JP2004289422A - 分周回路 - Google Patents
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Abstract
【課題】消費電力の削減と必要なFF回路の削減を図る。
【解決手段】高速動作素子によって構成され入力クロックCLK1の周波数を1/MのクロックCLK2に分周して出力する高速分周回路11と、低速動作素子によって構成され前記クロックCLK2の周波数を1/NのクロックCLK3に分周して出力する低速分周回路12とを具備し、両分周回路11,12によって前記入力クロックCLK1の周波数を1/(M×N)に分周する。
【選択図】 図1
【解決手段】高速動作素子によって構成され入力クロックCLK1の周波数を1/MのクロックCLK2に分周して出力する高速分周回路11と、低速動作素子によって構成され前記クロックCLK2の周波数を1/NのクロックCLK3に分周して出力する低速分周回路12とを具備し、両分周回路11,12によって前記入力クロックCLK1の周波数を1/(M×N)に分周する。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入力信号の周波数を分周する分周回路にかかり、特に低消費電力で且つ少ない数のFF回路で構成できる分周回路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図11に従来のジョンソンカウンタを用いた分周回路の構成を示す。(a)の分周回路は偶数分周回路の場合を示し、m個のFF回路1と1個のインバータ2からなり、m段目のFF回路1のQ出力を初段のFF回路1のD入力に帰還させることにより、入力クロックCLK1の周波数を1/2mに分周したクロックCLK2を出力する。(b)の分周回路は奇数分周回路を示し、n個のFF回路1とNOR回路3からなり、n段目のFF回路1のQ出力とn−1段目のFF回路1のQ出力の否定論理和をNOR回路3で得てその出力を初段のFF回路1のD入力に帰還させることにより、入力クロックCLK1の周波数を1/(2n−1)に分周したクロックCLK2を出力する。図12は12分周回路をCML(Current Mode Logic)論理によるFF回路4を用いて構成した場合を示す。5はCML/CMOSレベル変換回路である。従来の奇数分周回路としては特許文献1がある。
【0003】
【特許文献1】特開平10−261953号公報。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
図11に示したジョンソンカウンタを用いた分周回路では、すべてのFF回路1に同じ周波数のクロックCLK1が入力されるため、そのクロックCLK1の周波数が高い場合には、すべてのFF回路が高速動作を可能とする機能を具備しなければならない。しかし、一般的に高速動作が可能なFF回路は消費電力が大きく、よって分周比が大きいほど消費電力が大きくなる。また、分周比が奇数である場合、分周信号のデューティ比を補正するためには、高速クロックを論理演算の信号に用いる必要があった。
【0005】
本発明の目的は、低消費電力で高速動作が可能で、分周比が奇数の場合でもデューティ比が劣化しないようにした分周回路を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
請求項1にかかる発明は、高速動作可能であるが消費電力が大きな回路によって構成され入力信号の周波数を1/M(Mは任意の整数)に分周する高速分周回路と、消費電力が小さいが低速動作の回路によって構成され前記高速分周回路によって分周された信号の周波数を1/N(Nは任意の整数)に分周する低速分周回路とを具備し、前記両分周回路によって前記入力信号の周波数を1/(M×N)に分周することを特徴とする分周回路とした。
【0007】
請求項2にかかる発明は、請求項1に記載の分周回路において、前記高速分周回路はCML論理によるFF回路を具備し、前記低速分周回路はCMOS論理によるFF回路を具備し、前記高速分周回路と前記低速分周回路の間に、CMLレベルからCMOSレベルに変換するCML/CMOSレベル変換回路が挿入されていることを特徴とする分周回路とした。
【0008】
請求項3にかかる発明は、請求項1又は2に記載の分周回路において、前記低速分周回路の分周比Nが奇数であり、且つ前記低速分周回路の出力信号のデューティ比を調整するデューティ比補正回路を前記低速分周回路の出力側に接続したことを特徴とする分周回路とした。
【0009】
請求項4にかかる発明は、請求項2に記載の分周回路において、前記CML/CMOSレベル変換回路は、論理閾値の調整により前記高速分周回路から出力する信号のデューティ比を調整することを特徴とする分周回路とした。
【0010】
