JP2006165680A - Pll回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】
チャージポンプ回路によって生じる位相オフセットを低減するPLL回路の提供。
【解決手段】
入力信号Vinと出力信号Voutの位相を比較する位相周波数比較器(PFD)10と、PFDからのアップ信号UPの活性化時に容量21を充電しダウン信号DNの活性化時に容量21を放電し容量21の端子電圧を制御電圧Vcontとして出力するチャージポンプ回路20と、Vcontに応じた周波数の出力信号を出力するVCO30を備え、VCOの出力がPFDに出力信号として帰還入力されるPLL回路において、PFDは、UP、DNがともに活性化された時点から、それぞれ所定の遅延量遅延させてUP、DNをリセットするように制御を行う遅延量調整回路14を備え、UPとDNがともに活性化されたときの制御電圧に対応した基準電圧Vrefと、Vcontを比較し、遅延量調整回路14に制御信号Vup、Vdnを出力する比較アンプ40を備え、チャージポンプ回路20の持つ電流オフセット特性に応じて、UP、DNのパルス幅を調整する。
【選択図】
図1

Description

本発明は、PLL回路に関し、特に、チャージポンプ型のPLL回路に適用して好適な回路構成に関する。
近時、CMOS LSI製品の高速化(動作クロック周波数の向上)に伴い、PLL(Phase Locked Loop;位相同期ループ)回路を搭載したLSI製品が多数製造・販売されており、PLL回路に要求される精度はますます高くなってきている。
従来のチャージポンプ型のPLL回路では、位相のオフセットが存在し、また温度、電圧、製造ばらつき等による特性の変動が、回路特性に与える影響が大きく、このため、改善を要する。
図10は、従来のチャージポンプ型PLL回路の構成の一例を示す図である(非特許文献1参照)。図10を参照すると、位相周波数比較器(PFD:「位相周波数比較器」ともいう)10’と、チャージポンプ回路20と、電圧制御発振器(VCO)30を備え、VCO30の出力Voutは位相周波数比較器10’に帰還入力されている。位相周波数比較器(PFD)10’は、出力信号Voutと入力信号Vinの位相を比較し、比較結果であるアップ信号UPとその相補信号UPb、及び、ダウン信号DNとその相補信号DNbを出力し、このうち、UPbとDNがチャージポンプ回路20に入力される。電源VDDにデータ入力端子Dが接続されVinをクロック入力端子CKに入力しVinの立ち上がりエッジに応答してデータ入力端子Dの信号(HIGHレベル)をサンプルし正転出力端子Qと反転出力端子QBからHIGHレベルのUP、LOWレベルのUPbを出力する、リセット付D型フリップフロップ11と、電源VDDにデータ入力端子Dが接続されVoutをクロック入力端子CKに入力し、Voutの立ち上がりエッジに応答してデータ入力端子Dの信号をサンプルし、正転出力端子Qと反転出力端子QBからHIGHレベルのDN、LOWレベルのDNbを出力するリセット付D型フリップフロップ12と、UPとDNを入力とするAND回路13とを備え、D型フリップフロップ11、12のリセット端子Rには、AND回路13の出力が入力される。UPとDNがHIGHレベルとなると、AND回路13からのresetがHIGHレベルとなり、D型フリップフロップ11、12のリセット端子に入力され、D型フリップフロップ11、12がリセットされ、その結果、それぞれの出力はUP、DNはLOWレベルにリセットされ、また、それぞれの相補信号UPb、DNbはHIGHレベルにリセットされる。
チャージポンプ回路20は、ソースが電源VDDに接続され、ゲートがVb2(バイアス電圧)に接続されたPMOSトランジスタPa1と、ソースがPMOSトランジスタPa1のドレインに接続され、ゲートにUPbを入力するPMOSトランジスタPa2と、ドレインがPMOSトランジスタPa2のドレインに接続され、ゲートにDNを入力とするNMOSトランジスタNa2と、ドレインがNMOSトランジスタNa2のソースに接続され、ゲートにVb1を入力とし、ソースがグランド(GND)に接続されたNMOSトランジスタNa1を備えている。このチャージポンプ回路20は、UPがHIGHレベル、したがってUPbがLOWレベルのとき、PMOSトランジスタPa2がオンし、電流源をなすPMOSトランジスタPa1からソース電流Isource(吐出電流)によって容量21が充電される。