und die Logikschaltkreise 12 des oder
der anderen integrierten Schaltkreise(s) 14(x) Speicher sind
oder andere Einrichtungen, die mit dem Mikroprozessor, aber nicht
miteinander, kommunizieren. Ein Beispiel eines derartigen Falles
ist nachstehend mit Bezug auf 5 beschrieben.
In einem derartigen Fall kann der elektromagnetische Koppler 18 des
integrierten Schaltkreises 14(1) so ausgerichtet sein,
dass er Signale auf der Übertragungsleitung 22 nach
rechts überträgt und Signale
empfängt,
die sich nach links auf der Übertragungsleitung 22 bewegen.
Die elektromagnetischen Koppler 18 des oder der integrierten
Schaltkreise(s) 14(x) wären
so ausgerichtet, dass sie Signale nach links übertragen und Signale empfangen,
die nach rechts übertragen
wurden. Eine derartige Richtungskopplung kann die Belastung begrenzen,
die durch den oder die integrierten Schaltkreis(e) 14(x) abgezogen
wird, wenn irgendeiner dieser integrierten Schaltkreise zum integrierten
Schaltkreis 14(1) überträgt. Natürlich kann
eine Kopplung zwischen einem elektromagnetischen Koppler 18 und
einer Übertragungsleitung 22 bidirektional
durchgeführt
werden, indem man den elektromagnetischen Koppler 18 einfach
offen oder geerdet lässt.
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Ein
einfacher exemplarischer Sendeempfängerschaltkreis ist in den 6a und 6b dargestellt. Die 6a stellt
einen exemplarischen Senderteil 300 des Schaltkreises dar,
und 6b stellt einen exemplarischen Empfängerteil 400 des
Schaltkreises dar. Zu übertragende
Daten werden am Anschluss 302 des XOR-Gatters 306 eingegeben.
Ein Rechteckträgersignal
wird am Anschluss 304 des XOR-Gatters 306 eingegeben.
Das Rechteckträgersignal
kann ein Systemtaktsignal sein. Der Ausgang 308 des XOR-Gatters 306 ist ein
bipolares Phasenumtast-(BPSK)-Modulationssignal, das sowohl die
Daten als auch den zu übertragenden Takt
enthält.
Der Widerstand 310 steuert die Strommenge, die durch die
Koppelschleife 312 fließt. Die Koppelschleife 312 strahlt
die dem modulierten Signal entsprechende, elektromagnetische Energie
ab, was, wie oben erörtert,
ein ähnliches,
aber gedämpftes,
moduliertes Signal bei jeder anderen Koppelschleife oder Übertragungsleitung
induziert, die elektromagnetisch an die Koppelschleife 312 gekoppelt
ist.
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Bei
dem in 6b dargestellten exemplarischen
Empfängerschaltkreis 400 wird
ein gedämpftes,
moduliertes Signal in der Koppelschleife 402 erzeugt durch Übertragen
des modulierten Signals durch irgendeine andere Koppelschleife oder Übertragungsleitung,
die elektromagnetisch an die Koppelschleife 402 gekoppelt ist.
Das modulierte Signal wird durch den Verstärker 404 verstärkt. Das
verstärkte,
modulierte Signal 406 wird durch den Bitsynchronisator 408 demoduliert.
Wenn der Bitsynchronisator 408 einen Schaltkreis mit phasensynchronisierter
Schleife erfordert, kann es praktikabel sein, den Schaltkreis mit
phasensynchronisierter Schleife zu verwenden, der typischerweise
in den meisten integrierten Schaltkreisen vorhanden ist. Der Bitsynchronisator 408 gibt
demodulierte Daten und Taktsignale vom modulierten Signal am Ausgang 410 aus. Wenn
ein Systemtaktsignal durch einen Sender verwendet wurde, um das übertragene
Signal zu modulieren, kann ferner die Bitsynchronisatortaktausgabe
auch als Systemtaktsignal am Ausgang 412 verwendet werden. Andere
Bitsynchronisator-Taktrückgewinnungsschemen
können
verwendet werden, die ohne Einschränkung Verzögerungsverriegelungsschleifen
und Früh-Spät-Diskriminatoren
umfassen.
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Es
wird betont, dass die oben beschriebene Ausgestaltung des Sendeempfängers nur
exemplarisch ist. Die spezifische Ausgestaltung des Sendeempfängers ist
nicht entscheidend für
die Erfindung, und irgendein geeigneter Sendeempfänger kann
bei der Erfindung verwendet werden.
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In Übereinstimmung
mit dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel
der Erfindung können
daher zwei oder mehrere integrierte Schaltkreise im System 10 miteinander
in Verbindung stehen, ohne einen direkten elektrischen Kontakt von
Leitern zu erfordern. Der gesamte oder ein Teil des Weges zwischen
einem elektromagnetischen Koppler 18 auf einem ersten integrierten
Schaltkreis 14(1) und dem elektromagnetischen Koppler 18 auf
einem anderen integrierten Schaltkreis 14(x) kann als kontaktloser Übertragungskanal
oder -weg bezeichnet werden.
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5 stellt
ein exemplarisches Elektroniksystem 11 dar, bei dem acht
integrierte Schaltkreise 14(1) bis 14(8) elektromagnetisch
an die Übertragungsleitung 22 gekoppelt
sind. Beispielsweise können
die acht integrierten Schaltkreise ein Mikroprozessor 14(1) und
sieben Speichereinrichtungen 14(2)-14(7) sein.
Die acht integrierten Schaltkreise 14(1) bis 14(8) sind
auf einer Leiterplatte befestigt (nicht in 5 gezeigt).
Jeder der elektromagnetischen Koppler 18(1) bis 18(8) ist
elektromagnetisch an die Übertragungsleitung 22 gekoppelt. Das
System 11 kann teilweise oder vollständig abgeschirmt sein. Exemplarische
Abschirmkonfigurationen sind nachstehend detaillierter beschrieben.
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Eine
exemplarische Art und Weise, wie das System 11 arbeiten
kann, ist wie folgt. Bei diesem Beispiel will der integrierte Schaltkreis 14(1),
ein Mikroprozessor, Daten in den integrierten Schaltkreis 14(4) schreiben, bei
diesem Beispiel eine Speichereinrichtung. Um dies zu tun, moduliert
der integrierte Schaltkreis 14(1) folgendes: die Daten,
die in den Speicher geschrieben werden sollen, einen Schreibbefehlscode,
und eine Adresse, die sowohl die Speichereinrichtung 14(4) als
auch den Ort innerhalb der Speichereinrichtung 14(4) identifiziert,
in den die Daten in ein Trägersignal
geschrieben werden sollen. Da der elektromagnetische Koppler 18(1) elektromagnetisch
an die Übertragungsleitung 22 gekoppelt
ist, erzeugt das modulierte Signal im elektromagnetischen Koppler 18(1) ein ähnliches,
aber gedämpftes
Signal auf der Übertragungsleitung,
was wiederum ein ähnliches,
aber weiter gedämpftes
Signal in jedem der elektromagnetischen Koppler 18(2) bis 18(8) erzeugt.
Auf diese Weise empfängt
jeder der anderen integrierten Schaltkreise 14(2) bis 14(8),
alle Speichereinrichtungen bei diesem Beispiel, die Daten, den Schreibbefehl
und die Adresse, die durch den Mikroprozessor 14(1) übertragen
werden. Da die Adresse die Speichereinrichtung 14(4) als
den beabsichtigten Empfänger der Übertragung
identifiziert, behält
nur die Speichereinrichtung 14(4) die Daten und verarbeitet
sie. Wenn die Systemausführung
Datenraten erfordert, die höher
sind als dies ein einzelner Kanal unterstützen kann, kann natürlich eine
Vielzahl von Übertragungsleitungen
und Kanälen
verwendet werden.
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Obwohl
es in der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich ist, können Abschirmmaterialen
im Elektroniksystem 10 angeordnet sein, um teilweise oder
vollständig
die in den 1 bis 3 gezeigten
und oben beschriebenen kontaktlosen Übertragungskanäle und -wege
abzuschirmen.