請求項5にかかる発明は、請求項3に記載の分周回路において、前記デューティ比補正回路は、前記高速分周回路から出力する出力信号と、前記低速分周回路を構成する所定のFF回路のD入力信号と、該所定のFF回路のQ出力信号とを入力し、該Q出力信号が第1の論理レベルの場合は該第1の論理レベルを出力し、且つ前記Q出力信号と前記D入力信号の反転信号と前記出力信号のすべてが第2の論理レベルの場合に前記第1の論理レベルを出力する論理演算を行う回路であることを特徴とする分周回路とした。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明の分周回路においては、分周比Gが素数(当該の数以外の約数を持たない数)ではない整数であるとき、GをG=M×Nとなる整数M、Nに分割して順次分周する。図1に示すように、初段の分周回路は高速動作が可能であるが消費電力の大きいCML論理(Current Mode Logic)によるM分周用の高速分周回路11とし、ここで入力クロックCLK1をM分周してクロックCLK2を生成する。後段の分周回路は低消費電力であるが低速動作のN分周用のCMOS論理による低速分周回路12とし、高速分周回路11で得られたクロックCLK2をN分周して出力クロックCLK3を生成する。このように高速分周回路11と低速分周回路12を組み合わせることで、従来の同じ分周比の分周回路と比して大幅に消費電力を削減できる。
【0012】
高速分周回路11や低速分周回路12において、それぞれが偶数分周を行うときは、図11(a)に示したようなインバータを使用する接続構成とし、奇数分周を行うときは図11(b)に示したようなNOR回路を使用する接続構成とする。そして、整数M、Nがいずれも偶数のときは、いずれも図11(a)に類似の接続構成とするが、Gは偶数ではあるが整数MとNの一方が偶数で他方が奇数の場合は、高速分周回路11の側を奇数分周用にすることにより、G分周出力のデューティ比を50%にできる。
【0013】
さらに、低速分周回路12の分周比Nが奇数の場合は、その低速分周回路12の後段にデューティ比補正回路13を具備させることで、奇数分周による出力クロックCLK3のデューティ比の劣化を改善した出力クロックCLK4を出力する。高速分周回路11の分周比Mも奇数の場合で、高速分周回路11にデューティ比補正回路を具備することが困難な場合は、論理演算における理論値として完全な50%とすることはできないが、デューティ比Dは、D=(M×N−1)/(2×M×N)で与えられる値に改善できる。また、高速分周回路11から低速分周回路12へのレベル変換部や低速分周回路へ入力するためのバッファ回路部における論理閾値の調整によりデューティ比を調整できる。
【0014】
図2は、分周比Gが奇数であり、Gを奇数Mと奇数Nの積で表した場合の分周回路を示す図である。M分周を行う高速分周回路11はm個のCML論理によるFF回路111と1個のNOR回路112により構成され、N分周を行う低速分周回路12はn個のCMOS論理によるFF回路121と1個のNOR回路122により構成されている。高速分周回路11の出力クロックCLK2は、CML/CMOSレベル変換回路14にてCMOSレベルに変換される。このとき、M分周後のクロックCLK2の周波数は、入力クロックCLK1の周波数の1/Mとなっている。このクロックCLK2をN分周の低速分周回路12のクロックとして入力すると、ここでN分周され、出力クロックCLK3の周波数は1/Gとなって出力される。さらに低速分周回路12において、初段のFF回路121のデータ入力端子Dの信号をインバータ131で反転した反転信号と、当該初段のFF回路121のQ出力信号と、高速分周回路11の出力クロックCLK2とをデューティ比補正回路13に入力して論理演算することで、デューティ比を補正した出力クロックCLK4を出力する。
【0015】
以上のように、高速分周回路11をCML論理によるFF回路111で構成し、低速分周回路12をCMOS論理によるFF回路121で構成して、低速分周回路12の入力クロックとして、高速分周回路11でM分周されたクロックCLK2を用いることにより、例えば、5GHz以上の高速クロックをCMOSデバイスによる回路でG分周することが実現できる。
【0016】
従来の分周回路は一種類のFF回路を複数用いて構成するものであり、ジョンソンカウンタを用いた一般的な回路(図11)では、入力クロックCLK1が高速なときは、FF回路1はすべてその高速な入力クロックCLK1で動作する必要があり消費電力が増大する。また、Gが奇数である場合は、デューティ比を補正する回路が別途必要であり、このデューティ比補正回路も、高速なクロックCLK1を用いた論理演算回路で構成する必要があり同様に消費電力が増大する。
【0017】
これに対し、本発明の分周回路は、高速分周回路11と低速分周回路12を組み合わせることで、消費電力および回路の占有面積を削減したものであり、奇数分周を行う場合には、デューティ比の補正を低速分周回路12の出力側で行うことで、デューティ比補正動作に伴うグリッチの発生や誤動作を防止できる。
【0018】
[第1の実施形態]
図3は第1の実施形態の偶数分周回路の構成を示す図である。本実施形態は、G=12の場合である。従来のジョンソンカウンタによりG=12の分周回路を構成するときは、図12に示すようにFF回路4が6個が必要である。また、5GHz以上の高速分周をCMOSデバイス回路にて実現するためには、FF回路4はCML論理による回路構成とする必要がある。
【0019】
本実施形態の分周回路では、入力クロックCLK1を6GHzとしてこれを12分周して500MHzの出力クロックCLK3を得るために、12分周を3分周と4分周に分割し、3分周は高速分周回路11に割り当て、4分周は低速分周回路12に割り当てる。高速分周回路11はCML論理による高速の2個のFF回路111と1個のNOR回路112により構成できる。また、低速分周回路12はCMOS論理による低消費電力の2個のFF回路121と1個のインバータ123により構成できる。ここでは、高速分周回路11からの出力クロックCLK2は2GHzとなるので、低速分周回路12のFF回路121は最高動作周波数を2GHzとすればよい。このようにすることにより、図12の従来の分周回路が6個のFF回路を必要としたのに比較すると、より少ない4個のFF回路で12分周回路を構成でき、しかも低消費電力となる。