一方、DNがHIGHレベルのとき、NMOSトランジスタNa2がオンし、電流源をなすNMOSトランジスタNa1から、シンク電流Isink(吸込電流)により容量21が放電される。電流源PMOSトランジスタPa1とNMOSトランジスタNa1は、それぞれに供給されるバイアス電圧Vb1、Vb2により、ソース電流Isourceとシンク電流Isinkができるだけ等しくなるように設定されている。ソース電流Isourceとシンク電流Isinkは、UPb、DN信号によりそれぞれオン・オフ制御されるトランジスタPa1、Na2がオンする時間により、それぞれ、流れる時間が調整され、容量21の電圧が、VCO30に制御電圧Vcontとして供給される。
なお、チャージポンプの電流補正回路として特許文献1には、図12に示すように、位相比較器のUP、DNパルスを用いてLPF(ループフィルタ)の容量を充放電する際、PMOSトランジスタP12とNMOSトランジスタN12の出力インピーダンスのずれから生じる充電電流、放電電流の差を抽出し、その両電流の差を等しくするようにセンスアンプ(AMP)5で補正し、センスアンプ(AMP)5の出力により、PMOSトランジスタP12、P14に帰還をかけ、出力電圧Vcontを一定とするか、所定の電圧幅を実現するようにしたチャージポンプが開示されている。
また、特許文献2には、位相比較器とチャージポンプの間にパルス調節器を備え、位相比較器からチャージポンプへのUP、DOWNパルス信号のパルス幅を制御するパルス幅調節器を備え、ロックインタイムの短縮を可能としたPLL回路が開示されている。
さらに、特許文献3には、参照クロックと帰還クロックの位相を比較する位相比較器、チャージポンプ及びループフィルタ、発振器を備えたフィードバックループと、参照クロックと帰還クロックを入力するパルス発生回路と、パルス幅判定回路を備え、フィードバックループでのディレイと位相比較間隔との比に応じた位相補正量を調整する構成としたPLL回路が開示されている。
特許文献4には、位相比較器における位相不感帯が小さくなるように、位相比較器のリセット信号を遅延させる構成としたPLL回路が開示されている。
特許文献5には、位相比較器の位相差に応じた電流または電圧を発生する回路に、2つの電流源を設け、周波数引き込みを行う際は、回路の動作電流を大として高利得で動作させ、位相合わせを行う際には回路の動作電流を小として低利得で動作させるPLL回路の構成が開示されている。
特許文献6には、PLL回路の位相がずれてロックするのを防止する構成として、電流設定用のPNPトランジスタ、電流調整用のNPNトランジスタ、帰還型増幅器を備え、出力端子電圧が変動した場合も、オフセット電流がフィルタに流れず、フィルタへのチャージ、ディスチャージ電流のバランスを保つようにしたチャージポンプの構成が開示されている。
特許文献7には、リファレンスクロックとVCO出力クロックの位相差を検出する定常位相誤差検出部が、PLL回路が引き込み終了状態にあるときにのみ定常位相誤差検出を行う制御信号を出力し定常位相誤差検出部を制御する制御手段と、定常位相誤差に応じて、リファレンスクロックラインとVCOからのフィードバックラインに負荷を付加する負荷回路手段を備えた構成が開示されている。
Behzad Razavi著、黒田忠弘訳、「アナログCMOS集積回路の設計 応用編」 丸善、2003年3月30日 第667〜691頁、 特開2003−87115号公報 特開2000−349626号公報 特開2002−141798号公報 特開2004−64742号公報 特開平11−205133号公報 特開平11−298261号公報 特許第3425909号公報
チャージポンプ回路20は、回路を構成するトランジスタの物理的特性により特定の出力電位以外では必ず電流値にオフセットが生じるために、これを起因とする位相オフセットが生じる。図11(A)、図11(B)は、図10のチャージポンプ回路20の電流オフセットが存在する場合における、ロック前、ロック後のVin、Vout、UP、DN、容量21の端子電圧である制御電圧のVcont(理論値と、実際の電圧波形)の推移を示す図である。ロックとは、VinとVoutの周波数が一致し、位相変化がなくなった安定した状態を示す。理想的には、位相差はなくなるのが望ましいが、実際には、多少のオフセットが存在する。図11(A)には、周波数は、ほぼ一致したが位相が合っていず、まだ変化している状態が示されている。VinがVoutよりも若干早く動作しているため、UPのセット側のパルス幅が広くなっている。UPのみがHIGHレベルの状態では、容量21はソース電流Isourceにより充電され、制御電圧Vcontは単純に上昇する。