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Wie
in den 2 und 3 beschrieben, kann beispielsweise
eine Abschirmebene 38 die Schaltung auf dem integrierten
Schaltkreis 14 vom elektromagnetischen Koppler 18 abschirmen.
(2 ist eine Draufsicht einer Vielzahl von integrierten
Schaltkreisen 14(1) bis 14(x) von 1,
die auf einer Oberseite der Leiterplatte 21 befestigt sind,
und 3 ist ein Teilaufriss im Schnitt der Leiterplatte 21 und
der integrierten Schaltkreise 14(1) und 14(x) von 2.)
Wie in 3 gezeigt, sind die aktiven Schaltkreiselemente
des integrierten Schaltkreises (z.B. der Logikschaltkreis 12,
die Eingangs-/Ausgangsschnittstelle 15 und der Sendeempfänger 16 – dargestellt
in 4) auf einem Chip 32 hergestellt, der
ein Halbleitersubstrat und verschiedene darauf ausgebildete Metall-
und Isolierschichten umfasst.
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Eine
Abschirmebene 38 ist zwischen der Schaltung auf dem Chip
und dem elektromagnetischen Koppler 18 angeordnet. Die
Abschirmebene kann irgendeine Art von leitendem Material sein, das
zum Absorbieren oder Blocken von elektromagnetischen Signalen geeignet
ist. Isolierschichten 34 und 36 können auf dem
die Abschirmebene 38 umgebenden Chip 32 ausgebildet
sein. Beim exemplarischen Ausführungsbeispiel von 3 ist
eine Durchgangsverbindung 39 in der Abschirmebene 38 vorgesehen,
um die aktive Schaltung auf dem integrierten Schaltkreis 14 (z.B.
Sendeempfänger 16 von 4)
elektrisch mit dem elektromagnetischen Koppler 18 zu verbinden.
Obwohl es bei der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich ist,
kann die Abschirmebene 38 geerdet sein und kann für den elektromagnetischen
Koppler 16 oder den integrierten Schaltkreis 14 Masseverbindungen
bereitstellen. Alternativ kann die Abschirmebene 38 elektrisch
mit einer Spannungsversorgung verbunden sein und Strom oder eine
Referenzspannung für
den integrierten Schaltkreis 14 vorsehen.
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Eine
oder mehrere Abschirmebenen können
auch in oder auf der Leiterplatte 21 vorgesehen sein. Beispielsweise
kann eine Abschirmebene 46 zwischen der Übertragungsleitung 22 und
dem integrierten Schaltkreis 14 in die Leiterplatte 21 einbettet
sein oder auf ihr ausgebildet sein. Wie beim exemplarischen Ausführungsbeispiel
von 3 dargestellt, ermöglichen ein oder mehrere Lücken oder "Fenster" 50 in der
Abschirmebene 46 eine elektromagnetische Kopplung durch
die Lücke(n) 50 zwischen
dem elektromagnetischen Koppler 18 und der Übertragungsleitung 22.
Wiederum kann die Abschirmebene 46 geerdet, an eine Referenzspannung
oder an Strom angeschlossen sein, und kann dazu verwendet werden,
der Leiterplatte 21 oder dem integrierten Schaltkreis 14 Masseverbindungen,
eine Referenzspannung oder Strom zur Verfügung zu stellen. Die Abschirmebene 38 kann
auch als Deckel oder Abdeckung für
die Lücken 50 wirken,
was eine Beeinflussung der Schaltung auf dem Chip durch Strahlung
von entweder der Koppelschleife 18 oder der Übertragungsleitung 22 verhindert.
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Eine
weitere Abschirmebene 48 kann innerhalb oder auf der Leiterplatte 21 vorgesehen
sein, so dass die Übertragungsleitung 22 zwischen
der Abschirmebene 46 und der Abschirmebene 48 angeordnet
ist. Wiederum können
diese Abschirmebenen 46, 48 geerdet, an eine Referenzspannung,
oder an Strom angeschlossen sein und können verwendet werden, um Masseverbindungen,
die Referenzspannung oder Strom für die Leiterplatte 21 oder
den integrierten Schaltkreis 14 vorzusehen. Wie in 3 gezeigt,
können
Isolierschichten, wie z.B. die Schichten 40, 41, 42 und 43,
auch in oder auf der Leiterplatte 21 eingefügt sein.
-
Daher
schirmen die oben beschriebenen Abschirmebenen teilweise die Übertragungswege
von einem elektromagnetischen Koppler 18 auf einem integrierten
Schaltkreis 14 zum elektromagnetischen Koppler 18 auf
einem anderen integrierten Schaltkreis ab. Zusätzliche Abschirmebenen, Leiterbahnen
oder Leitungen können
um den Übertragungsweg
angeordnet sein, um den Übertragungsweg
vollständiger abzuschirmen. Beispielsweise
könnte
eine zusätzliche
Abschirmung um die Übertragungsleitung 22 vorgesehen
werden, um die Übertragungsleitung
vollständiger
abzuschirmen. Zusätzlich
kann das Abschirmmaterial um das Elektroniksystem 10 selbst
angeordnet sein, um das gesamte System vollständig oder teilweise zu "schließen".
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Die
Schaltung, die den Sendeempfänger
aufbaut, kann auf dem integrierten Schaltkreis unter Verwendung
von Standard-Halbleiterfertigungstechniken herstellt sein. Das heißt, dass
sie als ein weiterer Teil der Gesamtschaltung, die den integrierten
Schaltkreis aufbaut, einfach ausgestaltet und hergestellt werden
kann. Elektromagnetische Koppler und Abschirmebenen können unter
Verwendung von Standard-Halbleiterfertigungstechniken
ebenso auf oder innerhalb des integrierten Schaltkreises hergestellt
werden.
-
Viele
Multiplex-, Datenaustauschs-, und Übertragungsschemen und -protokolle
sind auf dem Gebiet der Elektronik bekannt, und irgendein solches
Schema oder solche Schemen oder eine Kombination dieser können beim
oben beschriebenen Ausführungsbeispiel
für das Übertragen
von Daten zwischen integrierten Schaltkreisen verwendet werden.
Beispielsweise umfassen bekannte Multiplexschemen ohne Einschränkung Zeitmultiplexen,
Frequenzmultiplexen und Codemultiplexen. Exemplarische bekannte
Protokolle umfassen ohne Einschränkung
Scalable Coherent Interface (SCI), Fire Wire, Ethernet und Universal
Serial Bus. Wiederum kann irgendein derartiges Multiplexschema oder
-protokoll oder eine Kombination dieser bei der vorliegenden Erfindung
verwendet werden.
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Wie
bekannt ist, kann der Dämpfungsgrad,
der auftritt zwischen einem Signal in einem elektromagnetischen
Koppler 18 und dem entsprechenden in der Übertragungsleitung 22 erzeugten
Signal (oder zwischen einem Signal in der Übertragungsleitung 22 und
dem entsprechenden im elektromagnetischen Koppler 18 erzeugten
Signal), leicht in irgendeiner Variation des Ausführungsbeispiels
der oben beschriebenen Erfindung integriert sein. Das Folgende ist
eine nicht ausschließliche
Liste von Parametern, die den Dämpfungsgrad
beeinflussen: die Nähe
des elektromagnetischen Kopplers 18 zur Übertragungsleitung 22;
die physikalische Ausrichtung des elektromagnetischen Kopplers 18 zur Übertragungsleitung 22;
die Länge
des elektromagnetischen Kopplers 18 bezüglich der Wellenlänge des
Trägersignals;
die Formen des elektromagnetischen Kopplers 18 und der Übertragungsleitung 22.
Unter Verwendung dieser und weiterer Parameter, die die dem Fachmann
bekannte Kopplung beeinflussen, kann die Dämpfung der Signale, die drahtlos
zwischen dem elektromagnetischen Koppler 18 und der Übertragungsleitung 22 durchlaufen,
vorselektiert werden und in das System 10 integriert werden.