【0020】
上記した高速分周回路11は差動信号を扱うので、CML論理によるFF回路111は図4に示すように、NMOSトランジスタMN1〜MN7と、負荷抵抗RL1,RL2からなるラッチ回路により構成する。また、CML/CMOSレベル変換回路14も、図5に示すように、NMOSトランジスタMN8〜MN16と、PMOSトランジスタMP1〜MP4から構成する。低速分周回路12のFF回路121は一般的なCMOS論理によるマスタ・スレーブDFF回路の構成とする。
【0021】
図6は、図12で示した従来構成の12分周回路と図3で示した本実施形態の12分周回路のシミュレーション結果を示す図である。入力クロックCLK1を振幅が400mV、中心電圧が1.4Vの差動入力とし、CMOSレベル(CMOS論理の電源電圧)を1.5Vとした。どちらも12分周により6GHzの入力クロックが500MHzの出力クロックに変換されている。また、本実施形態による12分周回路では、高速分周回路11の出力クロックCLK2のデューティ比は1/3となっているが、次段の低速分周回路12が偶数分周であるため、12分周後の出力は50%に回復している。
【0022】
図12の従来回路による12分周回路の消費電力は約29.7mWである(接合温度Tj=60℃)。これに対して、図3の本実施形態による12分周回路の消費電力は約17.8mWであり、約40%削減されている。本実施形態の分周回路は、消費電力の大きなCML論理による回路を削減できるため、入力クロックCLK1が高速であっても消費電力を大幅に削減することができ、分周比が大きくなるほどこの削減効果が大きくなる。
【0023】
[第2の実施形態]
図7は第2の実施形態の奇数分周回路の構成を示す図である。本実施形態は、G=33の場合である。33という分周比は、たとえば10Gb/sのEtherやOIF(Optical Internetworking Forum)規格の10Gb/s光通信における64/66bitエンコードで必要となる比率である。したがって、約10GHzのクロックを1/2にプリスケーラした約5GHzのクロック(OIF VSR(Very Short Reach)−5規格のFFC(Forward Error Correction)レートの64/66bitモード゛では約5.54GHz)を33分周する能力が求められる。
【0024】
本発明の構成により33分周回路を実現するためには、M=3、N=11とする。すなわち、3分周回路はCML論理による2個のFF回路111と1個のNOR回路113からなる高速分周回路11で構成し、11分周回路はCMOS論理による6個のFF回路121と1個のNOR回路122からなる低速分周回路12で構成する。また、低速分周回路12の後段に、デューティ比補正回路13を具備させることで、デューティ比補正しない場合の約45.5%を約48.5%に改善することができる。
【0025】
高速分周回路11のFF回路111は、前記した図4に示した回路のように構成され、CML/CMOSレベル変換回路14は前記した図5に示した回路のように構成されている。また、差動のNOR回路113は図8に示すように、NMOSトランジスタMN17〜MN20と負荷抵抗RL3,RL4により構成されている。さらにデューティ比補正回路13は図7に示すように、3個のインバータ132,133,134と、2個のOR回路135,136と、1個のNOR回路137とから構成されている。ただし、インバータ134は必ずしも必要ない。
【0026】
図7では、デューティ比補正回路13に入力される信号として、低速分周回路12のA点の信号をインバータ131で反転した信号と、B点の信号と、クロックCLK2を例示しているが、Aの反転信号とB点の信号の代わりに、B点の反転信号とC点の信号、もしくはC点の反転信号とD点の信号、もしくはC点の反転信号とD点の信号というように、特定のFF回路121のD入力の反転信号とQ出力信号およびクロックCLK2であればよい。
【0027】
図9は第2の実施形態の分周回路の動作のタイムチャートである。入力されるクロックCLK1はCML論理による3分周の高速分周回路11によりデューティ比1/3で3分周されたクロックCLK2となる。このクロックCLK2はCML/CMOSレベル変換回路14でレベル変換された後、低速分周回路12にクロックとして入力され、そこで11分周されてクロックCLK3として出力する。このとき、デューティ比補正前の出力(図7のF点)は、デューティ比が5/11となる。このように高速分周回路11において1/3のデューティ比であったものが低速分周回路12では5/11になる。すなわち、高速分周回路11のデューティ比は、デューティ比補正回路13を具備しない低速分周回路12のデューティ比には無関係である。
【0028】
