CN1190909C

CN1190909C - 扩频时钟系统中带电源调制的同步时钟调制的设备和方法

Info

Publication number: CN1190909C
Application number: CNB011247657A
Authority: CN
Inventors: R·D·威克利
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2000-08-03
Filing date: 2001-08-02
Publication date: 2005-02-23
Anticipated expiration: 2021-08-02
Also published as: CN1340917A; IE20010667A1; JP2002140130A; JP4336068B2; TW536869B; US7050478B1

Abstract

扩频时钟系统(11)调制与电路时钟频率(C)相一致的电路(10)的供电电压。系统增加电路(10)供电电压与增加电路时钟频率(C)同步。但是，在时钟频率调制周期中时钟频率(C)下降的那部分时间内，系统(11)也下降了为电路(10)的供电电压。电路供电电压和电路时钟频率(C)之间的这种关系可以通过调制电路(10)的电源(15)的输出(18)和把已调制供电电压信号通过信号转换器(30)用来控制时钟源(14)的调制来实现。

Description

扩频时钟系统中带电源调制的同步时钟调制的设备和方法

发明领域

本发明涉及使用高频时钟信号的电子电路。本发明更特别涉及在扩频时钟装置中对电路供电电压和时钟频率进行调制的设备和方法。

背景技术

在很多电子电路中使用的高频时钟信号会产生伴生的电磁场。这种伴生电磁场或者辐射就是人们所知的电磁干扰，或者称为“EMI”。特定电路的EMI辐射能量与电路使用的时钟信号频率直接成正比。

电子设备的EMI辐射受到政府或其它机构的管制，不能超出最大允许的限度。电子设备生产商必须尽可能减小电磁辐射以保持其辐射在允许的范围之内。例如电子电路可以封装在可以阻挡或屏蔽封装电路EMI辐射的专用电传导遮蔽盒中。但是随着时钟频率的提高，完全屏蔽EMI变得更为困难，EMI辐射的等级也会提高。

许多制定的EMI限制设置为电路工作期间的最大平均辐射能量等级。减小电路部分工作期间内的时钟频率可以减小整个工作期间的平均EMI辐射能量。因此，通过在中心时钟频率或正常时钟频率的一定范围内调制特定电路的时钟频率，有时可能会满足该电路EMI辐射的规定限制。电子电路中的这种已调制时钟信号频率通常叫做扩展频谱时钟信号。

在时钟信号控制下运行的所有处理器和其它电子设备都限定在它们可以支持的时钟频率以及可以处理数据的速度内。这种运行速度限制是由共用时钟信号推动的功能模块之间一定的临界通路决定的。从一个电路功能模块取出数据，传送给接收电路功能模块，以及在接收电路功能模块所需的设置时间之前到达接收电路模块，这些过程所耗的最大时间决定了包含有两个功能模块的电子设备中的时钟信号所允许的最小瞬时周期。这个最小瞬时周期时间可转换成电路的最高时钟频率，绝不会被违犯，不会冒电路对给定输入产生错误结果的这个险。在扩频时钟装置中调制电路时钟频率，调制后的频率必须加以控制，使得任意给定时间的瞬时频率保持低于电路支持的最大可用时钟频率。

在很多电路中通过提高电路的供电电压可以提高或者减少最小周期时间。因此，可以只通过增加电路供电电压来提高扩频时钟信号的最大允许瞬时频率。但是，增加电路的供电电压将会增加电路功耗，这样增加的功耗所带来的热效应会对电路的功能性和可靠性产生有害的影响。因此，在很多系统中，增加供电电压水平不是一个可行的选择，不能满足扩频时钟系统的最大瞬时频率的限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种以一种方式提供扩频时钟信号的设备和方法，其能方便地提高电路性能。

这个目的是通过调制与电路时钟频率一致或同步的电路供电电压来达到的。根据本发明，电路供电电压随着时钟频率的增加而增加。但是在时钟频率下降的那部分时钟频率调制周期内，电路供电电压也下降。这种与系统时钟频率一致的电路供电电压水平调制使得扩频时钟装置中的EMI辐射下降到希望的水平，同时也允许电路周期期运行在更高的时钟频率，从而全面改善系统性能。

