FI120524B - Phase battery for digital phase locked loop - Google Patents

Phase battery for digital phase locked loop Download PDF

Info

Publication number
FI120524B
FI120524B FI20075755A FI20075755A FI120524B FI 120524 B FI120524 B FI 120524B FI 20075755 A FI20075755 A FI 20075755A FI 20075755 A FI20075755 A FI 20075755A FI 120524 B FI120524 B FI 120524B
Authority
FI
Finland
Prior art keywords
frequency
counter
significant bit
ckv
digital
Prior art date
Application number
FI20075755A
Other languages
Finnish (fi)
Swedish (sv)
Other versions
FI20075755A (en
FI20075755A0 (en
Inventor
Liangge Xu
Saska Lindfors
Original Assignee
Teknillinen Korkeakoulu
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Teknillinen Korkeakoulu filed Critical Teknillinen Korkeakoulu
Priority to FI20075755A priority Critical patent/FI120524B/en
Publication of FI20075755A0 publication Critical patent/FI20075755A0/en
Priority to PCT/FI2008/050593 priority patent/WO2009053531A1/en
Publication of FI20075755A publication Critical patent/FI20075755A/en
Application granted granted Critical
Publication of FI120524B publication Critical patent/FI120524B/en

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03LAUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
    • H03L7/00Automatic control of frequency or phase; Synchronisation
    • H03L7/06Automatic control of frequency or phase; Synchronisation using a reference signal applied to a frequency- or phase-locked loop
    • H03L7/08Details of the phase-locked loop
    • H03L7/099Details of the phase-locked loop concerning mainly the controlled oscillator of the loop
    • H03L7/0991Details of the phase-locked loop concerning mainly the controlled oscillator of the loop the oscillator being a digital oscillator, e.g. composed of a fixed oscillator followed by a variable frequency divider
    • H03L7/0992Details of the phase-locked loop concerning mainly the controlled oscillator of the loop the oscillator being a digital oscillator, e.g. composed of a fixed oscillator followed by a variable frequency divider comprising a counter or a frequency divider
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03LAUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
    • H03L7/00Automatic control of frequency or phase; Synchronisation
    • H03L7/06Automatic control of frequency or phase; Synchronisation using a reference signal applied to a frequency- or phase-locked loop
    • H03L7/08Details of the phase-locked loop
    • H03L7/085Details of the phase-locked loop concerning mainly the frequency- or phase-detection arrangement including the filtering or amplification of its output signal
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03LAUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
    • H03L7/00Automatic control of frequency or phase; Synchronisation
    • H03L7/06Automatic control of frequency or phase; Synchronisation using a reference signal applied to a frequency- or phase-locked loop
    • H03L7/08Details of the phase-locked loop
    • H03L7/085Details of the phase-locked loop concerning mainly the frequency- or phase-detection arrangement including the filtering or amplification of its output signal
    • H03L7/091Details of the phase-locked loop concerning mainly the frequency- or phase-detection arrangement including the filtering or amplification of its output signal the phase or frequency detector using a sampling device
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03LAUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
    • H03L7/00Automatic control of frequency or phase; Synchronisation
    • H03L7/06Automatic control of frequency or phase; Synchronisation using a reference signal applied to a frequency- or phase-locked loop
    • H03L7/08Details of the phase-locked loop
    • H03L7/099Details of the phase-locked loop concerning mainly the controlled oscillator of the loop
    • H03L7/0991Details of the phase-locked loop concerning mainly the controlled oscillator of the loop the oscillator being a digital oscillator, e.g. composed of a fixed oscillator followed by a variable frequency divider
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03LAUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
    • H03L2207/00Indexing scheme relating to automatic control of frequency or phase and to synchronisation
    • H03L2207/50All digital phase-locked loop

Landscapes

  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)

Description

Vaiheakku digitaalista vaihelukittua silmukkaa vartenPhase battery for digital phase locked loop

Hakemus koskee kokonaan digitaalisten vaihelukittuja silmukoita, ja niiden suurtaa-5 juus toiminnan parantamista.The application is entirely concerned with digital phase-locked loops, and enhances their performance.

Radiolähetinvastaanotin koostuu kolmesta pää lohkosta: lähettimestä, vastaanottimesta ja taajuussyntetisaattorista. Nämä lohkot löytyvät esimerkiksi jokaisesta matkapuhelimesta tai VVLAN-kortista. Kahden ensimmäisen lohkon funktiot ovat itses-10 tään selviä, mutta taajuussyntetisaattori on itse asiassa yhtä tärkeä. Sen tehtävänä on tuottaa korkealaatuinen RF-signaali (paikallisoskilaattori tai LO, local oscilator), joka määrää kanavan taajuuden. Selvästikin on erittäin tärkeää, että lähetin ja vastaanotin käyttävät täsmälleen samaa LO-taajuutta. Esimerkiksi GSM-radiossa on tarpeen tuottaa LO-signaali, jonka taajuus on välillä 935-960 MHz ja resoluutiolla 15 200 kHz, joka on kanavaväli. Absoluuttinen LO:n tarkkuusvaatimus on tietenkin pal jon tiukempi, luokkaa muutamia kilohertsejä. Edelleen tiiviisti täytetyssä taajuusalueessa on myös tärkeää olla aiheuttamatta häiriöitä muille vastaanottimille, mikä tapahtuu, jos lähetyksen taajuus ei ole oikea.A radio transceiver consists of three main blocks: a transmitter, a receiver, and a frequency synthesizer. These blocks can be found, for example, on every mobile phone or WLAN card. The functions of the first two blocks are self-explanatory, but the frequency synthesizer is actually just as important. Its function is to produce a high quality RF signal (local oscillator or LO, local oscillator) which determines the frequency of the channel. Clearly, it is very important that the transmitter and receiver use exactly the same LO frequency. For example, in a GSM radio, it is necessary to produce an LO signal having a frequency between 935 and 960 MHz and a resolution of 15 200 kHz, which is a channel spacing. The absolute LO accuracy requirement is, of course, much stricter, in the order of a few kilohertz. Also, in a tightly packed frequency range, it is also important not to interfere with other receivers, which happens if the transmission frequency is not correct.

