(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＬＳＩの回路接続情報および不要輻射源の電流波形を記憶する第１の記憶手段と、
前記回路接続情報および前記電流波形に基づいて、前記ＬＳＩの内部の不要輻射源から前記ＬＳＩの外部へつながる電源の端子へ伝達される不要輻射の伝達関数を計算する伝達関数計算手段と、
前記不要輻射源の近傍に付加するインピーダンスに関する制約条件および前記電源の端子における不要輻射の許容レベルを記憶する第２の記憶手段と、
前記制約条件の下で、前記伝達関数を用いて前記電源の端子における不要輻射が前記許容レベル以下となるインピーダンスを計算する不要輻射最適化手段と、  を備えたことを特徴とするＬＳＩの不要輻射低減システム。
【請求項２】
前記不要輻射源の近傍に付加するインピーダンスはキャパシタンスであることを特徴とする請求項１記載のＬＳＩの不要輻射低減システム。
【請求項３】
前記不要輻射最適化手段は、前記不要輻射が前記許容レベルを超える場合に、前記不要輻射源の電流ベクトルと前記電源の端子を流れる電流ベクトルとの関係を求め、前記電源の端子を流れる電流ベクトルの絶体値を目的関数とし、この目的関数が前記制約条件の下で最小となる不要輻射のときのインピーダンスを計算することを特徴とする請求項２記載のＬＳＩの不要輻射低減システム。
【請求項４】
前記最小となる不要輻射は、前記目的関数の、前記付加したキャパシタに関する微分を求め、この微分が前記制約条件の下で最小となる不要輻射を求めることによって得られることを特徴とする請求項３記載のＬＳＩの不要輻射低減システム。
【請求項５】
前記微分は、前記許容レベルによって決まる重み係数を用いて重み付けられていることを特徴とする請求項４記載のＬＳＩの不要輻射低減システム。
【請求項６】
伝達関数計算手段と、不要輻射最適化手段とを備えた不要輻射低減システムに用いられ、
ＬＳＩの回路接続情報および不要輻射源の電流波形に基づいて、前記ＬＳＩの内部の不要輻射源から前記ＬＳＩの外部へつながる電源端子へ伝達される不要輻射の伝達関数を前記伝達関数計算手段によって求める第１のステップと、
前記不要輻射源の近傍に付加するインピーダンスに関する制約条件および前記電源端子における不要輻射の許容レベルならびに考慮すべき周波数範囲を前記不要輻射最適化手段によって設定する第２のステップと、
前記制約条件の下で、前記電源端子における不要輻射を前記不要輻射最適化手段によって求める第３のステップと、
前記第３のステップで求めた不要輻射が前記周波数範囲で前記許容レベル以下か否かを前記不要輻射最適化手段によって判定する第４のステップと、
前記求めた不要輻射が前記許容レベルを超えている場合には前記不要輻射最適化手段によって前記不要輻射が減る方向に前記付加するインピーダンスを変更して、前記第３および第４のステップを繰り返し、前記求めた不要輻射が前記許容レベル以下の場合にはこのときの付加するインピーダンスを出力する第５のステップと、
を備えたことを特徴とするＬＳＩの不要輻射低減方法。
【請求項７】
前記不要輻射源の近傍に付加するインピーダンスはキャパシタンスであることを特徴とする請求項６記載のＬＳＩの不要輻射低減方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＬＳＩの不要輻射低減システムおよび方法に関するもので、ＬＳＩの自動設計に用いられる。
【０００２】
【従来の技術】
一般にＬＳＩから発生する不要輻射（以下、ノイズとも云う）として図７に示すように次の３種類のノイズが代表的に知られている。
（１）電源ノイズ…ＬＳＩ回路４０の内部の電源消費による電源線４１ａ，４１ｂの電位の揺れ
（２）Ｉ／Ｏノイズ…電源線４１ａ，４１ｂの電位の揺れが入出力バッファ４４の出力信号に伝播したもの
（３）電磁輻射ノイズ…チップ４０の全面から放射される電磁波