デューティ比補正回路13は、11分周回路を構成する低速分周回路12の各FF回路121の出力であるB、C、D、E、F、CLK3、およびNOR回路122の出力Aが、「A,B,C,・・・,F,CLK3」の順にそれぞれ入力クロックCLK2の1クロック分ずつ位相が遅延していることを利用した回路である。図9(b)に示したとおり、AがハイレベルでBとCLK2がローレベルとなる場合はBの1サイクル当り1回のみである。
【0029】
すなわち、デューティ比補正回路13は、出力Aの反転信号、出力B、およびCLK2を入力信号とし、OR回路136はBがハイレベルの場合はハイレベルを出力し、且つ、Aの反転信号とBとクロックがすべてローレベルの場合にハイレベルを出力する。具体的には、Aの反転信号とCLK2の論理和出力をOR回路135で求め、これとBの論理否定和をNOR回路137で求め、これとBの論理和をOR回路136で演算する。ただし、クロックCLK2に対してAやBの信号はFF回路121の動作による遅延を含んでいるため、クロックCLK2の立ち上がり時にグリッジの発生を伴う危険がある。
【0030】
そこで、本実施例におけるデューティ比補正回路13では、Bがハイレベルの場合はOR回路136から必ずハイレベルを出力せしめるために、図7におけるデューティ比補正回路13のX点の出力を2段のインバータ132,133により遅延させてからBとの論理和を演算している。最終的なクロックCLK4のデューティ比はクロックCLK3のデューティ比5/11から32/33に改善されている。
【0031】
図10にこの第2の実施形態の33分周回路のシミュレーション結果を示す。第1の実施形態の12分周回路と同様に入力クロックCLK1を6GHzとし、1.4Vを中心とする400mVの振幅の差動入力とした。デューティ比補正前のCLK3のデューティ比は、約45.5%であるが、デューティ比補正後のCLK4はほば50%に回復している。理論的には約48.5%となるが、CML/CMOSレベル変換回路14での波形や、デューティ比補正回路13の論理閾値などで若干変動する。これについては、CMOS/CMLレベル変換回路14のレベル変換部(図5のトランジスタMN8〜MN14、MP1,MP2部分)や、バッファー部(図5のトランジスタMP3,MP4,MN15,MN16部分)の論理閾値を調整することにより、3分周する高速分周回路11の出力クロックCLK2、すなわち11分周する低速分周回路12への入力クロックのデューティ比を改善することができる。
【0032】
【発明の効果】
本発明によれば、同じ分周比の分周回路を構成する場合、従来例に比べて消費電力を大幅に削減でき、また、必要なFF回路の数も削減することができ、回路面積の削減に貢献できる。
【0033】
また、奇数の分周比をもつ分周回路においても高速動作が可能で、且つ低消費電力化が達成できる。また、奇数の分周比をもつ分周回路に伴うデューティ比悪化の問題も、低速分周回路の後段にデューティ比補正回路を具備することで、誤動作の生じない安定なクロックを用いることができ、確実なデューティ比補正が可能となる。
【0034】
したがって、例えば、4分周以上の分周比である偶数分周回路、あるいは9分周以上の分周比である奇数分周回路を構成する場合において、5GHz以上の高速クロックの分周を少ない消費電力で行うことが可能となり、デューティ比劣化が少なく、信頼性の高い分周クロックを提供する回路として、とりわけ光通信分野など、10Gb/s以上の高速動作が求められる分野において、廉価で高度な回路集積が可能なCMOSデバイスによる半導体集積回路の提供に貢献するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の分周回路の基本構成を示すブロック図である。
【図2】奇数の分周比の分周回路の基本構成を示すブロック図である。
【図3】第1の実施形態の偶数分周回路の構成を示すブロック図である。
【図4】CML論理によるFF回路の構成を示す回路図である。
【図5】CML/CMOSレベル変換回路の構成を示す回路図である。
【図6】第1の実施形態の動作説明のためのシミュレーション結果を示す図である。
【図7】第2の実施形態の奇数分周回路の構成を示すブロック図である。
【図8】CML論理によるNOR回路の構成を示す回路図である。
【図10】第2の実施形態の動作説明のためのシミュレーション結果を示す図である。
【図11】(a)は従来の一般的な偶数分周回路のブロック図、(b)は奇数分周回路のブロック図である。
【図12】従来のCML論理によるFF回路を使用した12分周の分周回路のブロック図である。
【符号の説明】
1:CMOS論理によるFF回路、2:インバータ、3:NOR回路、4:CML論理によるFF回路、5:CML/CMOSレベル変換回路
11:高速分周回路、111:CML論理によるFF回路、112,113:CML論理によるNOR回路
12:低速分周回路、121:CMOS論理によるFF回路、122:CMOS論理によるNOR回路、123:CMOS論理によるインバータ
13:デューティ比補正回路、131〜134:インバータ、135,136:OR回路、137:NOR回路
