JP2002164738A - クロック同期型ロジック回路 - Google Patents

クロック同期型ロジック回路

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Abstract

(57)【要約】 【課題】単一の周波数の発振回路で生成したクロック信
号で同期をとったロジック回路は、発振の基本波周波数
を源とするピークを有するEMIノイズが発生するとい
う課題を解決又は軽減するクロック同期型ロジック回路
を提供する。 【解決手段】クロック信号を発生する振動子11を有す
る発振回路10に、D/A変換器30およびその出力制
御信号により発振回路10の発振周波数を可変する可変
容量ダイオード等の可変容量素子31を設ける。D/A
変換器30には、ロジックゲート20からのデジタルデ
ータ又はCPU40からのアドレス信号等が入力され
て、クロック信号の周波数を所定範囲で可変し、EMI
放射ノイズのピークを拡散する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はクロック同期型ロジ
ック回路、特にEMI(電磁気干渉)ノイズを低減した
クロック同期型ロジック回路に関する。
【0002】
【従来の技術】クロック同期型ロジック回路は、各種デ
ジタル回路に広く使用されている。種々のデジタル電子
機器は、相互に隣接して使用され、高速且つ高性能(又
は高感度)化しているのでノイズに敏感である。そこ
で、VCCI(情報処理装置等電波障害自主規制協議
会)やFCC(米国連邦通信委員会)等のEMI放射ノ
イズレベルの規定がなされ、放射ノイズの規制が強化さ
れている。発振回路等のノイズ低減に関する従来技術
は、例えば特開平11−17452号公報の「発振回
路」、特開平11−220386号公報の「フェーズロ
ックドループ」および特願平6−263378号「放射
低減装置」の明細書等に開示されている。
【0003】図11は、一般的なクロック同期型ロジッ
ク回路の基本構成図である。図11のクロック同期型ロ
ジック回路は、発振回路100およびこの発振回路10
0が出力するクロック信号が入力される複数のロジック
ゲート110A〜110Cとにより構成される。クロッ
ク信号を生成する発振回路100は、水晶振動子10
1、インバータ(反転増幅器)102およびコンデンサ
103、104等により構成される。
【0004】斯かるクロック同期型ロジック回路は、図
11中に示す如く、動作中に各回路部分から単一周波数
の放射ノイズを発生する。即ち、図11に示すクロック
同期型ロジック回路は、例えば図12のタイミングチャ
ートに示す如く動作する。図12中(a)は発振回路1
00が生成するクロック信号、(b)および(c)はロ
ジック回路から出力される出力信号AおよびBである。
放射ノイズは、信号の急激な変化(立ち上がりおよび立
ち下がり)部分で発生する。従来回路では、これら放射
ノイズは、部品の低速化、電圧低減、導電板によるシー
ルド(遮蔽)およびフェライトコア(フィルタ素子)等
の使用によって外部への放射ノイズレベルの低減が図ら
れている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】従来のクロック同期型
ロジック回路では、単一周波数のクロック信号を同期信
号として使うため、特定の周波数にピークを持つEMI
ノイズが発生する問題があった。また、図12に示す如
く、複数のロジックゲート110A〜110Cも、基本
クロック周波数に起因するノイズを発生するため、回路
規模が大きくなるに応じて放射ノイズレベルも大きくな
った。上述の如きEMI対策では、電圧低減や低速の部
品利用により信号の変化がなまり、十分な性能が得られ
ないという問題もあった。また、導電板等によるシール
ドおよびフェライトコア(フィルタ)等の部品は、一般
に高価で重量が重く、製品の機動性やコストに影響を与
えた。
【0006】
【発明の目的】従って、本発明の目的は、特定の周波数
にピークを持つEMIノイズを発生させるのを回避し
て、放射ノイズの影響を低減するクロック同期型ロジッ
ク回路を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明のクロック同期型
ロジック回路は、振動子を含む発振回路により生成され
るクロック信号に同期して動作するロジック回路であっ
て、このロジック回路からのデジタル信号を入力とする
デジタル・アナログ変換器(DAC)と、このDACか