20 Tyypillisen vaihelukittua silmukkaa käyttävän taajuussyntetisaattorin toteutus on kuvattu kuviossa 1. Lähtötaajuus tuotetaan jänniteohjatulla oskillaattorilla (VCO, voltage controlled oscillator). Lähtötaajuutta verrataan referenssitaajuuteen (hyvin vakaa kide) vaihe-taajuus -detektorilla (PFD, phase-frequency detector). Erotus integroidaan ja käytetään ajamaan VCO:n ohjausta varauspumpun ja silmukkasuodat-25 timen avulla siten, että taajuuserotus eliminoituu. Vertaaminen tehdään itse asiassa taajuuksien sijasta signaalien vaiheille, koska kun kahdella signaalilla on sama vaihe-ero, niiden taajuudet ovat täsmälleen samat. Lähtösignaali jaetaan matalammalle vaiheiden vertailua varten, koska referenssi on tyypillisesti paljon matalammalla taajuudella (satoja kHz - kymmeniä MHz) kuin lähtötaajuus (GHz-alueelle henkilö-30 kohtaisessa viestinnässä). Lähtötaajuus on siten yksinkertaisesti referenssitaajuus kerrottuna jakosuhteella.An embodiment of a typical phase locked loop frequency synthesizer is illustrated in Figure 1. The output frequency is provided by a voltage controlled oscillator (VCO). The output frequency is compared to a reference frequency (very stable crystal) by a phase-frequency detector (PFD). The difference is integrated and used to drive the VCO control via the charge pump and the loop filters so that the frequency difference is eliminated. In fact, the comparison is made for the phases of the signals instead of the frequencies because when two signals have the same phase difference, their frequencies are exactly the same. The output signal is split lower for phase comparison because the reference is typically at a much lower frequency (hundreds of kHz to tens of MHz) than the output frequency (to the GHz range in person-to-person communications). The output frequency is thus simply the reference frequency multiplied by the division ratio.

Perinteisesti taajuussyntetisaattorit on toteutettu käyttämällä monia sovelluskohtaisia analogisia lohkoja (VCO, varauspumppu, esijakaja ja silmukkasuodatin). Toisaal-35 ta yli vuosikymmen ajan on jatkunut trendi toteuttaa toimintoja digitaalisesti aina 2 kun se on mahdollista. Tähän on useita motivaatioita, mutta tärkein niistä lienee sen tarjoama joustavuus. Uusia kehittyneempiä integroitujen digitaalipiirien (IC) sukupolvia kehitetään joka 1.-2. vuosi. Digitaalipiireihin perustuvan suunnitelman siirtäminen uuteen ympäristöön on melko suoraviivaista ja vähäriskistä, kun taas analo-5 giapiirit pitää suurelta osin suunnitella uudelleen. Edelleen, tämänhetkinen huipputasoa edustava IC-tekniikka on aina puhtaasti digitaalista. Analogisten vaihtoehtojen odottaminen johtaa aina huipputason tekniikkaan nähden yhden sukupolven verran perässä oloon.Traditionally, frequency synthesizers have been implemented using many application-specific analog blocks (VCO, charge pump, pre-splitter, and loop filter). On the other hand, for more than a decade, there has been a continuing trend to perform functions digitally 2 whenever possible. There are many motivations for this, but the most important one is probably the flexibility it offers. New, more advanced generations of integrated digital circuits (ICs) are being developed every 1-2 years. year. Transferring the digital circuitry plan to the new environment is relatively straightforward and low-risk, while the analogue circuitry needs to be largely redesigned. Furthermore, current state-of-the-art IC technology is always purely digital. Waiting for analogue alternatives always leads one generation behind advanced technology.

10 Erityisen onnistunut lähestymistapa kokonaan digitaalisesti toteutetun taajuussynte-tisaattorin toteuttamiseksi on esitetty viitteessä [1]: Robert B. Staszewski, Jonh Wal-ber, Jinseok Koh, Poras T. Balsara, "High-speed digital circuits for a 2.4 GHz all-digital RF frequency synthesizer in 130nm CMOS" IEEE, 2004. Kokonaan digitaalisessa taajuuslukitussa silmukassa (ADPLL) on jäljellä muutamia analogisia lohkoja, 15 mutta ne toimivat ajan suhteen, eikä amplitudi-informaation suhteen ja ovat piirirakenteina olennaisesti logiikkaporteista muodostettavia. Tästä johtuen ne ovat täysin yhteensopivia digitaaliteknologian kanssa.A particularly successful approach for implementing a fully digital implemented frequency synthesizer is described in [1]: "High-speed digital circuits for a 2.4 GHz all-digital RF" by Robert B. Staszewski, Jonh Wal-ber, Jinseok Koh, Poras T. Balsara frequency synthesizer in 130nm CMOS "IEEE, 2004. There are a few analog blocks remaining in the Digital Frequency Locked Loop (ADPLL), but they function over time, not in amplitude information, and are essentially composed of logic ports. As a result, they are fully compatible with digital technology.

Tekniikan tasoa ja keksintöä selitetään viitaten kuvioihin ja taulukoihin: 20The prior art and the invention will be described with reference to the figures and tables:

Kuvio 1 esittää murtoluku-N PLL:n jatkuvan verhokäyrän lähettimessä.Figure 1 shows a continuous envelope of a fractional N PLL in a transmitter.

Kuvio 2 esittää aiheeseen liittyvän ADPLL arkkitehtuurin, jossa on säätyvä vai- heakku VPA (variable phase accumulator)Figure 2 shows a related ADPLL architecture with variable phase accumulator (VPA)

Kuvio 3 esittää perinteisen kuvion 2 säätyvän vaiheakun (VPA) rautatoteutuk-25 sen (katso [1]).Fig. 3 shows a rail implementation of the conventional adjustable phase battery (VPA) of Fig. 2 (see [1]).

kuvio 4 esittää tunnetun tekniikan mukaisen vaihe inkrementterin (ylöslaski-jan), jossa on erillinen eniten ja vähiten merkitsevien bittien laskenta (katso [1]).Fig. 4 shows a prior art phase incrementer (uplink) having separate counting of the most significant and least significant bits (see [1]).