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Es
sollte jedoch angemerkt werden, dass, wenn die elektromagnetischen
Koppler 18 mit einer großen Anzahl von integrierten
Schaltkreisen 14 stark an eine Übertragungsleitung 22 gekoppelt
sind (das heißt,
so gekoppelt sind, dass sie den Dämpfungsgrad wesentlich reduzieren),
jeder elektromagnetische Koppler eine beträchtliche Energiemenge aus dem
RF-Signal abzieht, während
es sich entlang der Übertragungsleitung 22 bewegt,
und das RF-Signal kann stark gedämpft
werden, bis es einen integrierten Schaltkreis am Ende der Übertragungsleitung 22 erreicht.
In einem derartigen Fall ist es vorzuziehen, die elektromagnetischen
Koppler 18 so auszugestalten, dass sie weniger stark an
die Übertragungsleitung 22 gekoppelt
sind, so dass sie nicht wesentlich mehr Energie abziehen, als nötig ist,
um ein eingehendes RF-Signal durch die Sendeempfänger 16 ordentlich
zu erfassen. Allgemein gesprochen ist daher eine lockere Kopplung
gegenüber
einer starken Kopplung bevorzugt, insbesondere bei Systemen, wo
viele Einrichtungen einen gemeinsamen Kanal teilen. Bei Systemen
jedoch, wo nur eine geringe Anzahl an Einrichtungen miteinander
gekoppelt ist, kann ein stärkeres
Koppeln erwünscht
sein, um die Dämpfung
zwischen den Einrichtungen zu reduzieren und um eine ungewünschte Abstrahlung
zu verringern. Beispielsweise kann eine stärkere Kopplung in Systemen
angemessen sein, die acht oder weniger elektromagnetisch an eine Übertragungsleitung
gekoppelte, elektronische Einrichtungen aufweisen.
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Die
nachstehende Tabelle I fasst in Anbetracht der nachfolgenden exemplarischen
Parameter drei Verbindungsbilanzanalysen zusammen, die für einen
breiten Bereich an Betriebsbedingungen für das oben in 3 dargestellte
Ausführungsbeispiel
anwendbar sind. Es wird eine Trägerfrequenz
im Bereich von 1-10 GHz angenommen, und elektromagnetische Koppler 18 sind
ungefähr
2-3 Millimeter lang und liegen ungefähr 50 Mikrometer über der
Abschirmebene 46. Die Isolierschichten 36 und 38 sind
zusammen ungefähr
25 Mikrometer dick. Die Übertragungsleitung 22 ist
ungefähr
150 Mikrometer breit und ungefähr
150 Mikrometer von den Abschirmebenen 46 und 48 beabstandet.
Es sollte betont werden, dass die obigen Abmessungen nur beispielhaft
sind und als Rahmenwerte für
die unten beschriebenen, exemplarischen Verbindungsbilanzanalysen angegeben
sind. Die Erfindung ist in keiner Weise auf die oben beschriebenen
Abmessungen oder die unten beschriebenen Betriebsbereiche beschränkt.
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Die
exemplarischen Fälle
#1 bis #3 der Tabelle 1 stellen abnehmende Systemkosten und -komplexität auf Kosten
einer abnehmenden Datenratenperformance dar.
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Die
Rauschleistung Ni in Milliwatt ist festgelegt durch die Formel: Ni = 1000 k Te B,wobei:
k = 1,38 × 10–23 Joules/Grad
(Boltzmann-Konstante)
Te
= (F – 1)To
To
= 370 K (100°C)
F
= Rauschzahl des Empfängers
B
= Frequenzbandbreite in Hz
-
Daher
kann die verfügbare
Signalbandbreite für
ein vorgegebenes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR)
in dBm berechnet werden aus: Ni (dBm) = 10 Log[1000
k Te B]Auflösung
nach B: B = [10^(Ni (dBm)/10)]/[1000 k Te]
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0,3
Bit/Hz ist die ungefähre
Bandbreite, die für
ein bipolares Phasenumtast-(BPSK)-Digitalmodulationsschema bei einer mäßigen Ausführung benötigt wird.
Komplexere Modulationsschemen und Schaltungen sind in der Lage,
höhere
Bit/Hz – Dichten
zu erzielen. Ebenso können
Streuspektrumtechniken geringe Bit/Hz – Dichten liefern, während sie
geringere Bit-Fehlerraten bei geringeren SNR-Verhältnissen
auf Kosten einer zusätzlicher.
Systemkomplexität
ergeben.
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Der
exemplarische Fall #1 stellt eine Verbindungsbilanz dar, bei dem
die Systemsenderspannung (z.B. Sendeempfänger 16 von 4)
2,4 Volt Peak-zu-Peak bei 50 Ohm (+11,6 dBm) beträgt, und
wobei ein elektromagnetischer Koppler 18 mit 18 dB Übertragungsverlust
verwendet wird, wobei der empfangende, elektromagnetische Koppler 18 einen
zusätzlichen
Verlust von 18 dB aufweist, und die Leiterplatte (PCB) und andere Systemverluste
insgesamt 6 dB betragen. In diesem Fall ist die gewünschte Verbindungsspanne
10 dB und das gewünschte
Signal-Rausch-Verhältnis
(SNR) beträgt
25 dB. Eine konservative Empfänger-Implementatierungs-Rauschzahl
von 8 dB wird angenommen. Somit beträgt die verfügbare Rauschspannbreite über 10 GHz, entsprechend
einer 3 Giga-Bit/zweiten (Gb/Sek.) Datenrate bei 0,3 Bit pro Hz
Bandbreite. In diesem Fall wäre die
Signalpegelleistung nicht unbedingt ein beschränkender Faktor der Implementierung.
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Der
exemplarische Fall #2 stellt eine Verbindungsbilanz dar, bei der
die Senderspannung um 6 dB auf 1,2 Volt Peak-zu-Peak bei 50 Ohm
(+5,5 dBm) vermindert ist, zusammen mit einem verlustreicheren 22
dB übertragenden,
elektromagnetischen Koppler 18, zusammen mit dem empfangenden,
elektromagnetischen Koppler 18, was einen zusätzlichen
Verlust von 22 dB darstellt. Die Verbindungsspanne von Fall #2 wurde
auf einen noch konservativeren Wert von 8 dB gesenkt. Die Rauschzahl
der Empfängerimplementierung
wurde auf 9 dB erhöht.
Dieses System würde
ein für
die Implementierung ökonomischeres
System darstellen als das in Fall #1 dargestellte System. Im Fall
#2 ist die verfügbare
Rauschbandbreite 1,6 GHz entsprechend einer 480 Mb/zweiten (Mb/Sek.)
Datenrate unter der Annahme von 0,3 Bit pro Hz Bandbreite.
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Der
exemplarische Fall #3 reduziert die Senderspannung weiter auf 0,63
Volt Peak-zu-Peak
(0 dBm) und vergrößert die
Systemimplementierungsverluste weiter und reduziert die Verbindungsspanne
des oben in den Fällen
#1 und #2 dargestellten Systems. Fall #3 stellt eine Implementierung
zu noch geringeren Kosten dar, die nichtsdestotrotz einen Datenkanal
von 81 Mb/Sek. trägt.