ノイズの主な発生源（以下、ノイズ源）は、フリップフロップ４２やクロックバッファなど、クロック信号に関係する回路素子（以下クロック系セル）である。これはクロック信号が同期しているため、クロック系セルに同時に電流が流れる。そしてクロック系セルが多数存在するため、総和としての電流は大きい。従って、電源線から、大量の電荷が短時間のうちに引き出される。電源線が失った電荷は、回路外部から補給する必要がある。補給される電荷の流れが、ＬＳＩ外部で観測される電源ノイズとなる。
【０００３】
電源ノイズの削減方法として、ノイズ源の近傍の電源線に容量を付加する方法が知られている。この方法により、電源ノイズが削減される理由は、以下の通りである。付加した容量は電荷の貯蔵所として機能する。このため、ノイズ源で消費される電流の一部または大部分を、付加した容量から一時的に供給することができる。従って、ＬＳＩ外部から短時間に電荷を供給する必要がなくなり、電源ノイズは減少する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、付加すべき容量の大きさを決めることは、一般に困難である。不用意に容量を付加すると、回路内部のインダクタンスと結合し、共鳴（ノイズが非常に大きな状態）を起こす可能性がある。また、下記の２つのことから、付加できる容量は制限される。
（１）ＬＳＩの信頼性の保持…ＬＳＩ内部の容量は、酸化膜により形成される。この酸化膜は非常に薄いため、壊れやすい。従って、容量が多くなればなるほど酸化膜の面積が大きくなり、それだけ故障の起こる確率が高くなる。
（２）利用可能容量に関する制約…集積度を高めるため、ＬＳＩ内部は、回路素子で敷き詰められている。そのため、ある特定のノイズ源の近傍で、容量を確保するための面積は限られている。
【０００５】
上記２つの制約を守り、かつ共鳴を起こさないように容量を付加する必要がある。設計者がそれを手作業で行うのは非常に困難である。このため、付加すべき容量を自動的に計算するシステムが必要となる。しかし、前記システムは現状では知られて無い。
【０００６】
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、ＬＳＩからの不要輻射を可及的に低減することのできる、ＬＳＩの不要輻射低減システムおよび方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によるＬＳＩの不要輻射低減システムは、ＬＳＩの回路接続情報および不要輻射源の電流波形を記憶する第１の記憶手段と、前記回路接続情報および前記電流波形に基づいて、前記ＬＳＩの内部の不要輻射源から前記ＬＳＩの外部へつながる電源端子へ伝達される不要輻射の伝達関数を計算する伝達関数計算手段と、前記不要輻射源に付加するインピーダンスに関する制約条件および前記電源端子における不要輻射の許容レベルを記憶する第２の記憶手段と、前記制約条件の下で、前記電源端子における不要輻射を前記許容レベル以下となるインピーダンスを計算する不要輻射最適化手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
また本発明によるＬＳＩの不要輻射低減方法は、ＬＳＩの回路接続情報および不要輻射源の電流波形に基づいて、前記ＬＳＩの内部の不要輻射源から前記ＬＳＩの外部へつながる電源端子へ伝達される不要輻射の伝達関数を求める第１のステップと、前記不要輻射源に付加するインピーダンスに関する制約条件および前記電源端子における不要輻射の許容レベルならびに考慮すべき周波数範囲を設定する第２のステップと、前記制約条件の下で、前記電源端子における不要輻射を求める第３のステップと、前記第３のステップで求めた不要輻射が前記周波数範囲で前記許容レベル以下か否かを判定する第４のステップと、前記求めた不要輻射が前記許容レベルを超えている場合には前記不要輻射が減る方向に前記付加するインピーダンスを変更して、前記第３および第４のステップを繰り返し、前記求めた不要輻射が前記許容レベル以下の場合にはこのときの付加するインピーダンスを出力する第５のステップと、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
