DE69834475T2

DE69834475T2 - Taktsignal-Erkennungsschaltung

Info

Publication number: DE69834475T2
Application number: DE69834475T
Authority: DE
Inventors: Hisaya Nakahara-ku Kawasaki-shi Sakamoto; Akihiko Nakahara-ku Kawasaki-shi Sugata; Tetsuya Nakahara-ku Kawasaki-shi Kiyonaga; Akimitsu Nakahara-ku Kawasaki-shi Miyazaki
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1998-01-12
Filing date: 1998-06-09
Publication date: 2007-04-19
Anticipated expiration: 2018-06-10
Also published as: JP3495239B2; DE69834475D1; EP0930710B1; EP0930710A3; EP0930710A2; US6065129A; JPH11205393A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft eine Taktsignal-Erfassungsschaltung, und insbesondere eine Taktsignal-Erfassungsschaltung, die verwendet wird, um eine Unterbrechung eines Lichtstrahls zu erfassen, der in den Lichtempfänger eines Hochgeschwindigkeits-Digitalkommunikationssystems eingegeben wird.
Der Lichtempfänger eines optischen Hochgeschwindigkeits-Kommunikationssystems konvertiert eine Datenwellenform, die durch eine Übertragung gestört ist, oder eine Datenwellenform, die durch Rauschen gestört ist, in eine saubere Signalwellenform. Der Lichtempfänger führt eine sogenannte Daten- und Takt-Regeneration durch. Wenn Daten zu regenerieren sind, extrahiert der Lichtempfänger ein Taktsignal aus dem Empfangsdatensignal und regeneriert dieses, und führt die Regenerierung der Daten durch einen Diskriminator unter Verwendung der Erzeugungszeitgebung des Taktsignals als eine Referenz durch.
Ein derartiges optisches Kommunikationssystem weist eine Vielfalt von Fehlererfassungsfunktionen zum Überwachen, ob das System normal arbeitet, und zum Aufdecken von Fehlerpunkten, wenn Anomalien auftreten, auf. Unter diesen Funktionen ist eine, die zum Erfassen dient, ob ein Lichtsignal empfangen wird, nämlich eine Funktion zum Erfassen einer Unterbrechung des Lichtsignals, wesentlich für den Lichtempfänger, und ist erforderlich, um normal zu arbeiten, um die Fehlerorte zu finden.
16 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau eines Lichtempfängers in einem optischen Kommunikationssystem zeigt. Der Lichtempfänger schließt ein Lichtempfangselement 100 zum Konvertieren eines Lichtsignals in ein elektrisches Signal, eine Entzerr-Verstärkerschaltung 200 zum Entzerren und Verstärken eines 10-Gdps-Datensignals, das beispielsweise von dem Lichtempfangselement 100 ausgegeben wird, eine Zeitgebungs-Extraktionseinheit 300 zum Extrahieren eines Taktsignals, das eine Frequenz gleich jener der Bitrate aufweist, aus dem Datensignal, das entzerrt und verstärkt worden ist, einen Diskriminator 400 zum Diskriminieren einer "1"- und einer "0"-Logik des Datensignals unter Verwendung des Taktsignals, das von der Zeitgebungs-Extraktionseinheit 300 ausgegeben wird, und einen Taktsignaldetektor 500 zum Erfassen der Amplitude des Taktsignals, das von der Zeitgebungs-Extraktionseinheit 300 extrahiert ist, ein. Der Taktsignaldetektor 500 ist in der Lage, eine Unterbrechung des optischen Eingangs durch ein Vergleichen der Taktsignalamplitude und einer Referenz zu erfassen.
Beim Betrieb wird ein Lichtsignal, das über eine optische Faser angekommen ist, durch das Lichtempfangselement 100 in ein elektrisches Signal konvertiert. Das elektrische Signal wird durch die Entzerr-Verstärkerschaltung 200 entzerrt und verstärkt. Die Zeitgebungs-Extraktionseinheit 300 extrahiert ein Taktsignal CLK aus der entzerrten Wellenform, um den Diskriminator 400 zu triggern. Der letztere bestimmt, ob die entzerrte Wellenform anzeigend ist zu der Abtastzeitgebung für "0" oder "1", wodurch die ursprünglichen Codierpulse (Daten) wieder hergestellt werden und wodurch dieselben ausgegeben werden. Da eine Änderung in einer Verzögerungszeit hinsichtlich einer Übertragung über die Übertragungsleitung vorhanden ist, wird ein Taktsignal, das auf das Empfangsdatensignal synchronisiert ist, regeneriert, und der Diskriminator 400 wird durch das Taktsignal getriggert.
17 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau der Zeitgebungs-Extraktionseinheit zeigt. Die Zeitgebungs-Extraktionseinheit schließt einen Datenflankendetektor 110 zum Erfassen von vorderen und hinteren Flanken des Datensignals, ein Bandpassfilter (BPF) 111, das eine Mittenfrequenz identisch zu der Bitrate der Daten um eine Charakteristik aufweist, die ein sehr hohes Q aufzeigt, das allgemein in der Größenordnung von 1000 ist, und einen Begrenzerverstärker 112 zum Verstärken und Formen der Wellenform des BPF-Ausgangs ein. 18 ist ein Diagramm, das die F-Charakteristik des BPF 111 zeigt, wobei F₀ die Mittenfrequenz des BPF und Δf die 3 dB-Bandbreite des BPF 111 darstellt. Dementsprechend ist Q gegeben wie folgt: Q = f0/Δf
Obwohl die Schaltungen nicht gezeigt sind, schließt der Datenflankendetektor 111 eine Verzweigungsschaltung zum Verzweigen des Datensignals in zwei Richtungen, eine Verzögerungsschaltung zum Verzögern, um eine vorbeschriebene Zeitlänge, eines der verzweigten Datensignale, und eine EX-ODER-(Exklusiv-ODER)-Schaltung für die Exklusiv-ODER-Verknüpfung zwischen dem Datensignal und dem Ausgangssignal der Verzögerungsschaltung, um ein Flankensignal zu erzeugen, das Pulse an den vorderen und hinteren Flanken des Datensignals aufweist, ein.