Kuvio 5 tunnetun tekniikan mukainen säätyvä vaiheinktrementteri, jossa on 30 eniten merkitsevien bittien uudelleen ajoitus (katso [1]).FIG. 5 is a prior art adjustable phase encoder having a re-timing of the 30 most significant bits (see [1]).

Kuvio 6 esittää keksinnön mukaisen säätyvän vaiheakun esimerkin.Figure 6 shows an example of an adjustable phase battery according to the invention.

Kuvio 7 esittää kuvion 6 sovellusesimerkin 4:stä 2:een enkooderilogiikan to-tuustaulukon.Fig. 7 shows a support table of the encoder logic logic of the application example 4 to 2 of Fig. 6.

Kuvio 8 esittää kuvioissa 6 ja 7 käytettyjen signaalinimien kuvaukset.Fig. 8 shows descriptions of the signal names used in Figs. 6 and 7.

35 335 3

Kuvio 1 esittää edellä kuvatun perinteisen PLL:n. Nykyistä huipputekniikkaa edustava ADPLLon kuvattu kuviossa 2. Perinteisissä PLL:ssä käytetty jänniteohjattu oskillaattori on korvattu digitaalisesti ohjatulle oskillaattorilla (DCO), jossa ohjataan digitaalisesti suurta määrää varaktoreja jatkuvan analogisen jännitteen sijasta. Vaihein-5 formaatio on takaisinkytketty digitaalisessa muodossa. Koska DCO:n ulostulovaihe on tarjolla vain analogisena signaalina, se pitää digitoida. Tämä toteutetaan digitaalisella akulla, joka pitää lukua täysistä RF-jaksoista ja aika-digitaalimuuntimella (TDC), joka digitoi kulloisenkin vaiheen murtolukuosan. Koska DCO:n vaiheinfor-maatio on saatavissa digitaalisessa muodossa ja DCO:n sisäänmeno on digitaalinen, 10 analogisen PLL:n vaihe-taajuus -detektori, varauspumppu ja silmukkasuodatin voidaan kaikki korvata digitaalipiireillä. Tämä tuo mukanaan monia etuja, kuten pienen piipinta-alan ja mahdollisuuden korkeamman kertaluvun aktiiviseen silmukkasuoda-tukseen ja laajakaistaiseen vaihemodulaatioon.Figure 1 shows the conventional PLL described above. A state-of-the-art ADPLLon is illustrated in Figure 2. The voltage-controlled oscillator used in conventional PLL has been replaced by a digitally controlled oscillator (DCO), which digitally controls a large number of varactors instead of continuous analog voltage. The phase-5 format is fed back in digital format. Since the output stage of the DCO is only available as an analog signal, it must be digitized. This is accomplished by a digital battery that reads full RF cycles and a time-to-digital converter (TDC) which digitizes the fractional part of each phase. Because the DCO phase information is available in digital form and the DCO input is digital, the 10 analog PLL phase-frequency detector, charge pump, and loop filter can all be replaced by digital circuits. This offers many advantages such as low silicon area and the possibility of higher order active loop filtering and broadband phase modulation.

15 Ratkaistava ongelma15 Problem to be solved

Arkkitehtuurina ADPLL nojaa erittäin nopean nanomittakaavaiseen CMOS-tekniik-kaan. Korkein käyttötaajuus on DCO:n ulostulossa, jossa vaiheakku muodostaa koko arkkitehtuurin pullonkaulan. Vaiheakku on periaatteessa modulo-ylöslaskija (tai las-20 kuri), joka toimii RF-taajuudella, ja sen ulostulo näytteistetään paljon alemmalla taajuudella tai kellotaajuudella. Esimerkiksi 2,4 GHz:n keskitaajuisen järjestelmän hetkellinen DCO-taajuus voi olla niinkin korkea kuin 3 GHZ. Perinteiset laskurit eivät toimisi niin korkealla taajuudella, koska niissä on liian paljon loogisia toimintoja, jotka pitäisi saattaa loppuun yhden RF-signaalijakson aikana. Perinteisessä PLL:ssä 25 VCO:n ulostuloon liittyvä lohko on yleensä hyvin yksinkertainen jakaja, joka voidaan aina suunnitella toimimaan paljon akkua korkeammalla taajuudella. Tästä johtuen nykyisillä piiriratkaisuilla toimiva ADPLL rajoittuu paljon nykyisiä perinteisiä PLL:iä matalammille taajuuksille. Kaikki parannukset akun nopeuteen mahdollistavat korkeamman RF-taajuuden maksimitaajuuden tuottamisen ADPLL:llä.As an architecture, ADPLL relies on ultra-fast nanoscale CMOS technology. The highest operating frequency is at the output of the DCO, where the phase battery forms the bottleneck of the entire architecture. The phase accumulator is basically a modulo uplink (or las-20 discipline) operating at the RF frequency and its output is sampled at a much lower frequency or clock frequency. For example, the instantaneous DCO frequency of a 2.4 GHz mid-frequency system may be as high as 3 GHz. Conventional counters would not operate at such a high frequency because they have too many logical functions that should be completed within one RF signal period. In a conventional PLL, the 25 VCO output associated block is usually a very simple splitter that can always be designed to operate at a much higher frequency than the battery. As a result, ADPLL operating on current circuit solutions is limited to frequencies much lower than current conventional PLLs. All improvements in battery speed allow for the highest RF frequency maximum frequency to be generated by ADPLL.