本発明によるＬＳＩの不要輻射低減システムの一実施の形態の構成を図１に示す。この実施の形態の不要輻射低減システムは、記憶部２，４と、伝達関数計算部６、ノイズ最適化部８と、出力部１０とを備えている。
【００１０】
記憶部２には、ネットリストと呼ばれるＬＳＩの回路接続情報およびノイズ源の電源波形が記憶される。記憶部４には図示しない入力手段を介して設定された許容ノイズレベル情報および付加容量制約条件が記憶される。
【００１１】
伝達関数計算部６は、ネットリスト等に基づいて、後述の伝達関数を計算する。ノイズ最適化部８は上記伝達関数および許容ノイズレベル情報ならびに付加容量制約条件に基づいて最適な容量を求め、出力部１０を介して出力する。
【００１２】
次に本実施の形態の動作を説明する。
本実施の形態では、従来技術で述べた、前記３種類のノイズ（電源ノイズ、Ｉ／Ｏノイズ、放射ノイズ）のうち、電源ノイズの予測および削減を目的とする。上記３種類のノイズ源が同一であるため、電源ノイズの削減により、Ｉ／Ｏノイズ、放射ノイズも減少することが期待される。
【００１３】
以下、本実施の形態の動作を、四段階に分けて説明する。第一段階では、仮定事項を説明し、第二段階では、ノイズの予測について説明し、第三段階では、ノイズ最適化のための目的関数と制約条件について説明し、第四段階でノイズ最適化について説明する。
【００１４】
まず第一に、仮定する事柄を説明する。
本実施の形態では、ノイズ源を電流源とみなし、ノイズ源以外の電流源を無視する。また、ノイズの伝播経路である電源線を、インダクタンス、抵抗、容量から構成される線形回路であると仮定する。以上の仮定により、電源ノイズの予測に、回路理論を適用できる。なお、以下では、ノイズ源の個数をｍ、電源の個数をｎとする。
【００１５】
第二に、回路理論を適用して、電源ノイズの予測を説明する。
ｋ番目のノイズ源を流れる電流をｉIk、ｋ番目のノイズ源の電源端子間の電圧をｖIk、ｋ番目の電源を流れる電流をｉ0k、ｋ番目の電源の電圧をｖ0kとする。ただし、電流、電圧は、フーリエ変換されているものとする。図３に示すように、回路全体は、ノイズ源２２1 …２２m 、電源２４1 …２４n を端子とする多端子回路となる。この多端子回路は、線形な電気的素子（インダクタンス、抵抗、容量）のみから構成される線型回路である。上記多端子回路を介して、ノイズ源と電源源の電流、電圧の間に、次の（１）式が成立する。
【００１６】
【数１】
0003655996.tif 000002
ここで、ベクトルｖI 、ベクトルｉI 、ベクトルｖ0 、ベクトルｉ0 は、ベクトル表示された電圧および電流である。例えばベクトルｖI の第ｋ成分はｖIkである。また、ＨIIはｍ×ｎ次の行列、ＨI0はｍ×ｎ次の行列、Ｈ0Iはｎ×ｍ次の行列、Ｈ00はｎ×ｎ次の行列である。ＨII、ＨI0、Ｈ0I、Ｈ00の要素はｓの有理関数であり、ＨII、ＨI0、Ｈ0I、Ｈ00を伝達関数という。
【００１７】
なお、（１）式の導出については、文献１（伊理正夫他著、「演習グラフ理論」、コロナ社、ｐｐ１７６〜２４０）を参照。
【００１８】
大規模ＬＳＩに対しては、回路素子が多いため、伝達関数ＨII、ＨI0、Ｈ0I、Ｈ00を近似する必要がある。この近似法に関してはは、文献２（ＥｌｉＣｈｉｐｒｏｕｔ  ｅｔ  ａｌ，「Ａｓｙｍｐｔｏｔｉｃ  Ｗａｖｅｆｏｒｍ  Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ」、Ｋｌｕｗｅｒ  Ａｃａｄｉｍｉｃ  Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ，ＩＳＢＮ：０−７９２３−９４１３−５、１９９４）を参照。
【００１９】
これらの伝達関数はネットリスト等に基づいて伝達関数計算部６によって計算される。