19 ist ein Wellenformdiagramm, das den Betrieb der Komponenten in der Zeitgebungs-Extraktionseinheit zeigt. Der Datenflankendetektor 111 erzeugt Pulse bei den vorderen und hinteren Flanken des Datensignals, das Bandpassfilter 111 extrahiert, die Taktkomponente, die eine Frequenz identisch zu der Bitrate der Daten aufweist, aus dem Ausgang des Datenflankendetektors 111, und der Begrenzerverstärker 112 verstärkt und formt die Wellenform der Taktkomponente.
Parallel zu dem oben beschriebenen Betrieb erfasst der Taktdetektor 500 die Amplitude des Taktsignals, das von der Zeitgebungs-Extraktionseinheit 300 extrahiert ist, vergleicht die Taktsignalamplitude mit einer Referenz und gibt ein Lichteingangs-Unterbrechungsalarmsignal aus, wenn die Taktsignalamplitude geringer als die Referenz ist. Das S/N-Verhältnis des Datensignals, das von dem Entzerrerverstärker 200 ausgegeben wird, verschlechtert sich, wenn ein Abfall in der Lichteingangsleistung vorhanden ist. Wenn sich das S/N-Verhältnis des Dateneingangssignals verschlechtert, dann fällt die Amplitude des Taktsignals, das von der Zeitgebungs-Extraktionseinheit 300 extrahiert ist, ab. Folglich ist der Taktsignaldetektor 500 in der Lage, das Lichteingangs-Unterbrechungsalarmsignal auf ein Erfassen der Unterbrechung des Lichtsignals durch ein Vergleichen der Taktsignalamplitude, die von der Zeitgebungs-Extraktionseinheit 300 extrahiert ist, mit der Referenz zu erzeugen.
Bestimmte Probleme treten auf, wenn die Taktsignalamplitude erfasst wird. Diese Probleme werden nun beschrieben werden.
Eine Extraktion des Taktsignals wird durch ein Koppeln der Zeitgebungs-Extraktionseinheit 300 und des Taktsignaldetektors 400 über einen Kondensator 121 durchgeführt, wie in 20A veranschaulicht. Folglich kann die Taktsignalamplitude benutzt werden, um einen Lichteingang zu erfassen, und eine Unterbrechung des Lichteingangs wird eine Hälfte des Spitze-zu-Spitze-Werts, wie in 20B gezeigt, als Folge dessen eine Erfassungseffizienz abnimmt. Dementsprechend ist es, um eine Unterbrechung des Lichteingangs zu erfassen und einen Alarm zu erzeugen, notwendig, einen Verstärker bereit zu stellen, der zu einem Hochgeschwindigkeitsbetrieb in der Lage ist und eine hohe Verstärkung aufweist. Zusätzlich muss eine Ausgangslinearität (Begrenzeramplitudenwert) verbessert werden, um eine ausreichende Amplitude sicherzustellen. Jedoch ist ein derartiger Verstärker im Allgemeinen kostenintensiv und verbraucht eine große Energiemenge.
Ferner muss ein effektives Verfahren zum Erfassen einer Taktsignalamplitude die Gleichspannungs-Komponente des Taktsignals in der Weise einer Diodenklemmeinheit regenerieren. Mit einer Diodenklemmeinheit werden die Wirkungen einer parasitären Kapazität und dergleichen jedoch deutlicher, wenn die Taktsignalfrequenz in der Gigahertz-Größenordnung ist, als Folge dessen eine zufrieden stellende Gleichstromregenerierung nicht mehr durchgeführt werden kann.
Ferner ist das Verfahren zum Erfassen einer Taktsignalamplitude im Allgemeinen ein Spitzenwert-Erfassungsverfahren unter Verwendung einer Diode. Jedoch tritt, wenn die Bitrate mehrere Gigahertz überschreitet, eine Bandbreitenstörung aufgrund der parasitären Kapazität der Diode auf, als Folge dessen eine Erfassungseffizienz abnimmt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Taktsignal-Erfassungsschaltung bereitzustellen, die in der Lage ist, eine Gleichspannung im Wesentlichen gleich dem Amplitudenwert eines Taktsignals zu erzeugen, so dass die Taktsignalamplitude auf eine hocheffiziente Weise erfasst werden kann.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Taktsignal-Erfassungsschaltung bereitzustellen, bei welcher eine Zuführung einer Energie außer Masse grundsätzlich nicht erforderlich ist, wodurch es möglich ist, einen Energieverbrauch zu verringern.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Taktsignal-Erfassungsschaltung bereitzustellen, bei welcher ein kostenintensiver Verstärker oder dergleichen nicht erforderlich ist, und bei welcher ein Takterfassungsausgang groß ist.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung werden die voranstehenden Aufgaben durch ein Bereitstellen einer Taktsignal-Erfassungsschaltung zum Erfassen eines Taktsignals gelöst, umfassend eine Übertragungsschaltung zum Übertragen eines Taktsignals und eines reflektierten Signals, das durch ein Reflektieren des Taktsignals erhalten wird, und eine Mittelungsschaltung, die an der Ausgangsseite der Übertragungsschaltung bereitgestellt ist, wobei die Übertragungsschaltung eine Diode, in welcher ein Taktsignal eingegeben wird, eine Übertragungsleitung einer Impedanz Z₀, die ein Ende verbunden mit der Diode aufweist, und eine Reflektionslast einer Impedanz Z_L (Z_L ≠ Z₀), die mit einem anderen Ende der Übertragungsleitung verbunden ist, einschließt, wobei das Taktsignal unter Verwendung einer Reflektion des Taktsignals in der Reflektionslast verstärkt wird, und die Mittelungsschaltung eine Takterfassungsspannung ausgibt.
Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung, die in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen genommen wird, offensichtlich werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den Zeichnungen zeigen:
1 ein Diagramm, das zweckmäßig zum Beschreiben einer Lösung ist, die durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt wird;
2 ein Diagramm (eines Aufbaus einer Takterfassungsschaltung), das zweckmäßig zum Beschreiben der Prinzipien der vorliegenden Erfindung ist;
3 ein Diagramm, das zweckmäßig zum Beschreiben des Betriebs einer Diode ist, die in der Schaltung der 2 enthalten ist;
4 ein Diagramm, das die Phasenbeziehung eines Eingangssignals und eines Ausgangssignals zeigt;
5 ein Diagramm, das eine Taktsignal-Erfassungsschaltung vom Hochimpedanz-Reflexionstyp gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
6 ein Diagramm, das den Aufbau einer Taktmittelungsschaltung zeigt;
7A, 7B und 7C Diagramme, die zweckmäßig zum Beschreiben von Übertragungsleitungen sind;
8 ein Diagramm, das eine Taktsignal-Erfassungsschaltung vom Niedrig-Impedanz-Reflexionstyp gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
9 ein Diagramm, das ein Simulationsmodell (eines Hochimpedanz-Reflexionstyps) veranschaulicht;
10 ein Diagramm, das ein Simulationsmodell (eines Niedrig-Impedanz-Reflexionstyps) veranschaulicht;
11 ein Diagramm, das die Ergebnisse von Simulationen (mit einer Übertragungsleitungslänge als ein Parameter) veranschaulicht;
12 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einem Reflektionswiderstandswert und einer Takterfassungsspannung zeigt;
13 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einer Reflektionsinduktanz und einer Takterfassungsspannung zeigt;
14 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einem Reflexionskapazitätswert und einer Takterfassungsspannung zeigt;
15 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Widerstandswert einer Mittelungsschaltung und einer Takterfassungsspannung zeigt;
16 ein Blockdiagramm, das den Aufbau eines Lichtempfängers gemäß dem Stand der Technik zeigt;
17 ein Blockdiagramm, das den Aufbau einer Zeitgebungs-Extraktionseinheit gemäß dem Stand der Technik zeigt;
18 ein charakteristisches Diagramm, das die f-Charakteristik eines Bandpassfilters zeigt;
19 ein Zeitdiagramm der Zeitgebungs-Extraktionseinheit gemäß dem Stand der Technik;
20A ein Diagramm, das die Verbindung zwischen einer Zeitgebungs-Extraktionseinheit und einem Taktdetektor gemäß dem Stand der Technik zeigt; und
20B ein Diagramm, das zweckmäßig zum Beschreiben der Ausgangswellenform (bei einer Eingabe von Licht und bei einer Unterbrechung der Lichteingabe) der Zeitgebungs-Extraktionseinheit ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
(A) Übersicht über die vorliegende Erfindung
1 ist ein Diagramm zum Beschreiben einer Übersicht der vorliegenden Erfindung. In 1 gezeigt sind eine Taktsignal-Eingangsschaltung 1 zum Eingeben eines Taktsignals, das von einer Zeitgebungs-Extraktionseinheit (nicht gezeigt) extrahiert worden ist, in die Erfassungsseite, eine Übertragungsschaltung 2 zum Übertragen eines Taktsignals und eines reflektierten Signals, das durch ein Reflektieren des Taktsignals erhalten wird, und eine Mittelungsschaltung 3, die an der Ausgangsseite der Übertragungsschaltung 2 bereitgestellt ist. Die Übertragungsschaltung 2 schließt eine Diode 11, in welche das Taktsignal eingegeben wird, eine Übertragungsleitung 12 einer Impedanz Z₀, die ein Ende verbunden mit der Diode 11 aufweist, und eine Reflektionslast 13 einer Impedanz Z_L (Z_L ≠ Z₀), die mit dem anderen Ende der Übertragungsleitung 12 verbunden ist. Wenn eine Spannung VD IN auf der Anodenseite der Diode 11 größer als eine Spannung VD OUT auf der Kathodenseite der Diode ist, wird das Taktsignal in die Übertragungsleitung 12 zugeführt und kommt an der Reflektionslast 13 nach einem Verstreichen einer vorgeschriebenen Verzögerungszeit an. Wenn die Spannung VD IN auf der Anodenseite der Diode 11 kleiner als die Spannung VD OUT auf der Kathodenseite wird, wird das Taktsignal von der Reflektionslast 13 reflektiert und kehrt zu der Kathode der Diode 11 über die Übertragungsleitung 12 zurück. Diese Einführung und Reflektion des Taktsignals wird bei der Taktsignalperiode wiederholt, so dass die Amplitude auf der Ausgangsseite der Diode vergrößert wird, wodurch es ermöglicht wird, aus der Mittelungsschaltung 3 eine Gleichspannung im Wesentlichen gleich dem Amplitudenwert des Taktsignals zu extrahieren. Mit der oben beschriebenen Takt-Signalerfassungsschaltung ist eine Zufuhr von Energie außer Masse grundsätzlich nicht erforderlich, wodurch es möglich ist, einen Energieverbrauch zu verringern. Außerdem ist ein kostenintensiver Verstärker oder dergleichen nicht erforderlich.
Eine Taktsignal-Erfassungsschaltung vom Hochimpedanz-Reflexionstyp ist unter Verwendung eines Widerstands als die Reflektionslast 13 der 1, die ein Ende dieses Widerstands seriell mit dem anderen Ende der Übertragungsleitung 12 verbindet, und durch ein kapazitätsmäßiges Erden des anderen Endes Widerstands aufgebaut. Eine Taktsignal-Erfassungsschaltung vom Hochimpedanz-Reflexionstyp ist auf ähnliche Weise unter Verwendung eines Induktanzelements als die Reflektionslast 13, die ein Ende dieses Induktanzelements seriell mit dem anderen Ende der Übertragungsleitung 12 verbindet, und durch ein kapazitätsmäßiges Erden des anderen Endes des Induktanzelements aufgebaut. Eine Taktsignal-Erfassungsschaltung vom Niedrig-Impedanz-Reflexionstyp ist unter Verwendung eines Kondensators als die Reflektionslast 13, die ein Ende dieses Kondensators seriell mit dem anderen Ende der Übertragungsleitung 12 verbindet, und durch ein Erden des anderen Endes des Kondensators aufgebaut.