UPとDNがともにHIGHレベルの状態では、Isource電流とIsink電流により、本来、等しい電流量にて、充電、放電されるため、Vcontのレベルは、理想的には変化しない。この様子を、Vcont(ideal)で示す。しかしながら、実際には、例えば電流オフセットの存在(一例としてIsourceがIsinkよりもやや少ない)により、UPとDNがともにHIGHレベルの状態では、Vcontは、立ち下がることとなる。この様子をVcont(real)で示す。
そして、電流オフセットがあると、ロック後も、Vin、Voutの立ち上がり時に、図11(B)に示すような静的な位相オフセットが生じた状態でのロック状態となる。
なお、チャージポンプ回路の電流オフセットを低減するために、レプリカのチャージポンプ回路を用いたDC(直流)的な補正手段を単に設ける構成とした場合、位相周波数検出回路の出力信号の立ち上り時間の影響や、電源電圧の低電圧化により、調整幅の制限が厳しく調整範囲が狭くなる等の問題がある。
したがって、本発明の目的は、チャージポンプ回路によって生じる位相オフセットを低減するPLL回路を提供することにある。
本願で開示される発明は、前記目的を達成するため、概略以下の構成とされる。
本発明に係るPLL回路は、位相周波数比較器(PFD)のパルス幅を調整する手段を有し、チャージポンプ回路の持つオフセット特性に応じて、上記パルス幅を調整することにより、チャージポンプ回路によって生じる位相オフセットを低減する構成としたものである。
本発明の1つのアスペクトに係るPLL回路は、入力信号と出力帰還信号の位相・周波数を比較する位相周波数比較器と、前記位相周波数比較器からの比較結果に応じた制御電圧を生成するチャージポンプ回路と、前記制御電圧に応じた周波数の出力信号を生成する電圧制御発振器と、を備え、前記電圧制御発振器の出力信号が前記位相周波数比較器に前記出力帰還信号として供給されるPLL回路において、前記位相周波数比較器が、前記入力信号を入力し、前記入力信号の遷移に応答して活性状態の第1の信号を出力する第1のフリップフロップと、前記出力帰還信号を入力し、前記入力信号の遷移に応答して活性状態の第2の信号を出力する第2のフリップフロップと、前記第1及び第2の信号を入力し、前記第1及び第2の信号がともに活性状態のときにリセット信号を出力する論理回路と、前記論理回路から出力されるリセット信号を入力し前記リセット信号をそれぞれ個別に遅延させてなる第1及び第2のリセット信号をそれぞれ前記第1及び第2のフリップフロップのリセット端子に供給する遅延量調整回路と、を備えている。
本発明において、前記第1及び第2の信号がともに活性状態のときに、前記チャージポンプ回路で生成される制御電圧に対応した電圧を生成し基準電圧として出力する基準電圧発生回路と、前記チャージポンプ回路から出力される制御電圧と、前記基準電圧発生回路から出力される前記基準電圧を比較し、該比較結果に基づき、前記遅延量調整回路での前記第1及び第2のリセット信号の遅延量をそれぞれ可変制御させる制御信号を生成する比較アンプ回路と、を備えた構成としてもよい。
本発明において、前記入力信号の遷移が検出されたときに活性化される第3の信号を出力し、前記出力帰還信号の遷移が検出されたときに活性化される第4の信号を出力する第2の位相周波数比較器と、前記第2の位相周波数比較器から出力される前記第3及び第4の信号を比較し、比較結果に基づき、前記遅延量調整回路での前記第1及び第2のリセット信号の遅延量を可変制御させる制御信号を生成する比較アンプ回路と、を備えた構成としてもよい。