14:CML/CMOSレベル変換回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、入力信号の周波数を分周する分周回路にかかり、特に低消費電力で且つ少ない数のFF回路で構成できる分周回路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図11に従来のジョンソンカウンタを用いた分周回路の構成を示す。(a)の分周回路は偶数分周回路の場合を示し、m個のFF回路1と1個のインバータ2からなり、m段目のFF回路1のQ出力を初段のFF回路1のD入力に帰還させることにより、入力クロックCLK1の周波数を1/2mに分周したクロックCLK2を出力する。(b)の分周回路は奇数分周回路を示し、n個のFF回路1とNOR回路3からなり、n段目のFF回路1のQ出力とn−1段目のFF回路1のQ出力の否定論理和をNOR回路3で得てその出力を初段のFF回路1のD入力に帰還させることにより、入力クロックCLK1の周波数を1/(2n−1)に分周したクロックCLK2を出力する。図12は12分周回路をCML(Current Mode Logic)論理によるFF回路4を用いて構成した場合を示す。5はCML/CMOSレベル変換回路である。従来の奇数分周回路としては特許文献1がある。
【0003】
【特許文献1】特開平10−261953号公報。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
図11に示したジョンソンカウンタを用いた分周回路では、すべてのFF回路1に同じ周波数のクロックCLK1が入力されるため、そのクロックCLK1の周波数が高い場合には、すべてのFF回路が高速動作を可能とする機能を具備しなければならない。しかし、一般的に高速動作が可能なFF回路は消費電力が大きく、よって分周比が大きいほど消費電力が大きくなる。また、分周比が奇数である場合、分周信号のデューティ比を補正するためには、高速クロックを論理演算の信号に用いる必要があった。
【0005】
本発明の目的は、低消費電力で高速動作が可能で、分周比が奇数の場合でもデューティ比が劣化しないようにした分周回路を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
請求項1にかかる発明は、高速動作可能であるが消費電力が大きな回路によって構成され入力信号の周波数を1/M(Mは任意の整数)に分周する高速分周回路と、消費電力が小さいが低速動作の回路によって構成され前記高速分周回路によって分周された信号の周波数を1/N(Nは任意の整数)に分周する低速分周回路とを具備し、前記両分周回路によって前記入力信号の周波数を1/(M×N)に分周することを特徴とする分周回路とした。
【0007】
請求項2にかかる発明は、請求項1に記載の分周回路において、前記高速分周回路はCML論理によるFF回路を具備し、前記低速分周回路はCMOS論理によるFF回路を具備し、前記高速分周回路と前記低速分周回路の間に、CMLレベルからCMOSレベルに変換するCML/CMOSレベル変換回路が挿入されていることを特徴とする分周回路とした。
【0008】
請求項3にかかる発明は、請求項1又は2に記載の分周回路において、前記低速分周回路の分周比Nが奇数であり、且つ前記低速分周回路の出力信号のデューティ比を調整するデューティ比補正回路を前記低速分周回路の出力側に接続したことを特徴とする分周回路とした。
【0009】
請求項4にかかる発明は、請求項2に記載の分周回路において、前記CML/CMOSレベル変換回路は、論理閾値の調整により前記高速分周回路から出力する信号のデューティ比を調整することを特徴とする分周回路とした。
【0010】
請求項5にかかる発明は、請求項3に記載の分周回路において、前記デューティ比補正回路は、前記高速分周回路から出力する出力信号と、前記低速分周回路を構成する所定のFF回路のD入力信号と、該所定のFF回路のQ出力信号とを入力し、該Q出力信号が第1の論理レベルの場合は該第1の論理レベルを出力し、且つ前記Q出力信号と前記D入力信号の反転信号と前記出力信号のすべてが第2の論理レベルの場合に前記第1の論理レベルを出力する論理演算を行う回路であることを特徴とする分周回路とした。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明の分周回路においては、分周比Gが素数(当該の数以外の約数を持たない数)ではない整数であるとき、GをG=M×Nとなる整数M、Nに分割して順次分周する。図1に示すように、初段の分周回路は高速動作が可能であるが消費電力の大きいCML論理(Current Mode Logic)によるM分周用の高速分周回路11とし、ここで入力クロックCLK1をM分周してクロックCLK2を生成する。後段の分周回路は低消費電力であるが低速動作のN分周用のCMOS論理による低速分周回路12とし、高速分周回路11で得られたクロックCLK2をN分周して出力クロックCLK3を生成する。このように高速分周回路11と低速分周回路12を組み合わせることで、従来の同じ分周比の分周回路と比して大幅に消費電力を削減できる。
【0012】
高速分周回路11や低速分周回路12において、それぞれが偶数分周を行うときは、図11(a)に示したようなインバータを使用する接続構成とし、奇数分周を行うときは図11(b)に示したようなNOR回路を使用する接続構成とする。そして、整数M、Nがいずれも偶数のときは、いずれも図11(a)に類似の接続構成とするが、Gは偶数ではあるが整数MとNの一方が偶数で他方が奇数の場合は、高速分周回路11の側を奇数分周用にすることにより、G分周出力のデューティ比を50%にできる。
【0013】