Wenn die Wellenlänge des Taktsignals durch λ dargestellt wird, dann wird die Länge der Übertragungsleitung in der Taktsignal-Erfassungsschaltung vom Hochimpedanz-Reflexionstyp auf 0,4 λ ~ 0,43 λ ausgeführt. Eine derartige Anordnung ermöglicht es, die Takterfassungsspannung zu vergrößern. Wenn die Wellenlänge des Taktsignals durch λ dargestellt wird, dann wird die Länge der Übertragungsleitung bei der Taktsignal-Erfassungsschaltung vom Niedrig-Impedanz-Reflexionstyp auf 0,15 λ ~ 0,20 λ ausgeführt. Dies ermöglicht es auch, die Takterfassungsspannung zu vergrößern.
(B) Prinzip der vorliegenden Erfindung
2 ist ein Diagramm zum Beschreiben des Prinzips der vorliegenden Erfindung, und 3 ist ein Diagramm, das zweckmäßig zum Beschreiben des Betriebs der Diode 11 ist, und 4 ist ein Diagramm, das die Phasenbeziehung des Eingangssignals VD IN und des Ausgangssignals VD OUT der Diode zeigt.
In 2 gezeigt sind die Taktsignal-Eingangsschaltung 1, die einen Kopplungskondensator C1 und einen Widerstand R1 umfasst, zum Eingeben eines Taktsignals, das von der Zeitgebungs-Extraktionseinheit (nicht gezeigt) extrahiert worden ist, in die Erfassungsseite, die Übertragungsschaltugn 2 zum Übertragen, in wechselseitig entgegengesetzten Richtungen, eines Taktsignals und eines reflektierten Signals, das durch ein Reflektieren des Taktsignals erhalten wird, und die Mittelungsschaltung 3, die an der Ausgangsseite der Übertragungsschaltung 2 bereitgestellt ist.
Die Übertragungsschaltung 2 schließt die Diode 11, die einen Anodenanschluss aufweist, in welchem das Taktsignal eingegeben wird, die Übertragungsleitung 12 einer Impedanz Z₀, die ein Ende verbunden mit dem Kathodenanschluss der Diode 11 aufweist, und die Reflektionslast 13 einer Impedanz Z_L (Z_L ≠ Z₀) ein, die mit dem anderen Ende der Übertragungsleitung 12 verbunden ist.
Wenn das Taktsignal (Eingangssignal) VD IN in den Anodenanschluss der Diode 11 gelangt, erscheint das Ausgangssignal VD OUT an der Kathode der Diode 11. Das Ausgangsignal VD OUT der Diode 11 erreicht die Reflektionslast 13 über die Übertragungsleitung 12. Wenn die Beziehung zwischen der Impedanz Z₀ der Übertragungsleitung 12 und der Impedanz Z_L der Reflektionslast 13 derart ist, dass Z₀ << Z_L oder Z₀ >> Z_L gilt, das Signal, das über die Übertragungsleitung 12 angekommen ist, an einem Reflektionspunkt V_R reflektiert. Das an dem Reflektionspunkt V_R reflektierte Signal wird zurück zu dem Kathodenanschluss der Diode 11 in der entgegen gesetzten Richtung über die Übertragungsleitung 12 gesendet.
In einem Intervall T1, in welchem das Eingangssignal VD IN nacheinander das Ausgangssignal VD OUT übertrifft, wie in 3 gezeigt, schaltet die Diode 11 ein, die Impedanz an ihrem Kathodenanschluss nimmt ab, das Ausgangssignal VD OUT wird geklemmt, und eine Energie wird in die Übertragungsleitung 12 gespeist. In einem Intervall T2, in welchem das Ausgangssignal VD IN geringer als das Ausgangssignal VD OUT ist, schaltet die Diode 11 aus, die Impedanz an ihrem Kathodenanschluss steigt an (>> Z₀), und das Signal, das an dem Reflektionspunkt V_R reflektiert wird, wird wieder zu dem Kathodenanschluss der Diode 11 in der entgegen gesetzten Richtung über die Übertragungsleitung 12 zurück gesendet. Die Einführung einer Energie und einer Reflektion wird zu der Periode des Taktsignals wiederholt. Spezifischer arbeitet die Diode 11 in zwei Modi, nämlich einem Energieeinführungsmodus und einem mehrfachen Reflektionsmodus in einer Periode des Takts. Aufgrund dieser Interaktion nimmt die Amplitude des Ausgangssignals VD OUT zu und ebenso die Gleichspannungskomponente VDC, als Folge dessen die Mittelungsschaltung 3 in der Lage ist, eine große Erfassungsspannung auszugeben, die der Taktsignalamplitude entspricht.
4 ist ein Diagramm, das zweckmäßig zum Beschreiben der Phasenbeziehung zwischen dem Eingangssignal VD IN und dem Ausgangssignal VD OUT in dem stationären Zustand in einem Fall ist, wo das Ausgangssignal VD OUT hinter dem Eingangssignal VD IN um 3 λ/4 zurückbleibt, wobei λ die Wellenlänge des Taktsignals darstellt. Wenn die Übertragungsleitungslänge der Übertragungsleitung 12 auf eine derartige Weise eingestellt worden ist, dass das Ausgangssignal VD OUT um 3 λ/4 bezüglich dem Eingangssignal VD IN verzögert ist, kann die Amplitude des Ausgangssignals VD OUT vergrößert werden, und ebenso die Gleichspannungskomponente VDC. Dementsprechend kann die Erfassungseffizienz des Taktsignals durch ein Ausgeben des Gleichspannungskomponenten-(Mittelwert)-Ausgangssignals V0 OUT zu dieser Zeit vergrößert werden.