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Zusammen
stellen die exemplarischen Fälle
#1 bis #3 einen breiten Bereich von Betriebsbedingungen für verschiedene
Senderpegel, Empfängerimplementierungen
und Signalbandbreiten dar. Viele Betriebsbedingungen außerhalb
des Bereichs der Werte von Tabelle I könnten durch den Fachmann realisiert
werden. Tabelle I
| | Einheiten | Fall
#1 | Fall
#2 | Fall
#3 |
| Spannungsausgang
des Senders | Volt
p-p | 2,4 | 1,2 | 0,63 |
| RMS-Spannung
= Vp-p/2,88 | Volt
rms | 0,83 | 0,42 | 0,22 |
| Senderausgang (Milliwatt
in 50 Ohm) | dBm | 11,6 | 5,5 | 0,0 |
| Ausgehender Kopplungsverlust | dB | 18 | 22 | 26 |
| Eingehender Kopplungsverlust | dB | 18 | 22 | 26 |
| PCB-
und andere Systemverluste | dB | 6 | 6 | 6 |
| RF-Signalstärke am Empfänger | dBm | –30 | –44 | –58 |
| Gewünschte Verbindungsspanne | dB | 10 | 8 | 6 |
| Gewünschtes
SNR | dB | 25 | 20 | 15 |
| Rauschleistungsbilanz | dBm | –65 | –72 | –79 |
| Rauschzahl
des Empfängers | dB | 8 | 9 | 10 |
| Rauschzahl
des Empfängers
(F) | Verhältnis | 6 | 8 | 10 |
| Äquivalente Rauschtemperatur Te
= (F – 1) × 370 | Grad
K | 1965 | 2569 | 3330 |
| Verfügbare Signalbandbreite | Hz | 10,6E+9 | 1,6E+9 | 270,8E+6 |
| Bit-Rate
bei 0,3 Bit/Hz (BPSK) | Mb/Sek. | 3.168 | 481 | 81 |
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7 stellt
die elektromagnetische Kopplungsdämpfung in dB zwischen zwei
2,5 mm, 50 Ohm Mikrostreifenleiterbahnen über einer geerdeten Abschirmebene
dar. Eine Leiterbahn, die einen elektromagnetischen Koppler 18 des
oben beschriebenen Ausführungsbeispiels
darstellt, wird durch einen Signalgenerator (z.B. Sendeempfänger 16 der 4)
getrieben, der eine Ausgangsimpedanz von 50 Ohm aufweist und mit einem
Widerstand von 50 Ohm abgeschlossen ist. Die andere Leiterbahn,
die die Übertragungsleitung 22 beim oben
beschriebenen Ausführungsbeispiel
darstellt, ist an beiden Enden mit einer Impedanz von 50 Ohm abgeschlossen.
Der Abstand zwischen den beiden Mikrostreifen ist 0,05 mm (Kurve
A) oder 0,4 mm entfernt (Kurve B). Eine Mikrostreifenmodellierung
wurde für
konservativ und einfach zu modellierende Schätzungen der Kopplung verwendet;
aktuelle Koppelwerte, die mit den Querstrukturen dieser Erfindung
erreichbar sind, ergeben eine geringere Dämpfung und/oder kleinere Strukturen.
-
Ferner
muss betont werden, dass die obigen Größen nur exemplarisch sind und
als Rahmenwerte für die
in 7 vorliegenden Beispieldaten vorgegeben sind.
Die Erfindung ist in keiner Weise auf die oben beschriebenen Größen oder
die in 7 dargestellten Probedaten beschränkt.
-
Die 8 bis 10 stellen
ein alternatives Ausführungsbeispiel
eines integrierten Schaltkreises dar, der beim Elektroniksystem 10 verwendet
werden kann. Wie in 8 gezeigt und im Unterschied
zu dem in 4 dargestellten integrierten
Schaltkreis, der nur einen Sendeempfänger umfasst, umfasst der integrierte Schaltkreis 60 eine
Vielzahl von Sendeempfängern 62(1)-62(x),
wobei jeder von ihnen dem in 4 dargestellten
Sendeempfänger 16 ähnlich sein
kann. So wie der integrierte Schaltkreis 14 in 4,
kann auch der integrierte Schaltkreis 60 einen Logikschaltkreis 12 und
eine Eingangs-/Ausgangsschnittstelle 64 umfassen.
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Allgemein
gesprochen kann der integrierte Schaltkreis 60 beim Elektroniksystem 10 auf
jede Weise verwendet werden, wie der integrierte Schaltkreis 14 von 4 verwendet wird.
Der integrierte Schaltkreis 60 jedoch kann kontaktlos an
so viele Übertragungsleitungen
gekoppelt werden, wie er Sendeempfänger 62 aufweist.
-
9 stellt
eine exemplarische Konfiguration eines Elektroniksystems 59 dar,
bei dem jeder einer Vielzahl von integrierten Schaltkreisen 60(1)-60(x) jeweils
vier Sendeempfänger 62 aufweist.
Die Vielzahl von integrierten Schaltkreisen 60(1)-60(x) ist
auf einer Fläche 65 einer
Leiterplatte 66 befestigt. Vier Übertragungsleitungen 76 sind
innerhalb der Leiterplatte eingebettet (und in Form von gestrichelten
Umrissen in 5 dargestellt). Wie oben erläutert, können die Übertragungsleitungen 76 alternativ
auf der Leiterplatte 66 ausgebildet sein. Jeder der vier
elektromagnetischen Koppler 68 auf jedem der Vielzahl der
integrierten Schaltkreise 60(1)-60(x) ist an eine
der Übertragungsleitungen 76 gekoppelt.
Vorzugsweise ist jeder der elektromagnetischen Koppler 62(1)-62(x) innerhalb
ungefähr
5 Millimeter seiner entsprechenden Übertragungsleitung 76 angeordnet.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Anordnung eines elektromagnetischen
Kopplers 62 innerhalb von 5 Millimeter einer Übertragungsleitung 76 beschränkt. Auf
diese Weise bilden Übertragungsleitungen 76 eine
busartige Vier-Wege-Struktur aus, bei der die Vielzahl von integrierten
Schaltkreisen 60(1)-60(x) kontaktlos miteinander über die
busartigen Strukturen kommunizieren können.
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Wie
oben beschrieben, können
die kontaktlosen Übertragungswege
beim Elektroniksystem 10 von 9 wahlweise
vollständig
oder teilweise abgeschirmt sein. 10 stellt
ein exemplarisches Ausführungsbeispiel
mit teilweiser Abschirmung des in 9 dargestellten
Elektroniksystems 59 dar. Wie in 10 gezeigt,
schirmt eine Abschirmebene 69 die Schaltung auf dem Schaltkreis 60 von
den vier elektromagnetischen Kopplern 68 des integrierten
Schaltkreises 60 ab. Jeder der vier Sendeempfänger 62 im
integrierten Schaltkreis 60 ist durch die Durchgangsverbindungen 67,
die sich durch die separaten Lücken
in einer Abschirmebene 69 ausdehnen, elektrisch mit einem
elektromagnetischen Koppler 68 auf dem integrierten Schaltkreis 60 verbunden.
Zusätzliche
Abschirmung kann durch Abschirmebenen oder Leiterbahnen 80 vorgesehen
werden, die zwischen den Übertragungsleitungen 76 angeordnet
sind, und eine noch zusätzliche
Abschirmung kann durch die Abschirmebenen 74 und 78 vorgesehen
werden, zwischen denen die Übertragungsleitungen 76 angeordnet
sind, wie in 6 dargestellt. Wenn die
Abschirmebene 74 eingefügt
ist, sind Lücken 72 in
der Abschirmebene 74 zwischen jedem elektromagnetischen
Koppler 68 und jeder Übertragungsleitung 76 in
der Abschirmebene 74 eingefügt. Der integrierte Schaltkreis 60 kann
dann auf der Leiterplatte angeordnet werden, so dass dessen elektromagnetische
Koppler 68 durch die Lücken 72 elektromagnetisch
an die Übertragungsleitungen 76 gekoppelt
sind.
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Wie
bei dem in den 1 bis 4 oben dargestellten
Ausführungsbeispiel
können
ein oder mehrere Abschirmebenen geerdet werden und können dem
integrierten Schaltkreis 60 oder der Leiterplatte 66 Masseverbindungen
zuführen.
Auf ähnliche
Weise können
eine oder mehrere der Abschirmebenen mit einer Stromversorgung verbunden
sein und den integrierten Schaltkreisen 60 oder der Leiterplatte 66 Strom
oder eine Referenzspannung zuführen.