3030

Tekniikan taso ia tekniikan taustaaState of the art and technology background

Suoraviivainen vaiheakun VPA toteutus on esitetty kuviossa 3, jossa laskuria seuraa näytteisiin. Julkaisussa [1] on esitetty periaatteessa kaksi ratkaisua laskurin toimin-35 nan nopeuttamiseksi. Ensimmäinen ratkaisu käyttää kuviossa 4 esitettyä vähiten 4 merkitsevien bittien Rv[i]<l:0> ja eniten merkitsevien bittien Rv[i]<7:2> erillistä laskentaa, ja toinen ratkaisu uudelleen ajoittaa eniten merkitsevät bitit kuvion 5 mukaan. Ensimmäinen ratkaisu muuntaa 8-bittisen laskurin kahdeksi pienemmäksi laskuriksi ja siten lyhentää kriittistä polkua. Liukuhihnatekniikan tavoin toinen ratkai-5 su hajottaa kriittisen polun kahden kellojakson ajalle odotuslogiikan avulla. Dokumentti [1] kuvaa nämä tunnetut ratkaisut yksityiskohtaisesti.A linear implementation of the phase battery VPA is shown in Figure 3, where the counter is followed by samples. [1] basically discloses two solutions for speeding up the operation of the counter. The first solution uses the separate computation shown in Figure 4 for the least significant bits Rv [i] <l: 0> and the most significant bits Rv [i] <7: 2>, and the second solution re-schedules the most significant bits according to Figure 5. The first solution converts the 8-bit counter into two smaller counters and thus shortens the critical path. Like pipeline technology, the second solver-5 sun splits a critical path for two clock cycles by using wait logic. Document [1] describes these known solutions in detail.

Nämä tekniikat käyttävät hyväkseen modulo-laskurin ulostulon ennustettavuutta, joka ulostulo määräytyy pelkän sisääntulokellon perusteella, ja nämä tekniikat mah-10 dollistavat laskurin toiminnan korkeammalla taajuudella. Näiden tekniikoiden haittana on seikka, että ne ottavat huomioon vain laskurin, eivätkä käytä hyväkseen sitä seikkaa, että näytteenotto tehdään paljon matalammalla taajuudella. Tästä johtuen kriittisten polkujen kuormitus ja logiikka ei ole minimoitu, antaen siten tilaa uusille parannuksille.These techniques take advantage of the predictability of modulo counter output, which is determined by the input clock only, and these techniques allow the counter to operate at a higher frequency. The disadvantage of these techniques is that they only consider the counter and do not take advantage of the fact that sampling is performed at a much lower frequency. As a result, the load and logic of the critical paths are not minimized, thus providing room for new improvements.

1515

Keksinnön kuvausDescription of the Invention

Keksinnön tavoitteena on tekniikan tason vaiheakun taajuusominaisuuksien parantaminen edelleen ja tehdä mahdolliseksi taajuus- tai pulssilaskenta korkealla taajuu-20 della.It is an object of the invention to further improve the frequency characteristics of the prior art phase battery and to enable frequency or pulse computation at high frequency.

Keksintö käyttää hyväkseen sitä tosiseikkaa, että ADPLL:n vaiheakun ulostulon tarvitsee olla saatavilla vain referenssitaajuudella, joka on paljon pienempi kuin sisääntulon RF-taajuus. Summaus voidaan tehdä madalletulla taajuudella eniten merkitse-25 viä bittejä sisältävälle sanalle. Muutamat vähiten merkitsevät bitit voidaan muodostaa kombinaatiologiikan tilatiedosta sitten kun ulostulo pitää muodostaa. Tilatieto tallennetaan siirtorekisteriin, joka toimii täydellä RF-taajuudella.The invention takes advantage of the fact that the ADPLL phase battery output need only be available at a reference frequency much lower than the input RF frequency. Summing can be done at a lower frequency for the word with the most significant 25 bits. The few least significant bits can be generated from the state information of the combination logic when the output needs to be generated. The status information is stored in a shift register which operates at full RF frequency.

Keksinnölle on tunnusomaista se, mitä on esitetty itsenäisissä patenttivaatimuksissa 30 ja epäitsenäiset patenttivaatimukset kuvaavat keksinnön edullisia sovellusmuotoja.The invention is characterized in what is disclosed in the independent claims 30 and the dependent claims describe the preferred embodiments of the invention.

Seuraavassa keksintö kuvataan yksityiskohtaisesti viitaten kuvioihin 6-8. Kuvio 6 esittää yhden edullisen keksinnön mukaisen vaiheakun suoritusmuodon. Kuvio 7 on kuvion 6 esittämän 4:stä 2:een enkooderin totuustaulu. Kuvion 8 taulukko esittää 35 kuvioiden ja tämän selityksen signaalinimet.The invention will now be described in detail with reference to Figures 6-8. Figure 6 illustrates one preferred embodiment of the phase battery of the invention. Figure 7 is a truth table of the 4 to 2 encoders shown in Figure 6. The table in Figure 8 shows the signal names of the figures 35 and this description.

55

Yksi keksinnön mukaisen laitteen edullinen topologia on esitetty kuvion 6 esimerkissä. Vaiheakku sisältää laskurin eniten merkitseville biteille CN2, laskurin vähiten merkitseville biteille CN1, näytteenottovälineen S näytteistämiseksi matalammalla kellotaajuudella CKR.One preferred topology of the device according to the invention is shown in the example of Figure 6. The phase accumulator includes a counter for the most significant bits CN2, a counter for the least significant bits CN1, a sampling means S for sampling at a lower clock frequency CKR.

55

Eniten merkitsevien bittien laskuri CN2 käsittää 6-bittien modulolaskurin, jota kellotetaan signaalilla CKVD4. Vähiten merkitsevien bittien laskuri käsittää siirtorekisterin, jota kellotetaan signaalilla CKV, ja näytteistä m inen tehdään flip-flopeilla, jotka toimivat näytteenottovälineenä S, jota kellotetaan matalataajuisella kellolla CKR, ja kom-10 binatoorisen 4:stä 2:een enkooderin EN CNl:n numerojärjestelmän muuntamiseksi. 4:stä 2:een enkooderin totuustaulu on esitetty kuviossa 7.The most significant bit counter CN2 comprises a 6-bit module counter which is clocked by the signal CKVD4. The least significant bit counter comprises a shift register clocked by the signal CKV, and the sampling is done by flip-flops acting as a sampling medium S clocked by a low-frequency clock CKR, and a com-10 binary codec 4 to 2 . The 4 to 2 encoder truth table is shown in Figure 7.