(C) Ausführungsform
(a) Erste Ausführungsform
5 ist ein Diagramm, das eine Ausführungsform einer Taktsignal-Erzeugungsschaltung veranschaulicht, bei welcher die Reflektionslast eine hohe Impedanz ist. Komponenten identisch zu jenen der in 2 gezeigten Anordnung sind durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet.
In 5 gezeigt sind die Taktsignal-Eingangsschaltung 1, die den Kopplungskondensator C1 und den Widerstand R1 umfasst, zum Eingeben des Taktsignals, das durch die Zeitgebungs-Extraktionseinheit extrahiert ist, in die Erfassungsseite, die Übertragungsschaltung 2 zum Übertragen, in wechselseitig entgegen gesetzten Richtungen, des Taktsignals und des reflektierten Signals, das durch ein Reflektieren des Taktsignals erhalten wird, und die Mittelungsschaltung 3, die an der Ausgangsseite der Übertragungsschaltung 2 bereitgestellt ist.
Die Übertragungsschaltung 2 schließt die Diode 11, die einen Anodenanschluss aufweist, in welchem das Taktsignal eingegeben wird, die Übertragungsleitung 12 einer Impedanz Z₀, die ein Ende verbunden mit dem Kathodenanschluss der Diode 11 aufweist, die Reflektionslast 13 einer Impedanz Z_L (Z_L >> Z₀), die mit dem anderen Ende der Übertragungsleitung 12 verbunden ist, und eine Kapazitäts-Masse 14 zum kapazitätsmäßigen Erden des anderen Endes der Reflektionslast 13 durch den Kondensator C2 ein.
Wie in 6 gezeigt, umfasst die Mittelungsschaltung 3 ein Wechselspannungskomponenten-eliminierendes Induktanzelement 3a, wovon ein Ende seriell mit der Reflektionslast 13 verbunden ist, eine Parallelschaltung, die aus einem Widerstand 3b und einem Kondensator 3c besteht, die zwischen dem anderen Ende des Induktanzelements 3a und Masse verbunden sind. Eine Gleichspannungstaktkomponente (mittlere Spannung) wird aus dem Punkt ausgegeben, bei welchem das Induktanzelement 3a und die Parallelschaltung verbunden sind. Die Parallelschaltung bestimmt die Entladezeitkonstante der Erfassungsspannung.
Damit die Diode 11 der Übertragungsschaltung 2 wiederholt bei einer hohen Geschwindigkeit ein- und ausgeschaltet wird, ist es erforderlich, dass sowohl die parasitäre Kapazität als auch die EIN-Spannung klein sind. Eine Schottky-Diode ist deswegen zur Verwendung als die Diode 11 ideal.
Da es erforderlich ist, dass die Übertragungsleitung 12 eine Reflektion herbeiführt, wenn die Impedanz der Kathode der Diode 11 hoch ist, sollte die Impedanz Z₀ der Diode in der Größenordnung von 50 ~ 100 Ω sein. Die Übertragungsleitung 12 ist unter Verwendung einer Koaxialleitung, einer Mikrostreifenleitung, einer coplanaren Leitung oder einer Verzögerungsleitung, etc. aufgebaut. Die 7A bis 7C veranschaulichen Beispiele von Übertragungsleitungen, wobei 7A eine Koaxialleitung veranschaulicht, die aus einem Innenleiter 12a–1 und einem Außenleiter 12a–2 von Radien a bzw. b besteht, 7B eine Mikrostreifenleitung, die durch ein Aufbringen eines dielektrischen Substrats 12b–2 auf einem Masseleiter 12b–1 und ein Anordnen eines Streifenleiters 12b–3 einer Breite B auf dem Substrat erhalten wird, und 7C eine coplanare Leitung, die durch ein Anordnen von Masseleitern 12c–2, 12c–2 auf beiden Seiten eines dielektrischen Substrats 12c–1 und ein Anordnen eines Streifenleiters 12c–3 zwischen den Masseleitern 12c–2, 12c–2 erhalten wird. Die Übertragungsleitungslänge wird später beschrieben werden, da sich dies auf die Impedanz des Reflektionspunkts V_R bezieht.
Die Last Z_L der Reflektionslast 13 ist hoch, relativ zu der Impedanz Z₀ der Übertragungsleitung 12, eingestellt (d.h. Z₀ << Z_L). Die hohe Impedanz wird eingestellt, indem die Reflektionslast als ein Widerstand oder ein Impedanzelement ausgeführt wird.
(b) Zweite Ausführungsform
8 ist ein Diagramm, das eine Ausführungsform einer Taktsignal-Erfassungsschaltung veranschaulicht, bei welcher die Reflektionslast eine niedrige Impedanz ist. Komponenten, die identisch zu jenen der Anordnung, die in 2 gezeigt ist, sind durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von jener der ersten Ausführungsform dahingehend, dass die Impedanz der Reflektionslast 13 auf eine niedrige Impedanz (Z₀ >> Z_L) relativ zu der Impedanz der Übertragungsleitung eingestellt ist. Um dies zu erreichen, ist die Reflektionslast 13 durch ein kapazitätsmäßiges Erden des Anschlusses der Übertragungsleitung 12 durch einen Kondensator C2 aufgebaut.
(D) Optimale Länge der Übertragungsleitung
Die Übertragungsleitungslänge wird auf eine derartige Weise berechnet, dass die Taktsignal-Erfassungsspannung in der Ausführungsform (5), bei welcher die Reflektionslast eine hohe Impedanz aufweist, und in der Ausführungsform (8), bei welcher die Reflektionslast eine niedrige Impedanz aufweist, maximiert werden wird.
9 zeigt eine Takterfassungsschaltung vom Hochimpedanz-Reflektionstyp, und 10 veranschaulicht eine Takterfassungsschaltung vom Niedrig-Impedanz-Reflexionstyp. Ein Bezugszeichen in 10 bezeichnet einen Ausgangswiderstand. 11 ist ein Diagramm, das die Ergebnisse einer Simulation veranschaulicht, die erhalten wird, wenn die Übertragungsleitungslänge als ein Parameter in jedem der Modelle der 9 und 10 eingesetzt wird. Wenn die Länge der Übertragungsleitung 12 auf der Grundlage der Simulationsergebnisse optimiert wird, kann die Taktsignal-Erfassungsspannung 0,5 V bezüglich eines Taktsignaleingangs ausgeführt werden, der einen Spitzen-zu-Spitzen-Pegel von 0,5 V_p–p aufweist, und ein Wirkungsgrad von im Wesentlichen 100% kann erhalten werden.