根据本发明，电路供电电压和时钟频率时间的相关调制可以通过几种不同的方式加以实现。本发明的一种形式就是可操作地连接一个调制器，以第一调制装置对电路供电电压进行第一次调制。一个对应的调制装置使用已调制的供电电压信号来控制对电路的时钟频率进行对应调制。另外一种形式就是调制信号源可以直接用来控制系统时钟频率调制和电路供电电压水平调制。不管用来实现相关供电电压和时钟频率调制的特定电路结构如何，本发明的方法都包含下面的步骤：在一个第一次调制频率上对电路供电电压或系统时钟信号频率两者之一进行调制，以及在相应的调制频率上对供电电压或时钟频率中的另外一个进行调制。

如在此说明书和伴随的权利要求中所使用的，在第一次调制波形的峰值至少部分与第二次调制波形一致时，第一次调制是针对第二次调制的“对应调制”。本发明的几种优选形式中，调制供电电压和时钟频率，使得所得到的两种调制波形大致相同。但是要提高系统性能，时钟频率调制不必与供电电压调制完全一致，也不必局限在本发明和伴随的权利要求的范围之内。也就是说，根据本发明，两个调制波形(时间轴上的瞬时频率和供电电压水平)可以不必相等，同样可以提供改善。

根据本发明的第一方面，提供了一种在使用扩频时钟信号的系统中控制系统供电电压的设备，该设备包括：(a)第一调制装置，可操作地连接所述的第一调制装置，对系统的系统供电电压或者时钟信号频率两者之一进行调制；以及(b)第二调制装置，可操作地连接所述的第二调制装置，对系统的供电电压或者时钟信号频率之中的未被第一调制装置调制的另外一个进行调制。

根据本发明的第二方面，提供了一种扩频时钟系统，包括：(a)一个扩频时钟源，扩频时钟源有一个频率调制输入并且提供时钟信号；(b)一个电源电路，提供供电电压输出；(c)第一调制装置，可操作地连接所述第一调制装置，对供电电压输出或者时钟信号频率之一进行调制；以及(d)第二个调制装置，可操作地连接所述第二调制装置，对供电电压输出或者时钟信号频率中的未被第一调制装置调制的另外一个进行调制。

根据本发明的第三方面，提供了一种为电路提供扩频时钟信号的方法，包括下面几个步骤：在第一次调制中对电路的电源信号进行调制；以及在第二次调制中对电路的时钟信号频率进行调制。

本发明的这些目标以及其它的目标、优点和特性会在后面参照附图描述优选实施方案的时候表现得清楚。

附图说明

图1是体现本发明原理的扩频时钟系统的图解描述。

图2是说明根据本发明的电路供电电压和时钟频率相关调制的说明性时间图。

图3是体现本发明原理的另外一种扩频时钟系统的框图描述。

具体实施方式

图1图解说明了使用体现本发明原理的扩频时钟系统11的电子电路10。电路10在图中作为一个处理器显示，但是可以包含任何使用了直流电源电压信号和扩频时钟信号的电路。虽然电路10可以做成一个从片外源接收直流电源电压信号和系统时钟的分离集成电路，但是也可以与扩频时钟系统一起做在一片集成电路芯片中。另外，电路10和扩频时钟系统11可以使用后面权利要求范围内的离散电子元件实现。

扩频时钟系统11包括一个扩频时钟源14和电源15。时钟源14为电路10提供时钟信号，电源15为电路提供供电电压信号V_dd。在本说明书和伴随权利要求中使用的“供电电压信号”是指供应的电压信号，遍布电路10以提供运行不同电路组件所需的电能量。“时钟信号”是指含有适当的时钟波形的信号，供应给电路10，遍布电路以驱动或协调电路中不同元件的运行。