Kahdeksanbittisen vaiheakun ulostulen 6 ylimmän bitin muodostamiseksi on 6-bittinen modulolaskuri kellottuna CKVD4:llä (CKV jaettuna 4:llä -kello). Tämä laskuri 15 tekee summausoperaation jokaisella CKVD4 syklillä, eli joka neljännellä CKV:n syklillä. Tämän takia ulostulo vastaa kuutta ylintä bittiä 8-bittisestä laskurista, jota kellotetaan taajuudella CKV. Tämä sama toiminto on toteutettu julkaistussa topologiassa (Kuvio 5) esitetyssä laskurissa, jossa laskuri kellotetaan CKV:llä, mutta summaus tehdään vain joka neljäs jakso. Kuusibittisen modulolaskurin ulostulo näytteistetään 20 taajuudella CKR, kuten pitääkin.To form the top 6 bits of the 8-bit phase battery output, there is a 6-bit module counter clocked in CKVD4 (CKV divided by 4 clock). This counter 15 performs a summation operation on each CKVD4 cycle, i.e. every fourth CKV cycle. Therefore, the output corresponds to the top six bits of the 8-bit counter clocked at CKV. This same function is performed in the counter shown in the published topology (Figure 5), in which the counter is clocked by CKV, but the summing is done only every four cycles. The output of the six-bit module counter is sampled at 20 CKR, as it should.

Merkittävin keksinnöllisen topologian piirre liittyy 2 alimman bitin muodostamiseen. Toisin kuin julkaistussa kuvion 4 mukaisessa topologiassa, keksinnön mukainen topologia ei eksplisiittisesti sisällä kahden alimman bitin laskuria. Sen sijaan se käyttää 25 taajuudella CKV kellotettua siirtorekisteriä ja kombinaatio 4:stä 2:een enkooderia laskurina CN1 ja numerojärjestelmämuuntimena EN. Seuraavassa selostetaan 2 alinta bittiä muodostavaa logiikkaa.The most significant feature of the inventive topology relates to the generation of the 2 lowest bits. Unlike the published topology of Figure 4, the topology of the invention does not explicitly include a counter of two lower bits. Instead, it uses a 25K CKV clocked shift register and a combination of 4 to 2 encoders as a counter CN1 and a number system converter EN. The following describes the logic that makes up the 2 lowest bits.

Pitäisi olla ilmeistä, että mikä tahansa lukumäärä modulolaskurin vähiten merkitseviä 30 bittejä on myös modulolaskuri, ja laskurin ulostulon säännöllisyys mahdollistaa vähiten merkitsevien bittien aaltomuodon johtamisen eniten merkitsevien bittien aaltomuodosta. Esimerkiksi 3- bittisen modulolaskurin ulostulon pitäisi ideaalisesti omata kuvion 7(b) aaltomuotojen Rv[i]<2>, Rv[i]<l> ja Rv[i]<0> kaltaiset aaltomuodot, jossa voimme selvittää aaltomuodot Rv[i]<l> and Rv[i]<0> loogisesti, kunhan tun-35 nemme aaltomuodon Rv[i]<2>. Tässä topologiassa tarvittava Rv[i]<2> liittyvä ti- 6 lainformaatio on annettu siirtorekisterin viivästetyissä versioissa Rv[i]<2> viivästä-mättömän signaalin Rv[i]<2> kanssa. Kun siirtorekisteri näytteistää ja viivästää Rv[i]<2>:ta, saamme myös kuviossa 7(b) esitetyt aaltomuodot Rv[i]<2>_d<l>, Rv[i]<2>_d<2> ja Rv[i]<2>_d<3>, jotka Rv[i]<2> kanssa antavat tarpeeksi in-5 formaatiota signaalien Rv[i]<l> ja Rv[i]<0> johtamiseksi millä tahansa hetkellä yksinkertaisen logiikan avulla, kuten kuviosta voidaan todeta. Asian ydin tässä on kuitenkin se, ettei ole tarvetta johtaa kahta alinta bittiä Rv[i]<l> ja Rv[i]<0> jokaisella CKV kellojaksolla, koska vaiheakun tulo pitää päivittää vain jokaisella matala-taajuisen kellon CKR jaksolla. Siksi voidaan näytteistää ensin matalataajuisella kellol-10 la CKR tilainformaatio, joka on tallennettu Rv[i]<2>_d<3>, Rv[i]<2>_d<2>,It should be obvious that any number of least significant bits of the modulo counter is also a modulo counter, and the regularity of the counter output allows derivation of the least significant bit waveform from the most significant bit waveform. For example, the output of the 3-bit module counter should ideally have waveforms like Rv [i] <2>, Rv [i] <l> and Rv [i] <0> in Fig. 7 (b) where we can determine the waveforms Rv [i] < l> and Rv [i] <0> logically, as long as tun-35 is not the waveform Rv [i] <2>. The Rv [i] <2> related status information required in this topology is provided in the delayed versions of the shift register Rv [i] <2> with the non-delayed signal Rv [i] <2>. When the shift register samples and delays Rv [i] <2>, we also obtain the waveforms Rv [i] <2> _d <2>, Rv [i] <2> _d <2> and Rv [ i] <2> _d <3> which with Rv [i] <2> provide enough in-5 information to derive Rv [i] <l> and Rv [i] <0> at any moment by simple logic such as The pattern can be seen. However, the crux of the matter here is that there is no need to derive the two lowest bits Rv [i] <l> and Rv [i] <0> for each CKV clock cycle, since the phase battery input only needs to be updated for each low-frequency clock CKR cycle. Therefore, CKR state information stored at Rv [i] <2> _d <3>, Rv [i] <2> _d <2> can first be sampled at low frequency clock-10,