Ferner wird, indem λ die Wellenlänge des Taktsignals darstellt, die optimale Übertragungsleitungslänge 0,42 × λ für eine Strecke, und 0,84 × λ hin und zurück in dem Fall einer Takterfassungsschaltung vom Hochimpedanz-Reflexionstyp und 0,17 × λ für einen Weg und 0,34 × λ hin und zurück in dem Fall der Takterfassungsschaltung vom Niedrig-Impedanz-Reflexionstyp sein. Der Grund, warum die optimale Übertragungsleitungslänge der Takterfassungsschaltung vom Niedrig-Impedanz-Reflexionstyp kürzer ist, besteht darin, dass eine Phase um gerade 0,5 × λ zu der Zeit einer Reflektion vorrückt. Wenn diese Phasenvorrückung berücksichtigt wird, wird die optimale Übertragungsleitungslänge hin und zurück 0,84 × λ sein, was mit jener der Hochimpedanz-Takterfassungsschaltung übereinstimmt.
Somit kann, wenn die Übertragungsleitungslänge zu 0,4 λ ~ 0,43 λ in dem Fall der Takterfassungsschaltung vom Hochimpedanz-Reflexionstyp und zu 0,15 λ ~ 0,20 λ in dem Fall der Takterfassungsschaltung vom Niedrig-Impedanz-Reflexionstyp ausgeführt wird, dann eine große Takterfassungsspannung erhalten werden. Ferner sollte, um die Länge der Übertragungsleitung zu verringern, die Anordnung vom Niedrig-Impedanz-Reflexionstyp (die in den 8, 10 gezeigt ist) eingesetzt werden.
(E) Optimaler Bereich der Reflektionslast-Impedanz
Die Weise, in welcher eine Taktsignal-Erfassungsspannung variiert, wurde unter Verwendung der Impedanz der Reflektionslast als ein Parameter berechnet. Die Simulationsmodelle waren die Schaltungen der 9 und 10, wobei die Taktsignalbedingungen eine Frequenz von GHz und eine Amplitude von 0,5 V_p–p waren.
(a) Hochimpedanz-Reflexion unter Verwendung eines Widerstands als Reflektionslast.
12 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einer Takterfassungsspannung (mV) und einem Reflektions-Widerstandswert (Ω) in einem Fall zeigt, wo die Reflektionslast 13 (9) als der Widerstand R2 (dessen Widerstandswert r2 ist) ausgeführt ist. Die charakteristische Impedanz Z₀ der Übertragungsleitung 12 ist auf 80 Ω eingestellt. Es ist aus 12 zu verstehen, dass eine ausreichende Takterfassungsspannung erhalten wird, wenn der Reflektions-Widerstandswert r2 größer als die charakteristische Impedanz Z₀ um einen Faktor von 10 oder größer ausgeführt wird. Wenn der Widerstandswert r2 zu groß ausgeführt wird, wird die Erfassungsspannung, die durch eine Potentialteilung durch den Widerstand R2 und den Widerstand R3 in der Mittelungsschaltung 3 erhalten wird, jedoch abnehmen.
Dementsprechend wird der höchste Taktsignal-Erfassungspegel erreicht, wenn der Reflektions-Widerstandswert innerhalb des Bereichs 1 ~ 10 KΩ ist. Es sei darauf hingewiesen, dass dieser Bereich von Widerstandswerten unabhängig von der Taktfrequenz bestimmt ist.
Somit wird eine zufrieden stellende Takterfassungsspannung erhalten, wenn die Übertragungsleitungslänge zu 0,4 λ ~ 0,43 λ ausgeführt wird und der Reflektions-Widerstandswert r2 eingestellt wird, zehn bis 100 mal größer als die spezifische Impedanz Z₀ zu sein.
(b) Hochimpedanz-Reflexion unter Verwendung eines Induktanzelements als eine Reflektionslast
13 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einer Takterfassungsspannung (mV) und einer Induktanz (nH) in einem Fall zeigt, wo die Reflektionslast 13 (9) als das Induktanzelement L ausgeführt ist. Die charakteristische Impedanz Z₀ der Übertragungsleitung 12 ist auf 80 Ω eingestellt. Es ist aus 13 zu verstehen, dass die Takterfassungsspannung mit einer Zunahme in der Induktanz zunimmt. Wenn die Induktanz größer als 100 nH ausgeführt wird, wird eine Erfassungsspannung, die mehr als das Dreifache der Eingangsamplitude des Taktsignals ist, erhalten. Dies ist ein Wert, der mit einer Taktfrequenz von 10 GHz belegt werden kann; wenn die Taktfrequenz variiert, tut dies die Impedanz ebenso.
Dementsprechend wird die Übertragungsleitungslänge zu 0,4 λ 0,43 λ ausgeführt, und die Reflektionsimpedanz wird in Abhängigkeit von der Taktfrequenz auf eine derartige Weise bestimmt, dass die Takterfassungsspannung maximiert werden wird.
(c) Niedrig-Impedanz-Reflexion unter Verwendung eines Kondensators als Reflektionslast
14 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einer Takterfassungsspannung (mV) und der Kapazität (pF) eines Reflektionskondensators in einem Fall zeigt, wo die Reflektionslast 13 als ein Kondensator ausgeführt ist (10). Die charakteristische Impedanz Z₀ der Übertragungsleitung 12 ist auf 80 Ω eingestellt. Es ist aus 14 zu verstehen, dass eine Erfassungsspannung größer als die Eingangsamplitude um einen Faktor von Vier erhalten wird, wenn die Kapazität 10 pF ist, und dass die Erfassungsspannung für andere Kapazitätswerte abfällt. Dies ist ein Wert, der mit einer Taktfrequenz von 10 GHz belegt werden kann; wenn die Taktfrequenz variiert, tut es der optimale Wert ebenso.