电源15在图1中显示为运算放大器。连接到运算放大器的同相端或者第一输入端16，以接收调制器17调制的直流参考电压信号。调制器17可以包括任意适合的包含有锯齿或数字波形发生器的调制装置。节点18处的电源输出承载用于电路10的供电电压信号V_dd。这个信号也反馈到运算放大器的反相输入端19。

尽管电源15在图1中显示为运算放大器，但让人赞赏的是，本发明可以使用任何合适的电源装置来实现。适合于本发明和伴随权利要求目的的电源包括任何可以调制输出供电电压的供给电源。甚至在图1中显示的运算放大器中，滤波器以及其它的信号调节装置都可以包含在供给电源中。为了使得本发明不会因为不必要的细节而变得模糊，这些可以包含在电源15中的额外元件都省略了。

图1中显示的扩频时钟源14包括锁相环(PLL)，锁相环包括相位检测器21，环路滤波器22和压控振荡器(VCO)23。PLL电路的反馈路径中也可以包括一个分频器，但是为了简化附图而从图1中省略了。在本发明的这个优选形式中，PLL时钟源还可以包含一个加法方法27。PLL时钟源接收振荡器或基本频率输入B和节点28的调制输入。基本频率B用作相位检测器21的一个输入，为可以在节点26处锁定的时钟源输出信号提供参考。调制输入28处的信号在加法方法27相加后产生输出到VCO23的输入25处的调制信号。这个调制信号调制时钟信号输出节点26的频率，因而时钟频率在一定的范围内围绕一个中心频率或者基本频率变化。应该注意到，如果到加法方法27的调制输入28为零，那么VCO输入25的信号和环路滤波器22的输出29的信号就完全相同，就如同传统PLL时钟源的情况。

图1所示的PLL时钟源仅仅是一个示例。令人赞赏的是，本发明没有局限在这种特定类型的时钟源。本发明包括任何在其中可以在想要的频率范围内调制输出时钟信号的时钟源。

在图1说明的本发明的优选形式中，电源输出节点18处的已调制供电电压信号被用来控制调制时钟频率。因为供电信号正常情况下与到时钟源14的调制输入节点28所需的电平不同，图1还包含了信号转换器30。信号转换器30接收来自电源输出节点18的供电电压信号，并转换这个信号以形成合适的调制输入28，也就是适合于加法方法27，与来自环路滤波器22的输出29结合的调制信号。在图1中说明的本发明优选形式中，加法方法27会受信号转换器30和环路滤波器22组合的影响，而不是一个孤立的加法器。任何在本发明包含范围内的合适的加法装置都可以用来影响加法方法27。

图1所示的扩频时钟系统11的操作和本发明的方法都可以参考图1和图2中显示的时间图来描述。本发明的方法包括在对应调制频率上互相一致或同步地调制供电电压信号和时钟信号频率(分别在图1中的18和26处)。图1中显示的本发明的形式中，调制供电电压的步骤使用调制器17以调制到同相输入端16的参考电压信号来完成的。这将生成图2中显示的已调制供电电压V_dd。

在图1中调制节点26处的时钟源输出频率的步骤是使用已调制供给电压信号来完成的。更特别的是，节点18处的供电电压信号通过信号转换器30来调节，然后通过加法方法27与来自环路滤波器22的输出29相加。这个加法功能调制VCO输入信号25来作用于时钟源输出26的调制。这种基于已调制供给电压信号的调制生成图2中C处所示的已调制时钟频率。

图2示出了对应于已调制时钟频率的根据本发明的供电电压信号V_dd的调制。当供电电压信号V_dd到达最大值时，时钟频率C也达到最大值。另一方面，当供电电压V_dd最小时，时钟频率C也达到了最小值。已调制供电电压V_dd和已调制时钟频率C之间的这种关系带来几点好处。首先，已调制时钟频率使得电路10在给定运行阶段产生较低的平均EMI辐射能量。其次，在扩频周期中恰当的时间，由处于更高供电电压的电路10所显示出的更好的性能会支持更高的时钟频率，而在低时钟频率期间供给的较低的电压将有助于使电路的功耗保持在可以接受的水平上。