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Obwohl
die Ausführungsbeispiele
der oben beschriebenen Erfindung Daten kontaktlos zwischen den integrierten
Schaltkreisen übertragen,
ist die vorliegende Erfindung nicht auf kontaktlose Übertragung
der Signale zwischen den integrierten Schaltkreisen beschränkt. Die 11 stellt
ein exemplarisches Ausführungsbeispiel
eines Elektroniksystems 79 dar, bei dem Signale kontaktlos
zwischen anderen Elementen eines Elektroniksystems als integrierten
Schaltkreisen übertragen
werden, nämlich
einer Tochterplatine und einer Hauptplatine.
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Wie
in 11 gezeigt, ist eine Vielzahl von Tochterplatinen 86(1)-86(x) physikalisch
an einer Hauptplatine 82 befestigt. Herkömmliche
Randstecker 84 können
verwendet werden, um die Tochterplatinen 86(1)-86(x) an
der Hauptplatine 82 zu befestigen. Jede Tochterkarte 86 umfasst
eine Übertragungsleitung 90, die
innerhalb der Tochterkarte 86 eingebettet oder auf ihr
angeordnet ist. Die Hauptplatine 82 umfasst auch eine Übertragungsleitung 89,
die vorzugsweise in der Hauptplatine eingebettet ist, aber alternativ
auf der Hauptplatine angeordnet sein kann. Die Übertragungsleitungen 90 der
Tochterplatinen 86 sind elektrisch mit den elektromagnetischen
Kopplern 92 verbunden, die, wenn die Tochterplatinen 86 an
der Hauptplatine 82 befestigt sind, nahe der Übertragungsleitung 89 in
der Hauptplatine 82 angeordnet sind, so dass die elektromagnetischen
Koppler 92 der Tochterplatine 86 elektromagnetisch
an die Übertragungsleitung 89 der
Hauptplatine 82 gekoppelt sind. Vorzugsweise ist ein elektromagnetischer
Koppler 92 innerhalb von ungefähr 5 Millimeter seiner entsprechenden Übertragungsleitung 90 angeordnet.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Anordnung irgendeines elektromagnetischen
Kopplers 92 innerhalb von 5 Millimeter zu einer Übertragungsleitung 89 beschränkt. Auf
diese Weise können
Tochterplatinen 86 kontaktlos mit der Hauptplatine 86 kommunizieren.
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Die
in 11 dargestellten kontaktlosen Übertragungswege können wahlweise
teilweise oder vollständig
abgeschirmt sein. 12 zeigt eine Teilansicht im
Schnitt einer Tochterplatine 86 und Hauptplatine 82 und
stellt eine exemplarische Abschirmung dar, die verwendet werden
kann, um das in 11 dargestellte Ausführungsbeispiel
teilweise abzuschirmen. Wie in 12 gezeigt,
kann eine Abschirmebene oder eine Abschirm-Durchgangsverbindung 202 innerhalb
der Tochterplatine 86 angeordnet sein, um die Tochterplatine
gegen den elektromagnetischen Koppler 92 abzuschirmen.
Der Grad der Abschirmung hängt
natürlich
unter anderem vom Grad ab, zu dem der elektromagnetische Koppler 92 durch
Abschirmmaterial umgeben ist und dadurch elektromagnetisch von anderen
Elementen auf der Tochterplatine 86 isoliert ist. Wie bei
anderen hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen sind daher
Fachleute in der Lage, den Grad, zu dem die Tochterkarte 86 vom
elektromagnetischen Koppler 92 abgeschirmt ist, durch selektive
Anordnung der Abschirmebenen oder -materialien um den elektromagnetischen
Koppler 92 anzupassen. Bei dem in 12 dargestellten
Beispiel umfasst die Abschirmebene 202 eine Lücke 210,
durch die die Übertragungsleitung 90 elektrisch
mit dem elektromagnetischen Koppler 92 verbunden ist.
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Die Übertragungsleitung 89 in
der Hauptplatine 82 kann auch abgeschirmt sein. Wie in 12 gezeigt, kann
die Übertragungsleitung 89 zwischen
den Abschirmebenen 204 und 208 angeordnet sein.
Wie ebenso gezeigt, umfasst die Abschirmebene 204 eine
Lücke 206 nahe
dem elektromagnetischen Koppler 92 und ermöglicht dadurch
einen kontaktlosen Übertragungsweg
durch die Lücke
zwischen dem elektromagnetischen Koppler 92 und der Übertragungsleitung 89.
Die Übertragungsleitung 89 kann
durch Einfügen
zusätzlicher
Abschirmebenen, die die Übertragungsleitung
vollständiger
umschließen,
vollständiger
abgeschirmt werden. Beispielsweise können zusätzliche Abschirmebenen an der
Vorderseite der Übertragungsleitung 89 und
hinter der Übertragungsleitung
(aus der Perspektive von 12) eingefügt werden.
Wie oben erläutert,
können
die Abschirmebenen an Strom angeschlossen oder geerdet sein, um
der Hauptplatine 82 oder der Tochterplatine 86 Strom
oder Referenzsignale zuzuführen.
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Die
Tochterplatinen 86 können
integrierte Schaltkreise oder andere Systemelemente umfassen, die
in Übereinstimmung
mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung elektromagnetisch
an die Übertragungsleitung 90 gekoppelt
sind. Beispielsweise können
Tochterplatinen 86 Konfigurationen umfassen, wie oben hinsichtlich
der 1 bis 10 beschrieben. Alternativ können Tochterplatinen 86 integrierte
Schaltkreise oder andere Systemelemente umfassen, die konventionell über Kontaktverbindungen
an die Übertragungsleitung 90 gekoppelt
sind. Natürlich
können
Tochterplatinen 86 mehrere Leiterbahnen 90 umfassen,
und die Verbindungen zwischen jeder dieser Leiterbahnen und den
Systemelementen auf den Tochterkarten können eine Kombination von kontaktlosen
Verbindungen und herkömmlichen
Kontaktverbindungen umfassen.
-
Man
beachte, dass die vorliegende Erfindung es nicht erforderlich macht,
dass die Übertragungsleitungen
in irgendeiner speziellen Busstruktur angeordnet sind. Die 13 und 14 stellen
ein exemplarisches Ausführungsbeispiel
der Erfindung dar, das in Reihe geschaltete oder ringförmige Busanordnungen
verwendet.
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Wie
in 13 gezeigt, kann ein integrierter Schaltkreis 90 konfiguriert
sein mit einem Übertragungskoppler 102 und
einem separaten Empfangskoppler 98, die zum Übertragen über einen
elektromagnetisch gekoppelten Ring- oder Token-Ring-Bus angepasst
sind. Der integrierte Schaltkreis 90 kann auch einen Logikschaltkreis 92 umfassen,
der Daten über
eine Eingangs-/Ausgangsschnittstelle 94 überträgt. Ein
Empfänger 96 demoduliert
ein auf dem elektromagnetischen Koppler 98 ankommendes
RF-Signal, um ein Eingangssignal 95 zur Eingangs-/Ausgangsschnittstelle 94 zu erzeugen.
Typischerweise übermittelt
das Eingangssignal 95 Daten, die durch ein weiteres elektromagnetisch
an den Ringbus gekoppeltes Element übertragen werden. Wenn die
Daten an den integrierten Schaltkreis 90 adressiert sind,
gibt die Eingangs-/Ausgangsschnittstelle 94 die
Daten an den Logikschaltkreis 93 weiter. Ansonsten codiert
die Eingangs-/Ausgangsschnittstelle 94 die Daten in ein
Ausgangssignal 97 und gibt sie an den Sender 100 weiter.
Der Sender 100 führt
einem elektromagnetischen Koppler 102 ein RF-Signal zu,
das durch das Ausgangssignal 97 moduliert ist.