Rv[i]<2>_d<l> ja Rv[i]<2> ja suorittaa loogiset operaatiot jälkikäteen kahden vähiten merkitsevän bitin johtamiseksi. Näin toimimalla voidaan siirtää logiikkaa suuren kellotaajuuden alueelta matalan kellotaajuuden alueelle. Kuten kuviossa 6 esitetään, näytteistävien CKR:llä kellotettujen flip-floppien S jälkeen tuleva kombinatori-15 nen 4:stä 2:een enkooderi EN laskee lopullisen vähiten merkitsevien bittien ulostu-loarvon. Kuviossa 7 esitetään 4:stä 2:een enkooderin totuustaulu. Enkooderi voidaan helposti syntetisoiden millä tahansa HDL-ohjelmalla suoraviivaisesti. Laskemiselle on paljon aikaa, koska CKR on matalataajuinen kello.Rv [i] <2> _d <l> and Rv [i] <2> and performs logical operations afterwards to derive the two least significant bits. Doing so can shift the logic from a high clock to a low clock. As shown in Fig. 6, the combinatorial 15 to 4 to 2 encoder EN following the sampling CKR clocked flip flops S calculates the final output value of the least significant bits. Figure 7 shows a 4 to 2 encoder truth table. The encoder can be easily synthesized by any HDL program in a straightforward manner. There is a lot of time for counting because CKR is a low frequency clock.

20 Yhteenvetona ehdotettu topologia vaiheakun nopeuden parantamiseksi vähentää logiikkatoiminnat nopean kellotaajuuden alueella siirtorekisteriksi siirtämällä loogisia toimintoja matalan kellotaajuuden alueelle ja siten minimoi kriittisten ajoituspolkujen pituuden.In summary, the proposed topology for improving the phase battery speed reduces logic operations in the fast clock frequency to shift register by shifting logical functions into the low clock frequency domain, thereby minimizing the length of critical timing paths.

25 Neljästä kahteen -enkooderi saa tässä esimerkissä sisääntulosta siirtorekisteristä ja eniten merkitsevien bittien laskurin vähiten merkitsevästä bitistä. Toteutusta on helppo muunnella muuttamalla siirtorekisterin pituutta vähiten merkitsevien bittien laskemiseksi. Enkooderi voi saada sisääntulonsa yksinomaan näytteistetystä siirtorekisteristä, kunhan enkooderin logiikka muutetaan vastaavasti. Patenttivaatimukset 30 kuvaavat keksinnön suojapiirin ja keksintö ei ole rajoittunut kuvion 6 topologiaan.In this example, the four to two encoder gets input from the shift register and the least significant bit counter from the least significant bit. It is easy to modify the implementation by changing the length of the shift register to compute the least significant bits. The encoder can only receive its input from the sampled shift register, as long as the encoder logic is changed accordingly. Claims 30 illustrate the scope of the invention and the invention is not limited to the topology of Figure 6.

On huomattava, että kuvio 6 esittää vain topologiaesimerkin, ja erilaiset variaatiot topologiasta ovat tarpeen mukaan mahdollisia. Ensinnäkin eniten ja vähiten merkitsevillä biteillä voi olla eri jaottelut, ja joka vaiheakun sanapituus on myös skaalatta-35 vissa. Toiseksi, topologia ei sulje pois mahdollisuutta käyttää eri tekniikoita eniten 7 merkitsevien bittien laskurissa, vaikkakaan sellainen ei ole useimmissa tapauksissa tarpeen. Esimerkiksi eniten merkitsevien bittien laskuri voi käyttää mitä tahansa tekniikkaa joka on käyttökelpoinen laskurin optimoinnissa, kuten julkaisussa [1] esitettyjä tekniikoita.It should be noted that Fig. 6 is an exemplary topology only, and various variations of the topology are possible as required. First, the most and least significant bits can have different subdivisions, and each phase battery word length is also scalable. Second, topology does not exclude the possibility of using different techniques in the 7 most significant bit counter, although in most cases it is not necessary. For example, the counter of most significant bits may employ any technique useful in counter optimization, such as those disclosed in [1].

55

Samalla huomautetaan, että erillinen piiri 4:llä jaetun kellon CKVD4 muodostamiseksi ei ole todellisuudessa tarpeen. Koska 4:llä jaettu kellosignaali on käytössä myös sigma-delta-modulaattorissa ADPLL arkkitehtuurissa, samaa kelloa voidaan jakaa tässä yhteydessä, vaikkakin yksi kellonjakopiiri lisää vain vähän kustannuksia tarvit-10 taessa.At the same time, it is noted that a separate circuit for forming a clock divided by 4 is not really necessary for CKVD4. Since the clock divided by 4 is also used in the sigma-delta modulator in the ADPLL architecture, the same clock can be shared in this context, although one clock splitting circuit adds little cost when needed.

Edut ia haitat Tärkein keksinnön etu on tunnettua tekniikkaa paljon suurempi nopeus, joka sallii 15 nostaa taajuutta, jossa ADPLL arkkitehtuuria on mahdollista käyttää. Sen lisäksi keksintö on osoittanut, että on mahdollista olennaisesti pienentää tehonkulutusta ja jossain määrin pienentää vaiheakun piipinta-alaa. Yhtään selvää haittaa ei ole huomattu.Advantages and Disadvantages The main advantage of the invention is a much higher speed than prior art, which allows the frequency at which the ADPLL architecture can be used to be increased. In addition, the invention has shown that it is possible to substantially reduce power consumption and to some extent reduce the silicon area of a phase battery. No obvious harm has been noted.