例如，为了减少特定电路或系统的EMI辐射，假设需要2.5％的时钟频率扩频调制。在这种情况下，只有超过额定(中心)供电电平2.1％的供电电压调制峰值会支持与没有扩频时钟并带有额定供电电压的系统相同的性能水平。这个2.1％的供给电压调制峰值表示峰-峰频率调制2.5％的一半除以供电电压V_dd每变化1％而导致的最大可支持时钟频率大约0.6％的变化。这个例子中提高的性能水平是在功耗不超过0.3％增长的情况下达到的。电路中半导体设备节点增加温度的上涨将会少于0.2摄氏度。

图3显示了另外一种根据本发明的优选扩频时钟系统35。系统35包括相同的供给电源15和时钟源14，分别为电路10提供供电电压和系统时钟。但是，在本发明的这种替代形式中，到时钟源14的调制输入28直接来自于调制信号源37。调制信号源37输出与参考电压V_ref在加法节点38相加，然后送到构成供给电源15的运算放大器的同相输入端16。

从图1中可注意到，调制器17和电源15共同组成了用于调制供电电压的装置。供电电压信号V_dd和信号转换器30构成了图1中用于调制扩频时钟频率的相应调制装置。相反，图3中的调制信号源37是用来调制来自时钟源14的时钟频率的调制装置，而加法装置38和电源15共同组成相应的调制装置来调制供给电压。

令本领域的普通技术人员所赞赏的是，本发明不限于图2中所示的三角形供电电压信号波形。在本发明的其它形式中，由已调制供电电压信号产生的波形可以由更加复杂的波形组成。还要注意的是，在本发明和后面的权利要求范围内，供电电压信号的调制波形和时钟频率的调制波形不必完全相同。相反，调制波形可以有所不同。在某些情况下，供电电压调制和时钟频率调制之间的波形区别可以在没有性能损失的情况下改善功耗。

有很多不同的电路可以用来调制与已调制扩频时钟频率一致的供电电压信号。图1和图3中所示的装置只是用于完成供电电压信号和时钟频率之间想要的相关调制的简单优选实施方案。对于图1和图3中所示出装置的替代做法是，函数发生器可以与电源15相联，功能是用于控制供电电压信号和扩频时钟频率的调制。所需的相关调制也可以使用无源分布和退耦网络与电路10相联来完成，这在扩频调制的基本频率上会有轻微的负阻抗。后面这些调制装置可以认为与图示的那些电路等效。

此外，令本领域的普通技术人员所赞赏的是，本发明不限制于图1和图3中为举例而显示的时钟源14或电源15的调制方法或调制介绍。在本发明的其它形式中，扩频频率调制可以在环路滤波器22之前完成，可以采用电压之外的其它信号形式。可选的信号形式包括电流和可译数字表现形式，如时钟源的相位错误和电源的电压。在本发明的其它形式中，调制可以引入到时钟源14，在时钟源14的输出端加入频率-电压转换器，可以为电源15提供调制源。任何用于生成时钟频率和供电电源电压相关调制的合适调制技术都可以认为是与本申请文件所特别描述的技术和电路是等效的。

上面描述的优选实施方案是为了解释本发明的原理，而不是限制本发明的范围。那些本领域的普通技术人员可以在不违反以下权利要求范围的前提下提出其它不同的实施方案或对这些优选实施方案进行修改。