-
Die
Eingangs-/Ausgangsschnittstelle 94 codiert auch jegliche
vom Logikschaltkreis 93 kommenden Daten für das Übertragen
an ein anderes Element auf dem Ringbus. Die Eingangs-/Ausgangsschnittstelle 94 codiert
die Daten zusammen mit der Adresse des beabsichtigten Empfängers der
Daten und schickt ein codiertes Ausgangssignal 97 an den
Sender 100, der das codierte Signal auf den Ringbus überträgt.
-
14 ist
eine vereinfachte Querschnittsansicht einer Leiterplatte 104,
die mehrere integrierte Schaltkreise 90 hält, ähnlich wie
der integrierte Schaltkreis 90 von 13. Separate
kurze Leiterbahnen 106, die in die Leiterplatte 104 eingebettet
oder auf ihr angeordnet sind, koppeln elektromagnetisch Paare von
Kopplern 98 und 102 auf benachbarten integrierten
Schaltkreisen 90. Eine Abschirmung, so wie oben hinsichtlich
der anderen Ausführungsbeispiele
der Erfindung erörtert,
kann ebenso eingefügt
sein. Beispielsweise kann eine Abschirmebene 108 Leiterbahnen 106 voneinander
abschirmen. Obwohl nicht in 14 gezeigt,
kann die Leiterplatte 90 auch Abschirmebenen über und
unter den Leiterbahnen 108 umfassen, und, um eine Abschirmung vorzusehen,
kann der integrierte Schaltkreis 90 eine Abschirmebene über den
elektromagnetischen Kopplern 98 und 102 und unter
den auf dem Substrat des integrierten Schaltkreises 90 implementierten
Schaltkreisen umfassen.
-
Obwohl
die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele
der Erfindung eine Übertragungsleitung
als eine busähnliche
Zwischenstruktur bei Übertragungen
zwischen integrierten Schaltkreisen verwendet, ist die vorliegende
Erfindung nicht auf kontaktlose Übertragungen
beschränkt,
die eine Übertragungsleitung
oder irgendeine Art von Busanordnung einschließen.
-
Die 15 bis 16 stellen
ein exemplarisches Ausführungsbeispiel
der Erfindung dar, bei dem integrierte Schaltkreise kontaktlos direkt
miteinander kommunizieren. Wie in 15 (einer
Querschnitt-Seitenansicht) gezeigt, ist eine Vielzahl (in diesem
Beispiel drei) von integrierten Schaltkreisen 112(1)-112(3) vertikal gestapelt.
Beispielsweise könnte
der integrierte Schaltkreis 112(3) einen Computerprozessor
umfassen und die integrierten Schaltkreise 112(1) und 112(3) könnten Speicher
implementieren, auf die der Prozessor zugreift. Jeder integrierte
Schaltkreis 112(1)-112(3)
umfasst ein Substrat 116, in dem eine Schaltung ausgebildet ist.
Beispielsweise könnte
die Schaltung einen Logikschaltkreis umfassen, eine Eingangs-/Ausgangsschnittstelle,
und einen Sendeempfänger,
oder Sendeempfänger,
die in einer Anordnung konfiguriert sind, die der des integrierten
Schaltkreises 14 von 4, des integrierten
Schaltkreises 60 von 8 oder des
integrierten Schaltkreises 90 von 13 ähnelt. Der
Sendeempfänger
bei jedem integrierten Schaltkreis 112(1)-112(3) ist mit
einem entsprechenden elektromagnetischen Koppler 118(1)-118(3) verbunden,
der vorzugsweise auf oder innerhalb des Substrats 116 ausgebildet
ist. Die elektromagnetischen Koppler 118(1)-118(3) sind
nahe beieinander angeordnet, so dass sie elektromagnetisch miteinander
gekoppelt sind. Auf diese Weise stehen die integrierten Schaltkreise 112(1)-112(3) über das
Silizium kontaktlos miteinander in Verbindung, ohne Durchgangsverbindungen
oder leitende vertikale Elemente zum Verbinden der gestapelten Chips
zu benötigen.
-
Die
integrierten Schaltkreise 112(1)-112(3) können so
angeordnet sein, dass jeder elektromagnetische Koppler 118(1)-118(3) elektromagnetisch
an alle anderen elektromagnetischen Koppler gekoppelt ist. Alternativ
können
die Koppler 118(1)-118(3) abgestimmt
und "stark" gekoppelt sein,
so dass sie als Resonanztransformator wirken, um RF-Signale vertikal
in jede Richtung zwischen dem elektromagnetischen Koppler 118(1) und 118(3) ohne
Minimumdämpfung
durchzulassen. Bei derartigen Anordnungen würde eine Übertragung durch einen integrierten
Schaltkreis 118 durch alle anderen integrierten Schaltkreise
empfangen und decodiert werden. Jedoch würde nur der integrierte Schaltkreis,
an den der integrierte Schaltkreis adressiert war, die Daten bei
der Übertragung
behalten und verarbeiten.
-
Alternativ
könnte
jeder integrierte Schaltkreis 112 so angeordnet (und/oder
abgeschirmt) sein, dass sein elektromagnetischer Koppler 118 nur
an den elektromagnetischen Koppler des integrierten Schaltkreises direkt
darüber
und/oder darunter elektromagnetisch gekoppelt ist. Ein Übertragungsprotokoll
so wie das, das oben hinsichtlich der 13 und 14 beschrieben
wurde, könnte
verwendet werden. Auf den Empfang einer Übertragung von einem Nachbarn
beispielsweise, decodiert ein integrierter Schaltkreis 118 die
Zieladresse der Übertragung.
Wenn die Übertragung
an den integrierten Schaltkreis adressiert ist, decodiert der integrierte Schaltkreis
die Daten in der Übertragung
und verarbeitet sie. Wenn jedoch die Übertragung nicht an den integrierten
Schaltkreis adressiert ist, leitet der integrierte Schaltkreis die Übertragung
an seinen anderen Nachbarn weiter.
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Eine
optionale Abschirmung kann eingeschlossen sein. Beispielsweise können Abschirmebenen 126 in
den integrierten Schaltkreisen 118(1)-118(3) eingefügt sein,
um die Schaltung in jedem integrierten Schaltkreis von den elektromagnetischen
Kopplern 118(1)-118(3) abzuschirmen. Wenn derartige
Abschirmebenen 126 eingefügt sind, sollten Lücken 128 in
den Ebenen zwischen den elektromagnetischen Kopplem 118(1)-118(3) eingefügt sein.
Eine zusätzliche
Abschirmung kann in Übereinstimmung
mit den oben erörterten Abschirmprinzipien
eingefügt
werden, um eine vollständigere
Abschirmung vorzusehen.
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Wie
in 15 dargestellt, können die gestapelten, integrierten
Schaltkreise 112(1)-112(3) wahlweise auf
einer Leiterplatte 114 befestigt sein. Die gestapelten,
integrierten Schaltkreise 112(1)-112(3) können die Leiterplatte 114 durch
herkömmliche
elektrische Verbindungen des physikalischen Kontakttypus kontaktieren. Alternativ
können
die gestapelten, integrierten Schaltkreise 112(1)-112(3) kontaktlos
mit der Leiterplatte 114 in Verbindung stehen. Eine derartige
Anordnung ist in 15 dargestellt. Dort kommuniziert
der integrierte Schaltkreis 112(3) kontaktlos mit der Leiterplatte 114 und
die Leiterplatte umfasst eine optionale Abschirmung gemäß den oben
erörterten
Abschirmprinzipien. Wie ebenso in 15 dargestellt,
können
Strom- und Masseverbinder 115 eingefügt sein, um Strom-, Masse-
und Referenzspannungsverbindungen für die integrierten Schaltkreise 118(1)-118(3) vorzusehen.
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Wie
dargestellt, umfasst die Leiterplatte 114, die der Leiterplatte 21 von 3 ähnlich sein
kann, eine Leiterbahn 120, die zwischen zwei Abschirmebenen 122 und 124 angeordnet
ist. Die Leiterbahn 120 kann ein Radiofrequenzsignal an
andere elektronische Elemente auf der Leiterplatte 114 übermitteln.