20 Vertailun vuoksi suunniteltiin kaksi akkua, käyttäen keksinnön mukaista topologiaa ja tekniikan tasoa (kuvio 5). Suunnitelmat kirjoitettiin ensin VHDL:llä ja sitten jälkeen ne syntetisoitiin Synopsis Design Compilerilla käyttäen 65 nm CMOS teknologi aa. Keksinnön mukainen suunnitelma pystyttiin syntetisoimaan 3,7 GHz:n kellotaajuudelle ilman ajoitusrikkeitä, kun taas tekniikan tason mukainen voitiin syntetisoida 25 vain kellotaajuudelle 2,3 GHz. Toimintataajuudella 2,3 GHz (suurin tekniikan tason sallima taajuus) keksintömme mukaisella suunnitelmalla oli tehonkulutus 148 pW, kun tekniikan tason mukainen käytti 304 pW tehoa. Edelleen, keksinnön mukaisen suunnitelman solukoko oli 226 pm2 ja tekniikan tason mukaisen solun koko oli 254 pm2. On huomattava, että prosentuaalinen toimintataajuuden kasvu käytettäes-30 sä keksintöä (noin 60 % yllä olevan esimerkin mukaan) olisi vielä suurempi, mikäli akut optimoitaisiin räätälöidyllä suunnittelumenetelmällä yllä käytetyn digitaalisuun-nittelumenetelmän sijasta.For comparison, two batteries were designed using the topology of the invention and the state of the art (Figure 5). The designs were first written on VHDL and then synthesized using the Synopsis Design Compiler using 65nm CMOS technology. The design of the invention could be synthesized for a clock frequency of 3.7 GHz without timing failure, whereas the prior art could only be synthesized for a clock frequency of 2.3 GHz. At an operating frequency of 2.3 GHz (the highest frequency allowed by the prior art), the design of our invention had a power consumption of 148 pW, while the prior art used 304 pW of power. Further, the cell size of the design of the invention was 226 pm 2 and the cell size of the prior art was 254 pm 2. It should be noted that the percentage increase in operating frequency when using the invention (about 60% according to the example above) would be even greater if the batteries were optimized by a customized design method instead of the digital design method used above.

Vaiheakku on käyttökelpoinen missä tahansa laskentatarkoituksessa, edellyttäen, 35 että laskuria näytteistetään paljon laskurin sisääntulosignaalin taajuutta pienemmäl- 8 lä taajuudella. Mikä tahansa taajuuslaskuri voi käyttää keksittyä topologiaa, mukaan luettuna taajuusmodulaation ilmaisimet ja nopeat pulssilaskurit.A phase accumulator is useful for any calculation purpose, provided that the counter is sampled at a frequency much lower than the frequency of the counter input signal. Any frequency counter can use an invented topology, including frequency modulation detectors and high-speed pulse counters.

99

Luettelo käytetyistä lyhenteistä ADPLL : All digital phase locked loop = Kokonaan digitaalinen vaihelukko DCO Digitally controlled oscillator = Digitaalisesti ohjattu oskillaattori 5 GSM Global system for mobile communications = GSM-puhelinjärjestelmä HDL Hardware description language = laitteiston kuvauskieli LSB Least significant bit = vähiten merkitsevä bitti PLL Phase locked loop = vaihelukko, vaihelukittu silmukka RF Radio frequency = Radiotaajuus, suurtaajuus 10List of abbreviations used ADPLL: All digital phase locked loop = DCO Digitally controlled oscillator = Digitally controlled oscillator 5 GSM Global system for mobile communications = GSM phone system HDL Hardware description language = LSB Least significant bit = least significant bit PLL Phase locked loop = Phase lock RF Radio frequency = Radio Frequency, High Frequency 10

Viitteet [1] Robert B. Staszewski, Jonh Walber, Jinseok Koh, Poras T. Balsara, "Highspeed digital circuits for a 2.4 GHz all-digital RF frequency synthesizer in 130nm 15 CMOS" IEEE, 2004References [1] Robert B. Staszewski, Jonh Walber, Jinseok Koh, Poras T. Balsara, "Highspeed Digital Circuits for a 2.4 GHz RF Transmitter at 130nm 15 CMOS" IEEE, 2004

Claims (7)

1. Digital fasackumulator speciellt för att användas i ett digitalt modläs, som omfat-tar minst tvä räkneverk (CN1, CN2) för att beräkna utfrekvensen av en högfrekvent 5 oscillator (CKV), under användning av ett första räkneverk (CN1) för beräkning av de minst betydande bitten och ett andra räkneverk (CN2) för beräkning av de mest betydande bitten, och referensfrekvensernas ingäng ligger under en lägre högfre-kvens än nämnda högfrekvens (CKV), kännetecknad därav, att ätminstone de minst betydande bittens räkneverksdelen (CN1) fungerar i ett annat nummersystem, 10 och nummersystemets förändring (EN) utförs efter de bäda räkneverkens (EN1, EN2) sampeltagning (S) med en lägre referensfrekvens (CRK).1. Digital phase accumulator especially for use in a digital mode read, comprising at least two counters (CN1, CN2) to calculate the output frequency of a high frequency oscillator (CKV), using a first counter (CN1) for calculating the least significant bit and a second counter (CN2) for calculating the most significant bit, and the input frequencies are below a lower high frequency than said high frequency (CKV), characterized in that at least the least significant bit counter part (CN1) works in another number system, 10 and the number system change (EN) is performed after the sampling (S1) of the two counters (EN1, EN2) with a lower reference frequency (CRK). 2. Digital fasackumulator för ett digitalt modläs enligt patentkravet 1 därtill kännetecknad därav, att de minst betydande bittens räkneverk (CN1) reseteras eller syn- 15 kroniseras med en frän en gemensam källa kommande signal med ingängen för de mest betydande bittens räkneverks (CN2) ingäng.Digital phase accumulator for a digital mode read according to claim 1, characterized in that the least significant bit counters (CN1) are reset or synchronized with a signal from a common source coming from the input of the most significant bits counter (CN2). . 3. Digital fasackumulator för ett digitalt modläs enligt patentkravet 1 eller 2 därtill kännetecknad därav, att den mest betydande bittens räkneverk (CN2) fungerar 20 med en lägre frekvens (CKVD4), som är härledd frän den högre frekvensen (CKV).Digital phase accumulator for a digital mode read according to claim 1 or 2, characterized in that the most significant bit counter (CN2) operates at a lower frequency (CKVD4), which is derived from the higher frequency (CKV). 4. Modläs för en digital fasackumulator enligt patentkravet 3 kännetecknat därav, att de mest betydande bittens ingängssignal är alstrad genom att dividera frän den beräknade oscillatorns (CKV) frekvens. 254. A readout for a digital phase accumulator according to claim 3, characterized in that the input signal of the most significant bits is generated by dividing from the frequency of the calculated oscillator (CKV). 25 5. Modläs för en digital fasackumulator enligt vilket som heist av de föregäende pa-tentkraven därtill kännetecknat därav, att de minst betydande bittens räkneverk (CN1) innehäller ett överföringsregister.5. Model read for a digital phase accumulator according to which, as claimed by the preceding patent claims, characterized in that the least significant bit counter (CN1) contains a transfer register. 6. Modläs för en digital fasackumulator enligt patentkravet 5, kännetecknat därav, att de minst betydande bittens räkneverk (CN1) fungerar utan tillbakakoppling.6. Model read for a digital phase accumulator according to claim 5, characterized in that the least significant bit counters (CN1) operate without feedback. 7. Förfarande för beräkning av en högfrekvent signal (CKV) med en betydligt mindre sampeltagningsfrekvens (CKR), vilket förfarande omfattar beräkning av de minst 35 betydande bitten med ett räkneverk (CN2), som fungerar med en lägre frekvens än den beräknade signalen (CKV), och beräkning av de mindre betydande bitten med ett andra räkneverk (CN1), som fungerar med den beräknade högre frekvensen (CKV), kännetecknat därav, att beräkningen (CN1) av de minst betydande bitten utförs med ett annat nummersystem och förändringen av nummersystemet utförs 5 efter sampeltagningen (S) av de bäda räkneverkens (CN1, CN2) lägfrekventa signal (CKR).A method for calculating a high frequency signal (CKV) with a much smaller sample collection frequency (CKR), which method comprises calculating the least significant bit with a counter (CN2) which operates at a lower frequency than the calculated signal (CKV). ), and calculating the less significant bit with a second counter (CN1), which works with the calculated higher frequency (CKV), characterized in that the calculation (CN1) of the least significant bit is performed with a different numbering system and the change of the numbering system is performed after sampling (S) of the low frequency signal (CKR) of both counters (CN1, CN2).
FI20075755A 2007-10-25 2007-10-25 Phase battery for digital phase locked loop FI120524B (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20075755A FI120524B (en) 2007-10-25 2007-10-25 Phase battery for digital phase locked loop
PCT/FI2008/050593 WO2009053531A1 (en) 2007-10-25 2008-10-23 Phase accumulator for digital phase locked loop