Claims

1.一种在使用扩频时钟信号的系统中控制系统供电电压的设备，该设备包括：

(a)第一调制装置，可操作地连接所述的第一调制装置，对系统的系统供电电压和时钟信号频率两者之一进行调制；以及

(b)第二调制装置，可操作地连接所述的第二调制装置，对系统的供电电压和时钟信号频率之中的未被第一调制装置调制的另外一个进行调制。

2.根据权利要求1的设备，还包含一个电源电路，其中：

(a)所述第一调制装置包括一个调制器，所连接的所述调制器为电源电路的参考输入提供一个已调制的信号；以及

(b)所述第二调制装置包含一个提供系统供电电压来控制时钟信号频率调制的装置

3.根据权利要求2的设备，所述调制器连接在直流参考电压源和电源电路的参考输入端之间。

4.根据权利要求2设备，还包括一个扩频时钟源，其中系统供电电压用来产生一个调制信号，作为扩频时钟源的调制输入。

5.根据权利要求4的设备，还包括：

一个信号转换器，所连接的信号转换器接收系统供电电压和提供一个转换信号作为扩频时钟源的调制输入。

6.根据权利要求1的设备，还包括一个具有调制输入的扩频时钟源，其中所述第一调制装置包含一个调制信号源，调制信号源的输出连接到扩频时钟源的调制输入端。

7.根据权利要求6的设备，还包括一个带参考输入的电源电路，其中调制信号源输出用于调制在参考输入端的信号。

8.根据权利要求7的设备，包括一个求和节点，所连接的求和节点把直流参考电压和调制信号源输出相加，产生一个相加的输出，而相加的输出用作电源电路的参考输入。

9.根据权利要求1的设备，其中所述第一调制装置进行调制的波形和所述第二调制装置进行调制的波形不相等。

10.扩频时钟系统，包括：

(a)一个扩频时钟源，扩频时钟源有一个频率调制输入并且提供时钟信号；

(b)一个电源电路，提供供电电压输出；

(c)第一调制装置，可操作地连接所述第一调制装置，对供电电压输出和时钟信号频率之一进行调制；以及

(d)第二个调制装置，可操作地连接所述第二调制装置，对供电电压输出和时钟信号频率中的未被第一调制装置调制的另外一个进行调制。

11.根据权利要求10的扩频时钟系统，其中：

(a)所述第一调制装置包括一个调制器，所连接的所述调制器为电源电路提供已调制的参考输入；以及

(b)所述第二调制装置包含一个将系统供电电压输出用来控制时钟信号频率调制的装置。

12.根据权利要求11的扩频时钟系统，还包括：一个信号转换器，所连接所述信号转换器接收系统供电电压输出和为扩频时钟源的频率调制输入提供转换输出。

13.根据权利要求10的扩频时钟系统，其中所述第一调制装置包括调制信号源，调制信号源连接到扩频时钟源的频率调制输入端。

14.根据权利要求13的扩频时钟系统，其中所述调制信号源输出用于调制用作电源电路参考输入的信号。

15.根据权利要求14的的扩频时钟系统，还包括求和节点，所连接的所述求和节点把直流参考电压和调制信号源的输出相加，并用已调制的直流输出作为电源电路的参考输入。

16.根据权利要求10的扩频时钟系统，其中第一调制装置进行调制的波形和第二调制装置进行调制的波形不相等。

17.一种为电路提供扩频时钟信号的方法，包括下面几个步骤：

(a)在第一次调制中对电路的电源信号进行调制；以及

(b)在第二次调制中对电路的时钟信号频率进行调制。

18.根据权利要求17的方法，其中所述对电路的电源信号进行调制的步骤包括以下的步骤：

调制电路的电源的参考电压输入。

19.根据权利要求17的方法，其中所述对电路的时钟信号频率进行调制的步骤包括以下的步骤：

(a)在第一次调制频率上调整已调制的电路的电源信号以生成已调整信号；以及

(b)将所述已调整信号加到时钟源电路的调制输入上。

20.根据权利要求17的方法，其中所述对电路的时钟信号频率进行调制的步骤包括：

将调制信号源输出加到时钟源电路的调制输入。

21.根据权利要求20的方法，其中对电路的电源信号进行调制的步骤包括：

将调制信号源输出用于调制电源电路的参考电压输入。

22.根据权利要求21的方法，其中将调制信号源输出用于调制参考电压输入的步骤包括如下的步骤：

把调制信号源输出和直流参考电压源信号相加。

23.根据权利要求17的方法，其中第一次调制波形和第二次调制波形是不相等的。