Beispiele von anderen Schaltkreiselementen umfassen ohne Einschränkung weitere
integrierte Schaltkreise oder weitere Stapel von integrierten Schaltkreisen.
Der elektromagnetische Koppler 118(3) des integrierten
Schaltkreises 112(3) befindet sich nahe einer Lücke 121 in
der optionalen Abschirmebene 122, so dass der Koppler 118(3) elektromagnetisch
an die Leiterbahn 120 gekoppelt ist. Gemäß den oben
erörterten
Abschirmprinzipien können
zusätzliche
Abschirmebenen oder -materialien eingefügt sein, um die Leiterbahn 120 und
den kontaktlosen Übertragungsweg
zwischen elektromagnetischem Koppler 118(3) und der Leiterbahn 120 vollständiger abzuschirmen.
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16 stellt
ein exemplarisches Ausführungsbeispiel
dar, bei dem ein Teil eines integrierten Schaltkreises 130 kontaktlos
mit einem weiteren Teil des integrierten Schaltkreises in Verbindung
steht. Wie dargestellt, weist ein integrierter Schaltkreis 130 Schaltkreise
auf, die sowohl an der oberen als auch an der unteren Oberfläche seines
Halbleitersubstrats 132 ausgebildet sind. Die Schaltkreise
können
Logikschaltkreise umfassen, Eingangs-/Ausgangsschnittstellenschaltkreise,
und RF-Sendeempfänger
in ähnlichen
Anordnungen wie die des integrierten Schaltkreises 14 von 4,
des integrierten Schaltkreises 60 von 8,
oder des integrierten Schaltkreises 90 von 13.
Ein elektromagnetischer Koppler 134 ist der Schaltung an
einer Seite des Substrats 132 zugeordnet, und ein zweiter
elektromagnetischer Koppler 140 ist der Schaltung auf der
anderen Seite des Substrats zugeordnet. Auf diese Weise sind die
Koppler 134 und 140 elektromagnetisch gekoppelt,
so dass die Schaltung auf der einen Seite des Substrats 132 kontaktlos
mit der Schaltung auf der anderen Seite des Substrats kommunizieren
kann.
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Eine
vollständige
oder teilweise Abschirmung kann wahlweise bei dem in 15 dargestellten
Ausführungsbeispiel
eingefügt
sein. Beispielsweise können
die Abschirmebenen 138 und 144 entsprechend angeordnet
sein, um die integrierten Schaltkreise auf beiden Seiten des Substrats 132 von
den Kopplern 134, 140 abzuschirmen. Eine zusätzliche
Abschirmung kann in Übereinstimmung
mit den oben erörterten
Prinzipien eingefügt
werden, um die integrierten Schaltkreise vollständiger von den Kopplern 134, 140 abzuschirmen.
Lücken
sind in der Abschirmung je nach Bedarf vorgesehen, damit die Koppler 134 und 140 elektromagnetisch miteinander
koppeln können.
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Wie
bei dem oben in 15 dargestellten "gestapelten" integrierten Schaltkreisausführungsbeispiel, kann
das in 16 dargestellte zweiseitige
Ausführungsbeispiel
auf einer Leiterplatte 146 befestigt sein. Wie oben hinsichtlich 15 erörtert, können herkömmliche
physikalische Kontaktstrukturen verwendet werden, um mit der Leiterplatte 146 in
Verbindung zu stehen, oder eine kontaktlose Kopplung in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung kann verwendet werden. 16 stellt
letztere mit optionalen Abschirmebenen 302, 304 für eine Abschirmung
der Übertragungsleitung 148 dar.
Die Lücke 306 ist
in der Abschirmebene 302 vorgesehen, damit der Koppler 140 an
die Übertragungsleitung 148 ankoppeln
kann. Wie oben erläutert,
könnte eine
zusätzliche
Abschirmung hinzugefügt
werden, um die Leiterbahn 148 vollständiger abzuschirmen.
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Obwohl
in 16 nicht gezeigt, können Strom- und Masseverbinder
(so wie 115 in 15) eingefügt sein,
um Strom-, Masse- und Referenzspannungsverbindungen für den integrierten
Schaltkreis 130 vorzusehen. Wie in 15 gezeigt,
können
zusätzlich
mehrere integrierte Schaltkreise, die dem integrierten Schaltkreis 130 ähneln (wobei
die Schaltung in beide Seiten eines Substrats integriert ist), gestapelt
werden,
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Natürlich können zwei
oder mehrere integrierte Schaltkreise mit jeweils einem elektromagnetischen Koppler
einfach so angeordnet sein, dass ihre elektromagnetischen Koppler
in ausreichender Nähe
und elektromagnetisch aneinander gekoppelt sind. Vorzugsweise sind
elektromagnetische Koppler, die elektromagnetisch aneinander gekoppelt
sind, innerhalb ungefähr
25 Millimeter voneinander angeordnet. Die Erfindung ist jedoch nicht
auf die Anordnung irgendeines elektromagnetischen Kopplers innerhalb
25 Millimeter von irgendeinem anderen elektromagnetischen Koppler
beschränkt.
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Die 17a bis 17c stellen
exemplarische Anordnungen dar, bei denen zwei oder mehrere integrierte
Schaltkreise mit einem direkten, drahtlosen Übertragungsweg oder – kanal
zwischen zwei oder mehreren integrierten Schaltkreisen angeordnet
sind. Die integrierten Schaltkreise können auf einer Leiterplatte (nicht
gezeigt) oder einem anderem zum Sichern integrierter Schaltkreise
geeigneten Substrat oder Rahmen befestigt sein. Bei diesen exemplarischen
Anordnungen ist ein elektromagnetischer Koppler an einer Außenkante
des integrierten Schaltkreises ausgebildet. Bei 17a sind die integrierten Schaltkreise 600 und 604 so
angeordnet, dass sie drahtlos miteinander in Verbindung stehen können. Bei 17b sind drei integrierte Schaltkreise 610, 614, 418 so
angeordnet, dass jeder mit dem anderen drahtlos in Verbindung stehen
kann. Bei 17c umfasst eine integrierte
Schaltung 630 vier elektromagnetische Koppler, wobei jeder
so angeordnet ist, dass er elektromagnetisch an einen der integrierten
Schaltkreise 634-646 gekoppelt ist.
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Gemäß den oben
erörterten
Abschirmprinzipien können
Abschirmmaterialien wahlweise eingefügt und angeordnet sein, um
einen oder mehrere kontaktlose Übertragungskanäle zwischen
den integrierten Schaltkreisen vollständig oder teilweise abzuschirmen
oder zu "schließen". Beispielsweise
kann das Abschirmmaterial (nicht in den 17a-17c gezeigt) zwischen den elektromagnetischen
Kopplern 601, 602, 611, 612, 613, 660, 662, 664, 666, 668, 670, 672, 674 und
der Schaltung auf irgendeinem der in den 17a-17c gezeigten integrierten Schaltkreise angeordnet
sein, wie oben allgemein beschrieben. Wie in 17a dargestellt,
können
Abschirmebenen oder Leiterbahnen 606, 608 auch
so angeordnet sein, dass sie den kontaktlosen Übertragungsweg zwischen zwei
oder mehreren gekoppelten elektromagnetischen Kopplern 601, 602 abschirmen.
Obwohl in 17a nicht gezeigt, können zusätzliche
Abschirmebenen oder Leiterbahnen über und unter (aus der Perspektive
von 17a) den integrierten Schaltungen 600 und 604 eingefügt sein, um
den kontaktlosen Übertragungsweg
zwischen den Kopplern 601 und 606 vollständiger abzuschirmen.