ら出力される制御電圧により静電容量が変化する可変容
量素子とを設け、この可変容量素子により、発振回路の
振動子の発振周波数を変化させる。
【0008】また、本発明のクロック同期型ロジック回
路の好適実施形態によると、DACに入力されるデジタ
ル信号は、少なくとも1ビット以上のデジタル信号であ
り、このデジタル信号を組み合わせにより可変容量素子
の制御電圧を出力する。DACに入力されるデジタル信
号は、CPU(中央処理装置)がROM又はRAM等に
出力するアドレス信号又はアドレス信号と/RAM−C
S等の制御信号の組み合わせである。DACから可変容
量素子に入力される制御電圧は、特定の制御信号に応じ
て一定値にクランプ可能なくランプ手段を有する。更
に、DACは、R−2R抵抗回路網を含む。
【0009】
【発明の実施の形態】本発明の上述その他の目的、特徴
および利点を明確にすべく、以下添付図面を参照して、
本発明によるクロック同期型ロジック回路の好適実施形
態の構成および動作を詳細に説明する。
【0010】先ず、図1は、本発明によるクロック同期
型ロジック回路の第1実施形態の基本構成を示すブロッ
ク図である。このクロック同期型ロジック回路は、発振
回路10、複数のロジックゲート(ロジック回路)20
A〜20C、D/A変換器(以下、DACという)3
0、可変容量ダイオード31およびカップリング(結
合)コンデンサ32により構成される。発振回路10
は、水晶振動子(振動子)11、インバータ12および
コンデンサ13、14等により構成される。DAC30
には、ロジックゲート20Aの出力信号が入力される。
DAC30の出力電圧は、可変容量ダイオード(可変容
量素子)31に入力され、その静電容量(キャパシタン
ス)を可変する。この静電容量は、発振回路10のコン
デンサ13と並列接続される。
【0011】このクロック同期型ロジック回路は、少な
くとも1ビット以上のロジック信号から制御電圧を作る
機能を有する。ロジックゲート20A〜20Cの各信号
の組み合わせにより制御電圧を可変させ、それによって
発振回路10の周波数を特定の周波数範囲において可変
するという構成を有する。
【0012】この場合、DAC30は、ロジック回路の
各信号の組み合わせにより制御電圧を可変させ、この制
御電圧で可変容量ダイオード31の静電容量を可変す
る。それにより、発振回路10の発振周波数を一定周波
数範囲で可変する。図2は、図1に示すクロック同期型
ロジック回路の動作を示すタイミングチャートである。
図2中、(a)は発振回路10から生成されるクロック
信号および(b)、(c)はロジック回路からの出力信
号A、Bである。図2(a)〜(c)から明らかな如
く、クロック信号の周波数は、コンデンサ13および可
変容量ダイオード31の静電容量の変化量で決まる所定
範囲で変動し、このクロック信号に基づき動作するロジ
ックゲート20A〜20Cの出力信号も同様に変動する
ので、放射ノイズの周波数が拡散され、上述したEMI
ノイズにピークが生じるのを効果的に回避可能である。
【0013】次に、図3は、本発明によるクロック同期
型ロジック回路の第2実施形態の構成を示すブロック図
である。尚、上述した第1実施形態の構成要素に対応す
る構成要素には、説明の便宜上、同様の参照符号を使用
する。このクロック同期型ロジック回路は、DAC3
0、可変容量ダイオード31、結合コンデンサ32、振
動子11、コンデンサ13、14、ロジック回路である
CPU(中央処理装置)40、ROM(読み出し専用メ
モリ)50、RAM(ランダムアクセスメモリ)51、
I/O(入出力回路)52およびアドレスデコーダ53
により構成される。尚、発振回路10を構成するインバ
ータ12は、CPU40内に配置されている。図3にお
ける発振回路の振動子11は、同調(又は共振)回路で
あれば良く、水晶振動子、セラミック振動子、LC(イ
ンダクタおよびコンデンサ)発振器、CR(コンデンサ
および抵抗)発振器および誘電体発振子等が使用可能で
ある。DAC30は、回路構成によって複数の応用が考
えられるが、出力精度と直線性が厳格でなくても性能が
得られるため、安価に構成可能である。
【0014】図4は、図3中に示すDAC30の第1具
体例である。このDAC30Aは、出力端子と接地間に
直列接続された抵抗値R又は2Rの抵抗と、これら直列
抵抗の各ノードと入力端子A5〜A1間に接続された抵
抗値2Rの抵抗により構成されるR−2R抵抗回路網で
ある。各入力端子A5〜A1に、CPU40からアドレ
ス(Address)信号が入力される。アドレス信号が、T