Dementsprechend wird die Übertragungsleitungslänge zu 0,15 λ ~ 0,20 λ ausgeführt, und der Reflektionskapazitätswert wird in Abhängigkeit von der Taktfrequenz auf eine derartige Weise bestimmt, dass die Takterfassungsspannung maximiert werden wird.
(F) Optimaler Wert des Widerstands R3 in der Mittelungsschaltung 3
Die Weise, in welcher eine Taktsignal-Erfassungsspannung variiert, wurde unter Verwendung des Werts r3 des Widerstands R3 in der Mittelungsschaltung 3 der Takterfassungsschaltung vom Hochimpedanz-Reflexionstyp als der Parameter berechnet. Die Taktsignalbedingungen waren eine Frequenz von 10 GHz und eine Amplitude von 0,5 V_p–p, die charakteristische Impedanz Z₀ der Übertragungsleitung 12 betrug 80 Ω, und der Widerstandswert r2 der Reflektionslast betrug 10 bis 100 mal der charakteristischen Impedanz Z₀, z.B. 3 KΩ.
15 ist ein charakteristisches Diagramm einer Takterfassungsspannung (mV), die über dem Widerstandswert r3 (Ω) aufgetragen ist. Es ist zu verstehen, dass dann, wenn der Widerstandswert r3 zu 30 kΩ oder größer ausgeführt wird, dann die mittlere Schaltungsdämpfung im Wesentlichen vernachlässigbar wird. Dies liegt daran, dass der Einfluss des Spannungsteilerverhältnisses des Reflektionswiderstands R2 eliminiert ist. Das heißt, dass, wenn r2 (der Widerstandswert des Widerstands R2, der als die Reflektionslast 13 dient) und r3 (der Widerstandswert des Widerstands R3 der Mittelungsschaltung 3) so bestimmt werden, die folgenden Gleichungen zu erfüllen:
r2 = 10 ~ 100 mal so groß wie die charakteristische Impedanz Z₀
r3 = zehn oder mehrere Male so groß wie r2
dann eine Takterfassungsspannung entsprechend der Taktsignalamplitude als ein Ausgang erzeugt werden kann.
Somit wird in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung eine Takterfassungsschaltung bereitgestellt, die eine Übertragungsschaltung zum Übertragen eines Taktsignals und eines reflektierten Signals, das durch ein Reflektieren des Taktsignals erhalten wird, und eine Mittelungsschaltung, die an der Ausgangsseite der Übertragungsschaltung bereitgestellt ist, umfasst, und die Übertragungsschaltung schließt eine Diode, in welcher ein Taktsignal eingegeben wird, eine Übertragungsleitung einer Impedanz Z₀, die ein Ende verbunden mit der Diode aufweist, und eine Reflektionslast einer Impedanz Z_L (Z_L ≠ Z₀), die mit dem anderen Ende der Übertragungsleitung verbunden ist, ein. Das Taktsignal wird unter Verwendung einer Reflektion des Taktsignals in der Reflektionslast verstärkt, und die Mittelungsschaltung gibt eine Takterfassungsspannung aus. Folglich kann eine Gleichspannung gleich dem Amplitudenwert des Taktsignals extrahiert werden. Außerdem ist eine Zufuhr einer Energie außer Masse grundsätzlich nicht erforderlich, und es ist möglich, einen Energieverbrauch zu verringern. Außerdem ist es möglich, auf einen kostenintensiven Verstärker oder dergleichen zu verzichten.
Ferner ist es in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung möglich, jedwede einer Koaxialleitung, einer Mikrostreifenleitung, einer coplanaren Leitung oder einer Verzögerungsleitung, etc. als die Übertragungsleitung zu verwenden. Dies ermöglicht es, eine Taktsignal-Erfassungsschaltung einfach und kostengünstig aufzubauen.
Ferner ist es in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung möglich, eine Taktsignalerfassungsschaltung vom Hochimpedanz-Reflexionstyp durch ein Verwenden eines Widerstands oder eines Impedanzelements als die Reflektionslast, durch ein Verbinden des Widerstands oder des Induktanzelements seriell mit dem anderen Ende der Übertragungsleitung und durch ein kapazitätsmäßiges Erden des anderen Endes des Widerstands oder des Induktanzelements aufzubauen. Alternativ ist es möglich, eine Taktsignal-Erfassungsschaltung vom Niedrig-Impedanz-Reflexionstyp durch eine Verwendung eines Kondensators als die Reflektionslast, durch ein Verbinden des Kondensators seriell mit dem anderen Ende der Übertragungsleitung und durch ein Erden des anderen Endes des Kondensators aufzubauen. Falls nötig, können Taktsignal-Erfassungsschaltungen, die eine Vielfalt von Aufbauten aufweisen, eingesetzt werden.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung können, indem 0,4 λ ~ 0,43 λ als die Übertragungsleitungslänge der Taktsignal-Erfassungsschaltung vom Hochimpedanz-Reflexionstyp eingesetzt wird, und 0,15 λ ~ 0,20 λ als die Übertragungsleitungslänge einer Taktsignal-Erfassungsschaltung vom Niedrig-Impedanz-Reflexionstyp eingesetzt wird, die Takterfassungsspannungen in jeder dieser Anordnungen vergrößert werden, und die Übertragungsleitungslängen können auf einfache Weise bestimmt werden.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung kann, indem Z₀ die Charakteristik der Übertragungsleitung, r2 den Reflektions-Widerstandswert und r3 den Widerstandswert des Widerstands in der Mittelungsschaltung darstellen, die Takterfassungsspannung durch ein Bestimmen der Werte von r2 und r3 vergrößert werden, um so die folgenden Gleichungen zu erfüllen:
r2 = 10 ~ 100 mal so groß wie Z₀
r3 = zehn oder mehrere Male so groß wie r2
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung kann eine Takterfassungsspannung größer als der Taktsignalamplitudenwert durch ein Einsetzen von 0,4 λ ~ 0,43 λ als die Übertragungsleitungslänge einer Taktsignal-Erfassungsschaltung vom Hochimpedanz-Reflexionstyp, unter Verwendung eines Induktanzelements als die Reflektionslast und durch ein Einstellen der Induktanz des Induktanzelements auf einen geeigneten Wert ausgegeben werden.