さらに、低速分周回路12の分周比Nが奇数の場合は、その低速分周回路12の後段にデューティ比補正回路13を具備させることで、奇数分周による出力クロックCLK3のデューティ比の劣化を改善した出力クロックCLK4を出力する。高速分周回路11の分周比Mも奇数の場合で、高速分周回路11にデューティ比補正回路を具備することが困難な場合は、論理演算における理論値として完全な50%とすることはできないが、デューティ比Dは、D=(M×N−1)/(2×M×N)で与えられる値に改善できる。また、高速分周回路11から低速分周回路12へのレベル変換部や低速分周回路へ入力するためのバッファ回路部における論理閾値の調整によりデューティ比を調整できる。
【0014】
図2は、分周比Gが奇数であり、Gを奇数Mと奇数Nの積で表した場合の分周回路を示す図である。M分周を行う高速分周回路11はm個のCML論理によるFF回路111と1個のNOR回路112により構成され、N分周を行う低速分周回路12はn個のCMOS論理によるFF回路121と1個のNOR回路122により構成されている。高速分周回路11の出力クロックCLK2は、CML/CMOSレベル変換回路14にてCMOSレベルに変換される。このとき、M分周後のクロックCLK2の周波数は、入力クロックCLK1の周波数の1/Mとなっている。このクロックCLK2をN分周の低速分周回路12のクロックとして入力すると、ここでN分周され、出力クロックCLK3の周波数は1/Gとなって出力される。さらに低速分周回路12において、初段のFF回路121のデータ入力端子Dの信号をインバータ131で反転した反転信号と、当該初段のFF回路121のQ出力信号と、高速分周回路11の出力クロックCLK2とをデューティ比補正回路13に入力して論理演算することで、デューティ比を補正した出力クロックCLK4を出力する。
【0015】
以上のように、高速分周回路11をCML論理によるFF回路111で構成し、低速分周回路12をCMOS論理によるFF回路121で構成して、低速分周回路12の入力クロックとして、高速分周回路11でM分周されたクロックCLK2を用いることにより、例えば、5GHz以上の高速クロックをCMOSデバイスによる回路でG分周することが実現できる。
【0016】
従来の分周回路は一種類のFF回路を複数用いて構成するものであり、ジョンソンカウンタを用いた一般的な回路(図11)では、入力クロックCLK1が高速なときは、FF回路1はすべてその高速な入力クロックCLK1で動作する必要があり消費電力が増大する。また、Gが奇数である場合は、デューティ比を補正する回路が別途必要であり、このデューティ比補正回路も、高速なクロックCLK1を用いた論理演算回路で構成する必要があり同様に消費電力が増大する。
【0017】
これに対し、本発明の分周回路は、高速分周回路11と低速分周回路12を組み合わせることで、消費電力および回路の占有面積を削減したものであり、奇数分周を行う場合には、デューティ比の補正を低速分周回路12の出力側で行うことで、デューティ比補正動作に伴うグリッチの発生や誤動作を防止できる。
【0018】
[第1の実施形態]
図3は第1の実施形態の偶数分周回路の構成を示す図である。本実施形態は、G=12の場合である。従来のジョンソンカウンタによりG=12の分周回路を構成するときは、図12に示すようにFF回路4が6個が必要である。また、5GHz以上の高速分周をCMOSデバイス回路にて実現するためには、FF回路4はCML論理による回路構成とする必要がある。
【0019】
本実施形態の分周回路では、入力クロックCLK1を6GHzとしてこれを12分周して500MHzの出力クロックCLK3を得るために、12分周を3分周と4分周に分割し、3分周は高速分周回路11に割り当て、4分周は低速分周回路12に割り当てる。高速分周回路11はCML論理による高速の2個のFF回路111と1個のNOR回路112により構成できる。また、低速分周回路12はCMOS論理による低消費電力の2個のFF回路121と1個のインバータ123により構成できる。ここでは、高速分周回路11からの出力クロックCLK2は2GHzとなるので、低速分周回路12のFF回路121は最高動作周波数を2GHzとすればよい。このようにすることにより、図12の従来の分周回路が6個のFF回路を必要としたのに比較すると、より少ない4個のFF回路で12分周回路を構成でき、しかも低消費電力となる。
【0020】
上記した高速分周回路11は差動信号を扱うので、CML論理によるFF回路111は図4に示すように、NMOSトランジスタMN1〜MN7と、負荷抵抗RL1,RL2からなるラッチ回路により構成する。また、CML/CMOSレベル変換回路14も、図5に示すように、NMOSトランジスタMN8〜MN16と、PMOSトランジスタMP1〜MP4から構成する。低速分周回路12のFF回路121は一般的なCMOS論理によるマスタ・スレーブDFF回路の構成とする。
【0021】
図6は、図12で示した従来構成の12分周回路と図3で示した本実施形態の12分周回路のシミュレーション結果を示す図である。入力クロックCLK1を振幅が400mV、中心電圧が1.4Vの差動入力とし、CMOSレベル(CMOS論理の電源電圧)を1.5Vとした。どちらも12分周により6GHzの入力クロックが500MHzの出力クロックに変換されている。また、本実施形態による12分周回路では、高速分周回路11の出力クロックCLK2のデューティ比は1/3となっているが、次段の低速分周回路12が偶数分周であるため、12分周後の出力は50%に回復している。