TL(トランジスタ・トランジスタ・ロジック)等の低
インピーダンスで且つ可変容量ダイオード31の静電容
量(Cv)がTTL電圧の範囲で動作する場合には、R
=10KΩ程度の値で十分に機能する。アドレス信号自
身は低インピーダンスであり、動作に与える影響も少な
い。
【0015】次に、図5は、図3中に示すDAC30の
第2具体例である。このDA30Bは、可変容量ダイオ
ード31の静電容量(Cv)の制御に約15Vの比較的
高電圧を必要とする場合に好適であり、ロジック信号か
ら得た電圧を増幅する回路を有する。即ち、図4を参照
して上述した直列抵抗およびその各ノードに接続された
抵抗値2Rの抵抗によるR−2R抵抗回路網の出力側と
出力端間に、バッファ増幅器33が接続されている。こ
のバッファ増幅器33を付加するためDAC30B自身
のインピーダンスを高くすることが可能であり、CPU
40のアドレス信号への影響を更に低減可能である。
【0016】また、図6は、図3に示すクロック同期型
ロジック回路のDAC30の第3具体例である。このD
AC30Cは、CMOSゲート素子を使用している。こ
のDAC30Cは、図4を参照して上述したDAC30
AのR−2R抵抗回路網の入力端子A5〜A1と各ノー
ド間に、それぞれCMOSバッファインバータ34と、
R−2R抵抗回路網の出力端に直列にCMOSバッファ
インバータ35を使用する。これらの増幅器により、D
AC30C自身のインピーダンスを高くし且つアドレス
信号への影響を一層低減可能である。本発明のクロック
同期型ロジック回路は、少なくとも1ビット以上のロジ
ック信号が必要であるが、変化する全ての同期信号や非
同期信号を使うことができる。また、それらを組みあわ
せることも可能である。従って、CPU40のアドレス
信号、DATA信号、CE、OE、RAS、CASおよ
びイネーブル信号等の信号を組み合わせ使用できる。
【0017】次に、図7は、本発明によるクロック同期
型ロジック回路を応用可能なロジック回路の構成図であ
る。このロジック回路は、上述の如く可変周波数のクロ
ック発生器(発振回路)10からのクロック信号が入力
される疑似ノイズ発生回路(PNG)である。このPN
Gは、縦続接続された複数のD型フリップフロップ(D
―F/F)21A〜21E、排他的論理和ゲート(EX
OR)22、インバータ23およびシフトレジスタ24
により構成される。クロック信号を、D−F/F21A
〜21Eのクロック端子CKに入力し、D―F/F21
Bおよび21EのQ出力を、EXOR22およびインバ
ータ23を介してD−F/F21AのD入力端子に入力
して、疑似ノイズ(ホワイトノイズ)を発生する。この
ホワイトノイズは、数学的に拡散の確率が定義できるた
め、拡散の状態が予め推察できる。
【0018】次に、本発明によるクロック同期型ロジッ
ク回路の実施形態の動作を詳細に説明する。先ず、図3
に示すクロック同期型ロジック回路の動作を説明する。
このクロック同期型ロジック回路は、少なくとも1ビッ
ト以上のロジック(デジタル)信号が必要であるが、こ
こではCPU40のアドレス信号を使用する。アドレス
信号は、ROM50、RAM51およびI/O52で共
用され、略ランダムの頻度で全てのビットが変化する。
このアドレス発生頻度が一定で且つ発生アドレスがラン
ダムであるほど拡散が理想的に行われる。そのため、C
PU40が動作していないアイドリング状態で疑似乱数
のアドレスへのアクセスを続けることにより、プログラ
ム的にEMIノイズの拡散品質を上げることも可能であ
る。
【0019】一方、このロジック信号は、例えばR−2
R抵抗回路網のDAC30に入力する。アドレス信号が
TTL等の低インピーダンスの場合には、R=10KΩ
程度の値で0〜2.5V程度のランダムな電圧を発生可
能である。R−2R型の抵抗に比べてアドレス信号自身
は、低インピーダンスであり、動作への影響も少ない。
例えば、通常のRISK(縮小命令セットコンピュー
タ)型CPU40では、4CPUクロック毎にアドレス
が変化し、それに伴い0〜2.5V程度のランダムな電
圧を発生する。
【0020】発振回路10は、上述したランダムな制御
電圧が印加される可変容量ダイオード31の可変静電容
量により発振周波数を変化する。この発振周波数の変化
は、可変容量ダイオード31の容量可変範囲中だけで推
移するため、上述の如く周波数の変化範囲が正確に規定
できる。そのため、ロジック動作のセットアップ/ホー
ルドタイムの範囲内での動作を保証する。このように、