Auf ähnliche
Weise kann das Abschirmmaterial 620, 622 so angeordnet
sein, dass es die kontaktlosen Übertragungswege
zwischen den Kopplern 611, 612, 613 in 17b abschirmt, und eine zusätzliche Abschirmung (nicht
gezeigt) kann über
und unter (aus der Perspektive von 17b)
den integrierten Schaltkreisen 610, 614, 618 eingefügt sein,
um die Wege vollständiger
abzuschirmen. 17c zeigt ein gleichermaßen exemplarisches
Abschirmmaterial 650, das den kontaktlosen Übertragungsweg
zwischen den Kopplern 660 und 662 vom kontaktlosen Übertragungsweg
zwischen den Kopplern 664 und 666 abschirmt. Das
Abschirmmaterial 648, 654, 652 schirmt
auf ähnliche
Weise die kontaktlosen Übertragungswege
zwischen den folgenden Kopplerpaaren ab: 668 und 670, 672 und 674,
und 650, 652. Zusätzliches Abschirmmaterial (nicht gezeigt)
könnte über und
unter (aus der Perspektive von 17c)
den Koppelbereichen zwischen nahe gelegenen Kopplern angeordnet
sein, um die Kontaktübertragungswege
vollständiger
abzuschirmen.
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Obwohl
die in den 1-17c dargestellten
elektromagnetischen Koppler so gezeigt sind, als seien sie durch
gerade Leiter ausgebildet, können
die Koppler durch Leiter in irgendeiner anderen Form ausgebildet
sein, die ohne Einschränkung
Spiralen umfassen. In der Tat können
die Form und die Größe der elektromagnetischen
Koppler zum Hervorrufen vorbestimmter Induktivitäts- und Kapazitätspegel
so ausgewählt sein,
dass sie abgestimmte oder resonante Schaltkreis- oder Radiofrequenz-Transformatorstrukturen
ausbilden. Darüberhinaus,
wie oben bezüglich
der in den 1-16 dargestellten
integrierten Schaltkreisen beschrieben, sind die elektromagnetischen
Koppler 601, 602, 611, 612, 613, 660, 662, 664, 666, 668, 670, 672, 674 vorzugsweise
unter Verwendung von Standard-Halbleiterfertigungstechniken auf
oder innerhalb des integrierten Schaltkreises ausgebildet. Alternativ
können
die elektromagnetischen Koppler als Teil des Halbleitepakets hergestellt
sein.
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18 stellt
einen exemplarischen, spiralförmigen
Koppler 404 dar, der auf oder innerhalb des Halbleitersubstrats 402 ausgebildet
ist. Auch sind auf dem Substrat die Sendeempfängerschaltung 406 und
die Funktionsschaltung 408 ausgebildet, die den in den 4, 8 und 13 dargestellten ähnlichen
Schaltungen ähneln
können. 19 stellt
einen Schaltkreis dar, der Ersatzschaltungs-Impedanzen des spiralförmigen Kopplers 404 und
der Sendeempfängerschaltung 406 und
einer Übertragungsleitung
(nicht in 18 gezeigt) modelliert oder
einen ähnlichen
Koppler, an den der spiralförmige
Koppler 404 gekoppelt ist. In 19 stellen
L1 und C1 die Induktivität
und Kapazität
des spiralförmigen
Leiters 404 und dessen Verbindungsweg zur Sendeempfängerschaltung 406 dar;
R1 stellt die Eingangs- oder Ausgangsimpedanz der Sendeempfängerschaltung 406 dar;
und L2 und C2 stellen die Induktivität und die Kapazität der Übertragungsleitung
(nicht in 18 gezeigt) dar, an die der
spiralförmige
Leiter 404 gekoppelt ist.
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Der
Abstand zwischen dem spiralförmigen
Koppler 404 und der Übertragungsleitung
oder einem ähnlichem
Koppler kann so ausgewählt
sein, dass ein Verbindungskoppelfaktor k im Bereich von geringfügig mehr als
0,0 bis 1,0 vorgesehen ist. Die Induktivitäten L1 und L2 und die Kapazitäten C1 und
C2 können
so bemessen sein, dass sie bei der Frequenz fc des
RF-Trägersignals
wie folgt schwingen: fc =
1/[2PI(L1C1)1/2] = 1/[2PI(L2C2)1/2] [1]
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Die
Eingangsimpedanz R1 des Sendeempfängers zum Erzielen eines gewünschten
Schaltkreisqualitätsfaktor
Q wie folgt: Q = R1/[(L1C1)1/2] [2]
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Höhere Werte
von Q erhöhen
den Kopplungsumfang zwischen dem spiralförmigen Koppler 118 und der Übertragungsleitung,
aber senken auch die RF-Signalbandbreite. Die geeignete Wahl für Q hängt somit vom
Grad der Signaldämpfung
ab, den die Sendeempfänger
tolerieren können.
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Wenn
eine starke Kopplung zwischen den elektromagnetischen Kopplern gewünscht ist,
können
die elektromagnetischen Koppler ein Viertel der Wellenlänge der
RF-Signal-Trägerfrequenz
sein, wodurch sie eine Resonanzkoppelstruktur ausbilden. Wie jedoch oben
bemerkt, falls die elektromagnetischen Koppler einer großen Anzahl
von integrierten Schaltkreisen stark an eine Übertragungsleitung gekoppelt
sind, zieht jeder elektromagnetische Koppler eine beträchtliche
Menge an Leistung vom Radiofrequenzsignal ab, während es sich entlang der Übertragungsleitung
ausbreitet, und das Radiofrequenzsignal kann stark gedämpft werden,
bis es einen integrierten Schaltkreis am Ende der Übertragungsleitung
erreicht. Wie oben erörtert,
ist es bei einem derartigen Fall vorzuziehen, die elektromagnetischen
Koppler so zu bemessen, dass sie weniger stark an die Übertragungsleitung
gekoppelt sind, so dass sie nicht wesentlich mehr Leistung verbrauchen,
als benötigt wird,
damit ein eingehendes Radiofrequenzsignal durch die Sendeempfänger richtig
erfasst werden kann. Dort, wo nur wenige integrierte Schaltkreise
kontaktlos miteinander verbunden sind, kann es vorteilhaft sein, die
Kopplung zwischen den integrierten Schaltkreisen zu erhöhen, um
die Stärke
an abgestrahlter Radiofrequenzenergie zu reduzieren und folglich
die Abschirmerfordernisse zu reduzieren.
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Während die
vorangegangene Beschreibung bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung beschrieben hat, kann der Fachmann viele Modifikationen
am bevorzugten Ausführungsbeispiel
vornehmen, ohne von der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise sollte
klar sein, dass die Erfindung in Kombination mit herkömmlichen
Datenübertragungstechniken
verwendet werden kann. Beispielsweise kann das oben beschriebene
Elektroniksystem auch integrierte Schaltkreise und andere Systemelemente
umfassen, die auf herkömmliche
Weise über
physikalische Kontakte kommunizieren. Als ein weiteres Beispiel
kann irgendeiner der oben beschriebenen Sendeempfänger durch
einen Schaltkreis ersetzt werden, der nur überträgt oder nur empfangt, wie es
bei einer vorgegebenen Anwendung der Erfindung geeignet sein kann.
Ferner kann die Eingangs-/Ausgangsschnittstelle 15, 64 und 94 in
den 4, 8 und 13 so
konfiguriert sein, dass sie mit anderen Elementen kommuniziert,
zusätzlich
zu einem Sendeempfänger
und einem Logikschaltkreis. Auch könnten in 3 die
integrierten Schaltkreise 14 an beiden Seiten der Leiterplatte 21 befestigt
sein, und Lücken
könnten
in der Abschirmebene 48 vorgesehen sein, damit die Koppler 18 auf
den auf der Unterseite (aus der Perspektive von 3)
der Leiterplatte 21 befestigten integrierten Schaltkreisen
elektromagnetisch mit der Übertragungsleitung 22 koppeln können. Auf ähnliche
Weise könnten
integrierte Schaltkreise oder Stapel von integrierten Schaltkreisen
an beiden Seiten der in den 10, 14, 15 und 16 gezeigten
Leiterplatten befestigt sein.