Ferner kann in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung eine Takterfassungsspannung größer als der Taktsignal-Amplitudenwert durch ein Einsetzen von 0,15 λ ~ 0,20 λ als die Übertragungsleitungslänge einer Taktsignal-Erfassungsschaltung vom Niedrigimpedanz-Reflexionstyp unter Verwendung eines Kondensators als die Reflektionslast und durch ein Einstellen der Kapazität des Kondensators auf einen geeigneten Wert ausgegeben werden.

Claims

Taktsignal-Erfassungsschaltung zum Erfassen eines Taktsignals, umfassend: eine Übertragungsschaltung zum Übertragen eines Taktsignals und eines reflektierten Signals, das durch ein Reflektieren des Taktsignals erhalten wird; und eine Mittelungsschaltung, die an der Ausgangsseite der Übertragungsschaltung bereitgestellt ist; wobei die Übertragungsschaltung einschließt: eine Diode, in welche das Taktsignal eingegeben wird; eine Übertragungsschaltung einer Impedanz Z₀, die ein erstes Ende verbunden mit der Diode aufweist; und eine Reflektionslast einer Impedanz Z_L mit Z_L ≠ Z₀, die ein erstes Ende verbunden mit einem zweiten Ende der Übertragungsleitung aufweist; wobei das Taktsignal unter Verwendung einer Reflektion des Taktsignals in der Reflektionslast verstärkt wird und die Mittelungsschaltung eine Takterfassungsspannung ausgibt.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Übertragungsschaltung durch eine aus einer Koaxialleitung, einer Mikrostreifenleitung, einer coplanaren Leitung und einer Verzögerungsleitung ausgebildet ist.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei ein Widerstand, der als die Reflektionslast dient, in Reihe an seinem ersten Ende mit dem zweiten Ende der Übertragungsleitung verbunden ist, und ein zweites Ende des Widerstands kapazitätsmäßig geerdet ist.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei ein Induktanzelement, das als die Reflektionslast dient, in Reihe an seinem ersten Ende mit dem zweiten Ende der Übertragungsleitung verbunden ist, und ein zweites Ende des Induktanzelements kapazitätsmäßig geerdet ist.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei ein Kondensator, der als die Reflektionslast dient, in Reihe an seinem ersten Ende mit dem zweiten Ende der Übertragungsleitung verbunden ist, und ein zweites Ende des Kondensators geerdet ist.
Schaltung nach Anspruch 3, wobei die Mittelungsschaltung mit dem zweiten Ende des Widerstands verbunden ist, der als die Reflektionslast dient, und die Mittelungsschaltung einschließt: ein Induktanzelement, das in Reihe an seinem ersten Ende mit dem Widerstand verbunden ist, und eine aus einem Widerstand und einem Kondensator bestehende Parallelschaltung, die zwischen einem zweiten Ende des Induktanzelements und Masse verbunden ist; wobei eine Takterfassungsspannung aus einem Punkt ausgegeben wird, an welchem das Induktanzelement und die Parallelschaltung verbunden sind.
Schaltung nach Anspruch 4, wobei die Mittelungsschaltung mit dem zweiten Ende des Induktanzelements verbunden ist, das als die Reflektionslast dient, und die Mittelungsschaltung einschließt: ein separates Induktanzelement, das in Reihe an seinem ersten Ende mit dem Induktanzelement verbunden ist, und eine aus einem Widerstand und einem Kondensator bestehende Parallelschaltung, die zwischen einem zweiten Ende des separaten Induktanzelements und Masse verbunden ist; wobei die Takterfassungsspannung aus einem Punkt ausgegeben wird, an welchem das separate Induktanzelement und die Parallelschaltung verbunden sind.
Schaltung nach Anspruch 5, wobei die Mittelungsschaltung parallel zu einem Kondensator verbunden ist, der als die Reflektionslast dient, und die Mittelungsschaltung einschließt: ein Induktanzelement, das an seinem ersten Ende mit einem Ende des Kondensators verbunden ist, und eine aus einem Widerstand und einem Kondensator bestehende Parallelschaltung, die zwischen einem zweiten Ende des Induktanzelements und Masse verbunden ist; wobei die Takterfassungsspannung aus einem Punkt ausgegeben wird, an welchem das Induktanzelement und die Parallelschaltung verbunden sind.
Schaltung nach Anspruch 3, wobei die Übertragungsleitung eine Länge von 0,4 λ – 0,43 λ aufweist, wobei λ die Wellenlänge des Taktsignals darstellt.
Schaltung nach Anspruch 6, wobei r2 und r3 bestimmt sind, die folgenden Gleichungen zu erfüllen: r2 = 10–100 mal so groß wie Z₀ r3 = 10 oder mehrere Male so groß wie r2 wobei r2 einen Widerstandswert des Widerstands darstellt, der als die Reflektionslast dient und r3 einen Widerstand des Widerstands in der Mittelungsschaltung darstellt.
Schaltung nach Anspruch 7, wobei die Übertragungsleitung eine Länge von 0,4 λ–0,43 λ aufweist, wobei λ die Wellenlänge des Taktsignals darstellt, und das Induktanzelement einen Induktanzwert aufweist, der so bestimmt ist, die Takterfassungsspannung zu maximieren.
Schaltung nach Anspruch 5, wobei die Übertragungsleitung eine Länge von 0,15 λ–0,2 λ aufweist, wobei λ die Wellenlänge des Taktsignals darstellt.
Schaltung nach Anspruch 12, wobei der Kondensator einen Kapazitätswert aufweist, der so bestimmt ist, die Takterfassungsspannung zu maximieren.