【0022】
図12の従来回路による12分周回路の消費電力は約29.7mWである(接合温度Tj=60℃)。これに対して、図3の本実施形態による12分周回路の消費電力は約17.8mWであり、約40%削減されている。本実施形態の分周回路は、消費電力の大きなCML論理による回路を削減できるため、入力クロックCLK1が高速であっても消費電力を大幅に削減することができ、分周比が大きくなるほどこの削減効果が大きくなる。
【0023】
[第2の実施形態]
図7は第2の実施形態の奇数分周回路の構成を示す図である。本実施形態は、G=33の場合である。33という分周比は、たとえば10Gb/sのEtherやOIF(Optical Internetworking Forum)規格の10Gb/s光通信における64/66bitエンコードで必要となる比率である。したがって、約10GHzのクロックを1/2にプリスケーラした約5GHzのクロック(OIF VSR(Very Short Reach)−5規格のFFC(Forward Error Correction)レートの64/66bitモード゛では約5.54GHz)を33分周する能力が求められる。
【0024】
本発明の構成により33分周回路を実現するためには、M=3、N=11とする。すなわち、3分周回路はCML論理による2個のFF回路111と1個のNOR回路113からなる高速分周回路11で構成し、11分周回路はCMOS論理による6個のFF回路121と1個のNOR回路122からなる低速分周回路12で構成する。また、低速分周回路12の後段に、デューティ比補正回路13を具備させることで、デューティ比補正しない場合の約45.5%を約48.5%に改善することができる。
【0025】
高速分周回路11のFF回路111は、前記した図4に示した回路のように構成され、CML/CMOSレベル変換回路14は前記した図5に示した回路のように構成されている。また、差動のNOR回路113は図8に示すように、NMOSトランジスタMN17〜MN20と負荷抵抗RL3,RL4により構成されている。さらにデューティ比補正回路13は図7に示すように、3個のインバータ132,133,134と、2個のOR回路135,136と、1個のNOR回路137とから構成されている。ただし、インバータ134は必ずしも必要ない。
【0026】
図7では、デューティ比補正回路13に入力される信号として、低速分周回路12のA点の信号をインバータ131で反転した信号と、B点の信号と、クロックCLK2を例示しているが、Aの反転信号とB点の信号の代わりに、B点の反転信号とC点の信号、もしくはC点の反転信号とD点の信号、もしくはC点の反転信号とD点の信号というように、特定のFF回路121のD入力の反転信号とQ出力信号およびクロックCLK2であればよい。
【0027】
図9は第2の実施形態の分周回路の動作のタイムチャートである。入力されるクロックCLK1はCML論理による3分周の高速分周回路11によりデューティ比1/3で3分周されたクロックCLK2となる。このクロックCLK2はCML/CMOSレベル変換回路14でレベル変換された後、低速分周回路12にクロックとして入力され、そこで11分周されてクロックCLK3として出力する。このとき、デューティ比補正前の出力(図7のF点)は、デューティ比が5/11となる。このように高速分周回路11において1/3のデューティ比であったものが低速分周回路12では5/11になる。すなわち、高速分周回路11のデューティ比は、デューティ比補正回路13を具備しない低速分周回路12のデューティ比には無関係である。
【0028】
デューティ比補正回路13は、11分周回路を構成する低速分周回路12の各FF回路121の出力であるB、C、D、E、F、CLK3、およびNOR回路122の出力Aが、「A,B,C,・・・,F,CLK3」の順にそれぞれ入力クロックCLK2の1クロック分ずつ位相が遅延していることを利用した回路である。図9(b)に示したとおり、AがハイレベルでBとCLK2がローレベルとなる場合はBの1サイクル当り1回のみである。
【0029】
すなわち、デューティ比補正回路13は、出力Aの反転信号、出力B、およびCLK2を入力信号とし、OR回路136はBがハイレベルの場合はハイレベルを出力し、且つ、Aの反転信号とBとクロックがすべてローレベルの場合にハイレベルを出力する。具体的には、Aの反転信号とCLK2の論理和出力をOR回路135で求め、これとBの論理否定和をNOR回路137で求め、これとBの論理和をOR回路136で演算する。ただし、クロックCLK2に対してAやBの信号はFF回路121の動作による遅延を含んでいるため、クロックCLK2の立ち上がり時にグリッジの発生を伴う危険がある。
【0030】
そこで、本実施例におけるデューティ比補正回路13では、Bがハイレベルの場合はOR回路136から必ずハイレベルを出力せしめるために、図7におけるデューティ比補正回路13のX点の出力を2段のインバータ132,133により遅延させてからBとの論理和を演算している。最終的なクロックCLK4のデューティ比はクロックCLK3のデューティ比5/11から32/33に改善されている。
【0031】