【００２０】
（１）式を用いることにより、既知の量であるノイズ源の電流ベクトルｉI と電源電圧ベクトルｖ0 により、電源ノイズベクトルｉ0 を予測することが可能である。
【００２１】
第三に、電源ノイズを最適化するための目的関数と、制約条件を説明する。
図４に示すように、ノイズ源の近傍に容量を挿入することにより、ベクトルｉI は次の（２）式で表現される。
【００２２】
【数２】
0003655996.tif 000003
ここでωを角周波数とすると、Ｓ＝（−１）1/2 ・ωであり、ベクトルｊはノイズ源の電流ベクトル、Ｃはｍ×ｍ次の対角行列で、その対角成分Ｃkk（ｋ＝１、…ｍ）はｋ番目のノイズ源に付加された容量である。
【００２３】
（２）式を（１）式に代入することにより、ノイズ源の電流および電圧と、電源の電流および電圧との関係は次の（３）式により表現される。
【００２４】
【数３】
0003655996.tif 000004
（１）式と（３）式の違いは、付加された容量Ｃが存在するか否かである。実際（３）式でＣ＝０とおくことにより、（１）式が得られる。
【００２５】
（３）式から、ノイズ源の電流ベクトルｊと、電源の電流ベクトルｉ0 との間の関係（（４）式参照）が得られる。
【００２６】
【数４】
0003655996.tif 000005
この（４）式の導出には、電源電圧は直流なので、０以外の周波数に対するフーリエ成分が０になる（次の（５）式参照）ことを用いた。
【００２７】
【数５】
0003655996.tif 000006
（４）式の絶対値の２乗がノイズ最適化のための目的関数ｆとなる。この目的関数ｆは、次の（６）式で表現される。
【００２８】
【数６】
0003655996.tif 000007
ここで、“＋”はエルミート共役を表す。任意の行列Ａのエルミート共役行列は、Ａの転置行列の複素共役をとることにより得られる。すなわち、
Ａ+ ＝（ＡT ）*                               ……（７）
ここで、“Ｔ”は行列の転置を、“＊”は複素共役を表す。
【００２９】
目的関数ｆが小さいほどノイズが少ない。従ってｆの最小値を与える対角行列Ｃを求めることが目標となる。ただし、対角行列Ｃには、従来技術で説明した、以下の制限がつく。
（ａ）ＬＳＩの信頼性の保持
ＬＳＩ内部の容量は、酸化膜により形成される。この酸化膜は非常に薄いため、壊れやすい。従って、容量が多くなればなるほど酸化膜の面積が大きくなり、それだけ故障の起こる確率が高くなる。
（ｂ）利用可能容量に関する制約
集積度を高めるため、ＬＳＩ内部は、回路素子で敷き詰められている。そのため、ある特定のノイズ源の近傍で、容量を確保するための面積は限られている。
【００３０】
制限（ａ）は付加可能な全容量を制限する。それは次の（８）式で表現できる。
【００３１】
【数７】
0003655996.tif 000008
ただし、ｍはノイズ源の個数、Ｃａはａ番目のノイズ源に付加する容量、Ｃｍａｘは、付加可能な全容量の最大値である。
【００３２】
制限（ｂ）は、任意のノイズ源に対し、それに付加できる容量値を制限する。それは、次の（９）式で表現される。
Ｃa ≦Ｃa,amx     （ａ＝１，２，…，ｍ）        ……（９）
ただし、Ｃａはａ番目のノイズ源に付加する容量、Ｃa 、Ｃa,amx は、ａ番目のノイズ源に付加可能な容量の最大値である。
【００３３】
以上まとめると、（８）式および（９）式の条件のもとで、ｆを最小化すればノイズを低減することができる。
【００３４】
第四に、具体的なノイズ最適化法を説明する。
ノイズ最適化法を説明するために２つの簡単な例を挙げる。
【００３５】
第一の例を説明する。
この例では、図５に示すようにノイズ源の個数ｍ＝１および電源のｎ＝１で、ノイズを伝達する回路が１個の抵抗（値Ｒ）で構成される。このときｆは、次の（１０）式で表わされる。
ｆ＝（１＋ω2 Ｃ2 Ｒ2 ）-1｜ｊ｜2               ……（１０）