アドレス毎にクロック周波数は変化をするため、ピーク
ノイズが拡散する。また、クロック周波数の変化に伴
い、CPU40に繋がる全ての制御信号の周波数も変化
するため、アドレス信号、DATA信号、CE、OE、
RAS、CASおよびイネーブル等の全ての信号から発
生するEMI放射ノイズの拡散が行える。
【0021】尚、上述の実施形態では、少なくとも1ビ
ット以上のロジック信号として、CPU40のアドレス
信号を使用している。しかし、CPU40からのDAT
A信号、CE、OE、RAS、CASおよびイネーブル
信号を使用しても良い。図8および図9に、図3に示す
クロック同期型ロジック回路の変形例の構成を示す。
尚、これら変形例において、DAC30は、図4〜図6
に示すDAC30A〜30Cのいずれであっても良く、
またDAC専用ICで構成できる。発振回路10の振動
子11も、上述の如く種々のものが使用可能である。ま
た、可変容量素子31は、制御電圧により静電容量が変
化すればよく、可変容量ダイオード以外の素子、例えば
ダイオード、トランジスタ又は電界効果トランジスタ等
でも良い。
【0022】図8および図9のクロック同期型ロジック
回路にあっては、その基本的構成は、上述した図3のク
ロック同期型ロジック回路と同様に、DAC30、可変
容量ダイオード31、振動子11、インバータ12、コ
ンデンサ13、14、CPU40、ROM50、RAM
51、I/O52およびアドレスデコーダ53により構
成される。しかし、図8のクロック同期型ロジック回路
では、DAC30にCPU40からのアドレス信号A1
〜A4と共にRAM51のイネーブルに関連する/RA
M―CSを入力している。一方、図9に示すクロック同
期型ロジック回路では、DAC30にCPU40からの
アドレス信号A1〜A5が入力されると共に、I/O5
2から/I/O−CSがクランプ用制御信号としてダイ
オード37を介して直接可変容量ダイオード31に入力
される。
【0023】上述したクロック同期型ロジック回路で
は、ロジック信号に図3の場合に比較して更に工夫して
いる。即ち、図10のクロック同期型ロジック回路で
は、アドレス信号A5の代わりに制御信号/RAM−C
Sを使用している。これにより、ROM50とRAM5
1のアクセス頻度とDAC30の重み付けにより、拡散
の範囲を均等に2分配しようとしている。このロジック
信号がプログラムによって限定した範囲に集中する場合
には、この実施形態の如く制御信号を重み付けの基とし
て活用できる。
【0024】一方、図9のクロック同期型ロジック回路
では、DAC30の出力制御信号を抑制する回路を使用
している。これにより、プログラム動作において特に安
定したタイミングを要求するI/O52のアクセスに際
して、DAC30の出力を抑制し、周波数の変化を一時
的に止めることができる。I/O52のアクセスに際し
て、/I/O−CS信号は、L(低)レベルとなる。そ
のため、DAC30の出力は、0.4〜0.7Vにクラ
ンプされ、発振回路の発振周波数を、一時的に固定する
ことが可能である。
【0025】尚、図9のクロック同期型ロジック回路で
は、制御信号/I/O−CSによりDAC30の出力を
直接抑制していた。しかし、図10に示す如きDAC3
0Dを使用することにより、ディスエーブル(Disabl
e)信号によりDAC30の出力を、例えば0.4〜
0.7Vにクランプし、発振回路の周波数を一時的に固
定可能である。このDAC30Dは、図6に示すDAC
30CのR−2R抵抗回路網の出力側と出力バッファ3
5間にトランジスタ38を接続して、出力バッファ35
の入力端子をDisable制御信号により実質的に接地す
る。
【0026】以上、本発明によるクロック同期型ロジッ
ク回路の好適実施形態の構成および動作を詳述した。し
かし、斯かる実施形態は、本発明の単なる例示に過ぎ
ず、何ら本発明を限定するものではないことに留意され
たい。本発明の要旨を逸脱することなく、特定用途に応
じて種々の変形変更が可能であること、当業者には容易
に理解できよう。
【0027】
【発明の効果】以上の説明から理解される如く、本発明
のクロック同期型ロジック回路によると、次の如き実用
上の顕著な効果が得られる。クロック信号を生成する発
振回路に、可変制御電圧を印加してクロック周波数を可
変することにより、発生するEMI放射ノイズのピーク
周波数を拡散するので、放射ノイズのピークを抑えるク
ロック同期型ロジック回路が実現可能である。この可変
制御電圧は、ロジック回路から1ビット以上のデジタル