図10にこの第2の実施形態の33分周回路のシミュレーション結果を示す。第1の実施形態の12分周回路と同様に入力クロックCLK1を6GHzとし、1.4Vを中心とする400mVの振幅の差動入力とした。デューティ比補正前のCLK3のデューティ比は、約45.5%であるが、デューティ比補正後のCLK4はほば50%に回復している。理論的には約48.5%となるが、CML/CMOSレベル変換回路14での波形や、デューティ比補正回路13の論理閾値などで若干変動する。これについては、CMOS/CMLレベル変換回路14のレベル変換部(図5のトランジスタMN8〜MN14、MP1,MP2部分)や、バッファー部(図5のトランジスタMP3,MP4,MN15,MN16部分)の論理閾値を調整することにより、3分周する高速分周回路11の出力クロックCLK2、すなわち11分周する低速分周回路12への入力クロックのデューティ比を改善することができる。
【0032】
【発明の効果】
本発明によれば、同じ分周比の分周回路を構成する場合、従来例に比べて消費電力を大幅に削減でき、また、必要なFF回路の数も削減することができ、回路面積の削減に貢献できる。
【0033】
また、奇数の分周比をもつ分周回路においても高速動作が可能で、且つ低消費電力化が達成できる。また、奇数の分周比をもつ分周回路に伴うデューティ比悪化の問題も、低速分周回路の後段にデューティ比補正回路を具備することで、誤動作の生じない安定なクロックを用いることができ、確実なデューティ比補正が可能となる。
【0034】
したがって、例えば、4分周以上の分周比である偶数分周回路、あるいは9分周以上の分周比である奇数分周回路を構成する場合において、5GHz以上の高速クロックの分周を少ない消費電力で行うことが可能となり、デューティ比劣化が少なく、信頼性の高い分周クロックを提供する回路として、とりわけ光通信分野など、10Gb/s以上の高速動作が求められる分野において、廉価で高度な回路集積が可能なCMOSデバイスによる半導体集積回路の提供に貢献するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の分周回路の基本構成を示すブロック図である。
【図2】奇数の分周比の分周回路の基本構成を示すブロック図である。
【図3】第1の実施形態の偶数分周回路の構成を示すブロック図である。
【図4】CML論理によるFF回路の構成を示す回路図である。
【図5】CML/CMOSレベル変換回路の構成を示す回路図である。
【図6】第1の実施形態の動作説明のためのシミュレーション結果を示す図である。
【図7】第2の実施形態の奇数分周回路の構成を示すブロック図である。
【図8】CML論理によるNOR回路の構成を示す回路図である。
【図10】第2の実施形態の動作説明のためのシミュレーション結果を示す図である。
【図11】(a)は従来の一般的な偶数分周回路のブロック図、(b)は奇数分周回路のブロック図である。
【図12】従来のCML論理によるFF回路を使用した12分周の分周回路のブロック図である。
【符号の説明】
1:CMOS論理によるFF回路、2:インバータ、3:NOR回路、4:CML論理によるFF回路、5:CML/CMOSレベル変換回路
11:高速分周回路、111:CML論理によるFF回路、112,113:CML論理によるNOR回路
12:低速分周回路、121:CMOS論理によるFF回路、122:CMOS論理によるNOR回路、123:CMOS論理によるインバータ
13:デューティ比補正回路、131〜134:インバータ、135,136:OR回路、137:NOR回路
14:CML/CMOSレベル変換回路
Claims (5)
- 高速動作可能であるが消費電力が大きな回路によって構成され入力信号の周波数を1/M(Mは任意の整数)に分周する高速分周回路と、消費電力が小さいが低速動作の回路によって構成され前記高速分周回路によって分周された信号の周波数を1/N(Nは任意の整数)に分周する低速分周回路とを具備し、前記両分周回路によって前記入力信号の周波数を1/(M×N)に分周することを特徴とする分周回路。
- 請求項1に記載の分周回路において、
前記高速分周回路はCML論理によるFF回路を具備し、前記低速分周回路はCMOS論理によるFF回路を具備し、前記高速分周回路と前記低速分周回路の間に、CMLレベルからCMOSレベルに変換するCML/CMOSレベル変換回路が挿入されていることを特徴とする分周回路。 - 請求項1又は2に記載の分周回路において、
前記低速分周回路の分周比Nが奇数であり、且つ前記低速分周回路の出力信号のデューティ比を調整するデューティ比補正回路を前記低速分周回路の出力側に接続したことを特徴とする分周回路。 - 請求項2に記載の分周回路において、
前記CML/CMOSレベル変換回路は、論理閾値の調整により前記高速分周回路から出力する信号のデューティ比を調整することを特徴とする分周回路。 - 請求項3に記載の分周回路において、
前記デューティ比補正回路は、前記高速分周回路から出力する出力信号と、前記低速分周回路を構成する所定のFF回路のD入力信号と、該所定のFF回路のQ出力信号とを入力し、該Q出力信号が第1の論理レベルの場合は該第1の論理レベルを出力し、且つ前記Q出力信号と前記D入力信号の反転信号と前記出力信号のすべてが第2の論理レベルの場合に前記第1の論理レベルを出力する論理演算を行う回路であることを特徴とする分周回路。
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