（１０）式において、ノイズ源を流れる電源ｊは１つなので、ベクトル記号を省いた。Ｃが大きいほど、ｆは小さい。従って、（８）式および（９）式の条件を満たす範囲で最大のＣをノイズ源に付加すれば、ノイズは最適化される。しかし、異なる回路においては、必ずしもＣが大きいほどノイズが最適化されるわけではない。第二の例で、それを説明する。
【００３６】
第二の例を説明する。
この例では、ノイズ源の個数ｍ＝１および電源の個数ｎ＝１で、ノイズを伝達する回路が１個のインダクタンス（値Ｌ）で構成される（図６参照）。このときｆは、次の（１１）式で表わされる。
ｆ＝（１−ω2 ＣＬ）-2｜ｊ｜2               ……（１１）
（１１）式において、ノイズ源を流れる電流は１つなので、ベクトル記号を省いた。ｆは、ω2 ＣＬ＝１のとき極大となる。この現象を共鳴という。（８）式および（９）式の条件を満たす最大のＣがω2 ＣＬ＝１を満たす場合、Ｃを小さくすることにより、ノイズは最適化される。この状況は第一の例とちょうど反対である。第一の例では、Ｃが大きいほどノイズが最適化された。
【００３７】
以上説明した２つの簡単な例を踏まえて本実施の形態のノイズの最適化について説明する。
【００３８】
まず、次の文献３（Ｐｅｔｅｒ  Ｆｅｌｄｍａｎｎ  ｅｔ  ａｌ，「Ｃｉｒｃｕｉｔ  ｎｏｉｓｅ  ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ  ｂｙ  Ｐａｄｅ  ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ  ｂａｓｅｄ  ｍｏｄｅｌ−ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  ｔｅｃｔｎｉｑｕｅｓ」、１９９９７  Ｉｎｔｅｒｎｅｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ａｉｄｅｄ  Ｄｅｓｉｇｎ，ｐｐ１３２〜１３８、１９９７）の手法を用いて目的関数ｆを変形する。
【００３９】
【数８】
0003655996.tif 000009
と置き、（１２）式を書き換えると、次の（１３）式となる。
【００４０】
【数９】
0003655996.tif 000010
このとき目的関数ｆは、次の（１４）式で表わされる。
【００４１】
【数１０】
0003655996.tif 000011
（１４）式が変形後の目的関数ｆである。（１３）式からベクトルｐ、ベクトルｑを求め、（１４）式に代入すれば、目的関数ｆを求めることができる。（１３）式からベクトルｐ、ベクトルｑを求める際、文献２の近似法を用いると能率的である。
【００４２】
次に、目的関数ｆのＣに関する微分係数を求める。
Ｃを微小量δＣだけ変化させたときのｆの変化δｆは、（１３）式および（１４）式をＣに関して変分することにより、次の（１５）式となる。
【００４３】
【数１１】
0003655996.tif 000012
（１５）式でδＣkk＝１、δＣjj＝０（ｊ≠ｋ）と置くことにより、δｆのＣkkに関する微分係数ｄckk ｆが得られる。
【００４４】
次に、ノイズを最適化する容量Ｃを求めるアルゴリズムを図２を参照して説明する。
【００４５】
▲１▼ノイズを最適化する周波数領域および各周波数に対する許容ノイズレベルを定め、図１に示す記憶部４に記憶させる（図２のステップＦ１参照）。
【００４６】
▲２▼図示しない入力手段を用いて、可変容量を表わす対角行列Ｃの初期値を記憶部４に設定する（図２のステップＦ２参照）。
【００４７】
▲３▼与えられた対角行列Ｃに対して（１３）式を用いてベクトルｐ、ベクトルｑをノイズ最適化部８によってＳの関数として表す（図２のステップＦ３参照）。
【００４８】
▲４▼（１４）式を用いて最適化部８によって目的関数ｆを求める（図２のステップＦ３参照）。
【００４９】