信号を使用しても、またCPUのアドレス信号その他の
信号を使用可能である。これにより、CPUに繋がる全
ての制御信号の周波数も変化するため、アドレス信号、
DATA信号、CE、OE、RAS、CASおよびイネ
ーブル等の全ての信号から発生するEMI放射ノイズの
拡散が行える。また、本発明を実施するための構成部品
は、安価、軽量且つ小型であるため、EMI放射ノイズ
の低減にかかるコストの低減およびそれを使用する装置
の小型化に寄与する。更に、この発振周波数の変化は、
可変容量ダイオード等の可変容量素子の可変範囲のみで
推移するため、周波数の範囲が正確に規定できる。その
ため、ロジック回路動作のセットアップ/ホールドタイ
ムの範囲内で動作することが論理的に検証でき、装置動
作の裏付けを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるクロック同期型ロジック回路の第
1実施形態の基本構成を示すブロック図である。
【図2】図1に示すクロック同期型ロジック回路の動作
説明用タイミングチャートである。
【図3】本発明によるクロック同期型ロジック回路の第
2実施形態の構成を示すブロック図である。
【図4】図3に示すのクロック同期型ロジック回路に使
用するD/A変換器の第1具体例の回路図である。
【図5】図3に示すクロック同期型ロジック回路に使用
するD/A変換器の第2具体例の回路図である。
【図6】図3に示すクロック同期型ロジック回路に使用
するのD/A変換器の第3具体例の回路図である。
【図7】本発明によるクロック同期型ロジック回路の応
用するロジック回路のブロック図である。
【図8】図3に示す本発明によるクロック同期型ロジッ
ク回路の第1変形例のブロック図である。
【図9】図3に示す本発明によるクロック同期型ロジッ
ク回路の第2変形例のブロック図である。
【図10】図9に示すクロック同期型ロジック回路に好
適なD/A変換器の具体的な回路図である。
【図11】従来のクロック同期型ロジック回路の基本構
成を示すブロック図である。
【図12】図11に示すクロック同期型ロジック回路の
課題を説明するタイミングチャートである。
【符号の説明】
10 発振回路 11 振動子 12 インバータ(増幅器) 13、14 コンデンサ 20 ロジックゲート 30 D/A変換器 31 可変容量素子(可変容量ダイオード) 40 CPU 50 ROM 51 RAM 52 I/O 53 アドレスデコーダ

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】振動子を含む発振回路により生成されるク
    ロック信号に同期して動作するクロック同期型ロジック
    回路において、 該ロジック回路からのデジタル信号を入力とするデジタ
    ル・アナログ変換器(DAC)と、該DACから出力さ
    れる制御電圧により静電容量が変化する可変容量素子と
    を設け、該可変容量素子により、前記発振回路の前記振
    動子の発振周波数を変化させることを特徴とするクロッ
    ク同期型ロジック回路。
  2. 【請求項2】前記DACに入力されるデジタル信号は、
    少なくとも1ビット以上のデジタル信号であり、該デジ
    タル信号の組み合わせにより前記可変容量素子の制御電
    圧を出力することを特徴とする請求項1に記載のクロッ
    ク同期型ロジック回路。
  3. 【請求項3】前記DACに入力されるデジタル信号は、
    CPU(中央処理装置)がROM又はRAM等に出力す
    るアドレス信号であることを特徴とする請求項1又は2
    に記載のクロック同期型ロジック回路。
  4. 【請求項4】前記DACに入力されるデジタル信号は、
    CPUから出力されるアドレス信号および/RAM−C
    S等の制御信号の組み合わせであることを特徴とする請
    求項1又は2に記載のクロック同期型ロジック回路。
  5. 【請求項5】前記DACから前記可変容量素子に入力さ
    れる制御電圧は、特定の制御信号に応じて一定値にクラ
    ンプ可能なクランプ手段を有することを特徴とする請求
    項1乃至4の何れかに記載のクロック同期型ロジック回
    路。
  6. 【請求項6】前記DACは、R−2R抵抗回路網を含む
    ことを特徴とする請求項1乃至5の何れかに記載のクロ
    ック同期型ロジック回路。
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