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20075755A FI120524B (en) 2007-10-25 2007-10-25 Phase battery for digital phase locked loop
FI20075755 2007-10-25

Publications (3)

Publication Number Publication Date
FI20075755A0 FI20075755A0 (en) 2007-10-25
FI20075755A FI20075755A (en) 2009-04-26
FI120524B true FI120524B (en) 2009-11-13

Family

ID=38656900

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FI20075755A FI120524B (en) 2007-10-25 2007-10-25 Phase battery for digital phase locked loop

Country Status (2)

Country Link
FI (1) FI120524B (en)
WO (1) WO2009053531A1 (en)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3032072B1 (en) 2015-01-23 2018-05-11 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives FREQUENCY SYNTHESIS DEVICE WITH RETROACTIVE LOOP
CN105071798B (en) * 2015-08-19 2018-06-26 安凯(广州)微电子技术有限公司 Low-power consumption phase accumulator applied to digital PLL
CN109714046B (en) * 2019-03-05 2024-01-23 南华大学 All-digital phase-locked loop with variable phase accumulator circuit structure and phase-locked control method
FR3098664B1 (en) 2019-07-08 2021-07-23 Commissariat Energie Atomique Feedback loop frequency synthesis device

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI279085B (en) * 2004-03-22 2007-04-11 Realtek Semiconductor Corp All-digital phase-locked loop
US7801262B2 (en) * 2005-10-19 2010-09-21 Texas Instruments Incorporated All digital phase locked loop architecture for low power cellular applications
US7482883B2 (en) * 2005-10-19 2009-01-27 Texas Instruments Incorporated Gain normalization of a digitally controlled oscillator in an all digital phase locked loop based transmitter
US7498890B2 (en) * 2005-10-19 2009-03-03 Texas Instruments Incorporated Continuous reversible gear shifting mechanism
US7605664B2 (en) * 2006-01-19 2009-10-20 Texas Instruments Deutschland Gmbh All digital phase locked loop system and method

Also Published As

Publication number Publication date
FI20075755A (en) 2009-04-26
WO2009053531A1 (en) 2009-04-30
FI20075755A0 (en) 2007-10-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7859344B2 (en) PLL circuit with improved phase difference detection
EP1816741B1 (en) Phase detector
JP5347534B2 (en) Phase comparator, PLL circuit, and phase comparator control method
US8615064B2 (en) Phase locked loop circuit and receiver using the same
US8248106B1 (en) Lock detection using a digital phase error message
US8106808B1 (en) Successive time-to-digital converter for a digital phase-locked loop
US9013213B2 (en) Digital fractional frequency divider
US8952763B2 (en) Frequency modulator having digitally-controlled oscillator with modulation tuning and phase-locked loop tuning
US8076978B2 (en) Circuit with noise shaper
EP2622741B1 (en) Reference clock sampling digital pll / fll
KR20130094446A (en) Low-power high-resolution time-to -digital converter
JP5206682B2 (en) Phase comparator and phase locked loop
FI120524B (en) Phase battery for digital phase locked loop
US8223909B2 (en) Digital sampling apparatuses and methods
JP5333439B2 (en) Frequency synthesizer and oscillation frequency control method of oscillator
KR20150007728A (en) All digital phase locked loop, semiconductor apparatus, and portable information device
US20120049912A1 (en) Digital phase difference detector and frequency synthesizer including the same
CN103684445A (en) Multiphase high-resolution phase locked loop
Staszewski et al. Time-to-digital converter for RF frequency synthesis in 90 nm CMOS
WO2012066700A1 (en) Frequency synthesizer and time-to-digital converter
US8461886B1 (en) Circuit and circuit method for reduction of PFD noise contribution for ADPLL
US10270455B2 (en) Multi-phase clock generation employing phase error detection in a controlled delay line
US8014487B2 (en) High-frequency counter
US8264388B1 (en) Frequency integrator with digital phase error message for phase-locked loop applications
Xu All-digital phase-locked loop for radio frequency synthesis

Legal Events

Date Code Title Description
FG Patent granted

Ref document number: 120524

Country of ref document: FI

MM Patent lapsed