▲５▼考慮した周波数領域において目的関数ｆが許容レベル以下か否かがノイズ最適化部８によって判定され、（図２のステップＦ４参照）、許容レベル以下の場合はこのときの容量が最適容量として出力部１０から出力される（図２のステップＦ６参照）。
【００５０】
▲６▼許容レベルを超えている場合は、（１５）式を用いて目的関数ｆのＣに関する微分係数ｄc ｆがノイズ最適化部によって求められる（図２のステップＦ５参照）。
【００５１】
▲７▼考慮した周波数領域においてノイズ最適化部８によって目的関数ｆのＣに関する微分係数を重みを付けて平均する（ステップＦ５参照）。
【００５２】
▲８▼重み付け平均されたｆの微分係数＜ｄc ｆ＞と正反対の向きに容量の対角行列ＣをδＣだけ、ノイズ最適化部８によって変化させる（ステップＦ５参照）。このときＣ＋δＣが（８）式および（９）式を満たすようにδＣの大きさを選ぶ。
【００５３】
▲９▼ノイズ最適化部８によってＣをＣ＋δＣに更新し、▲３▼の戻り、上述のことを繰返す（ステップＦ５参照）。
【００５４】
上記アルゴリズムの▲７▼におけるｆのＣに関する微分係数の重み付け平均＜ｄc ｆ＞は、次の（１６）式
【００５５】
【数１２】
0003655996.tif 000013
によって定義される。ただし、Ｓに関する和は、問題とする周波数領域の周波数に関する和である。また、ベクトルｄc ｆ（ｓ）＝（ｄc11ｆ（ｓ），…，ｄcmmｆ（ｓ））は、周波数ｓにおける、ｆのＣに関する微分係数ベクトルである。周波数ｓに対する重み関数ｗ（ｓ）を、次の（１７）式によって定義する。
【００５６】
【数１３】
0003655996.tif 000014
ただし、ｆu （ｓ）は、周波数ｓにおける許容ノイズレベルである。（１７）式によって定義された重み関数の値は、許容ノイズレベルを超過しているほど大きい。（１７）式は、重み関数に対する定義の一例であり、これ以外の定義もありえる。一般的な特徴は、重み関数の値は、許容ノイズレベルを超過しているほど大きいことである。
【００５７】
以上説明したように本実施の形態によれば、ＬＳＩからの不要輻射を可及的に低減することができる。これにより、次のような効果が期待される。
（１）医療機器、飛行機の装置等、ノイズの発生が人命を奪う機器を安全に使用できる。
（２）ノイズ対策が自動化されるため、人手でノイズ対策を行う必要がなくなり、設計期間が短縮される。
（３）（２）の結果として、安価で安全なＬＳＩを供給することが可能になり、ＬＳＩの利用範囲が拡大する。
【００５８】
なお、本実施の形態では、ノイズ源に容量を付加することにより、ノイズの最適化を行ったが、容量に加えて、インダクタンス、抵抗を付加することによるノイズの最適化も可能である。
【００５９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、ＬＳＩからの不要輻射を可及的に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による不要輻射低減システムの構成を示すブロック図。
【図２】ノイズを最適化する容量を求めるアルゴリズムを示すフローチャート。
【図３】本発明が適用されるＬＳＩの模式図。
【図４】ノイズ低減用の付加容量の挿入位置を示す回路図。
【図５】伝達経路に１つの抵抗だけがある場合の回路図。
【図６】伝達経路に１つのインダクタンスがある場合の回路図。
【図７】ＬＳＩで発生するノイズの種類を説明する図。
【符号の説明】
２  記憶部
４  記憶部
６  伝達関数計算部
８  ノイズ最適化部
１０  出力部
【図１】
0003655996.tif 000015
【図２】
0003655996.tif 000016
【図３】
0003655996.tif 000017
【図４】
0003655996.tif 000018
【図５】
0003655996.tif 000019
【図６】
0003655996.tif 000020
【図７】
0003655996.tif 000021