本発明の他のアスペクトに係るPLL回路は、入力信号と出力信号の位相を比較する位相比較器と、前記位相比較器から出力される位相比較結果信号に応じて容量を充放電し、位相比較結果に対応する制御電圧を出力するチャージポンプと、前記制御電圧に応じた周波数の出力信号を出力する電圧制御発振器と、を備え、前記電圧制御発振器の出力が前記位相比較器に前記出力信号として帰還入力されるPLL回路において、前記位相比較結果信号が活性状態とされ、前記入力信号と前記出力信号の位相が一致していることを示すときの前記制御電圧に対応する基準電圧を生成する回路と、前記基準電圧と、前記チャージポンプの前記制御電圧とを比較し該比較結果に基づき、制御信号を生成する回路と、を備え、前記位相比較器は、前記制御信号に基づき、活性状態とされている前記位相比較結果信号を非活性状態にリセットする遅延時間を可変制御させる回路を備えている。あるいは、前記入力信号と前記出力信号の位相を比較する第2の位相比較器と、前記第2の位相比較器から出力される位相比較結果信号に基づき、制御信号を生成する回路を備え、前記第1の位相比較器は、前記制御信号に基づき、活性状態とされている前記位相比較結果信号を非活性状態にリセットする遅延時間を可変制御させる構成としてもよい。
本発明によれば、チャージポンプ回路の持つオフセット特性に応じて、位相周波数検出回路のパルス幅を調整することにより、チャージポンプ回路によって生じる位相オフセットを低減しており、電源電圧の低減によるDC的な制限がなく、広い範囲でオフセットを調整することができる。
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。本発明の一実施の形態のPLL回路は、図1を参照すると、入力クロック信号と出力帰還クロック信号の位相・周波数を比較する位相周波数比較器(10)と、位相周波数比較器からの比較結果に応じた制御電圧を生成するチャージポンプ回路(20)と、前記制御電圧に応じた周波数の出力信号を生成する電圧制御発振器(30)と、を備え、電圧制御発振器(30)の出力信号が前記位相周波数比較器(10)に前記出力帰還クロック信号として供給されるPLL回路において、位相周波数比較器(10)は、入力クロック信号を入力し、前記入力クロック信号の遷移(立ち上がり又は立ち下りの遷移の一方)に応答して活性状態の第1の信号を出力する第1のフリップフロップ(11)と、出力帰還クロック信号を入力し、前記出力帰還クロック信号の遷移に応答して活性状態の第2の信号を出力する第2のフリップフロップ(12)と、第1及び第2の信号を入力し、前記第1及び第2の信号がともに活性状態のときにリセット信号(reset)を出力する論理回路(13)と、論理回路(13)から出力されるリセット信号を入力し前記リセット信号をそれぞれ個別に遅延させてなる第1及び第2のリセット信号をそれぞれ前記第1及び第2のフリップフロップ(11、12)のリセット端子(R)に供給する遅延量調整回路(14)を備えている。
遅延量調整回路(14)における遅延の制御を行う回路として、DNとUPが活性化されたときの制御電圧に対応した電圧を生成し基準電圧(Vref)として出力する回路(60)と、VrefとVcontを比較し、比較結果に応じて遅延量調整回路(14)に対して制御信号(Vup、Vdn)を出力する比較器(40)を備え、遅延量調整回路(14)は、制御信号(Vup、Vdn)に基づき、UP、DNのリセットの遅延時間を調整する。すなわち、チャージポンプ回路(20)の持つ電流オフセット特性に応じて、UP、DNのパルス幅を調整する。あるいは、別の実施の形態として、図3を参照すると、入力信号Vinと出力信号Voutの位相を比較する位相周波数比較器(PFD)10Bを備え、PFD10Bから出力される位相比較結果信号(UP2、DN2)のパルス幅に応じたレベル差の制御信号(Vup、Vdn)を生成する回路(41)を備え、位相周波数比較器(PFD)10Aの遅延量調整回路(14)は、前記制御信号(Vup、Vdn)に基づき、UP、DNのリセットの遅延時間を調整する構成としてもよい。以下、実施例に即して説明する。
図1は、本発明の第1の実施例の構成を示す図である。図1に示すように、本実施例のPLL回路は、基本的なチャージポンプ型PLL回路の構成をとっており、Vinは入力されるリファレンスクロック信号、Voutは出力クロック信号である。図10に示した構成の位相周波数比較回路10’に、遅延量調整回路14を新たに設け、基準電圧Vref(UP、DNがともにHIGHレベルのときのチャージポンプ回路20の制御電圧に対応する)と、VCO30に供給される制御電圧Vcontとを電圧比較し、遅延量を制御するための制御信号Vup、Vdnを出力する電圧比較器(比較アンプ回路)40をさらに備え、信号Vup、Vdnの積分値(容量51、52の端子電圧)が、遅延量調整回路14に供給される構成としたものである。
位相周波数比較器(PFD)10は、VoutとVinの位相を比較し、比較結果をアップ信号UPと、その相補信号UPb、ダウン信号DNとその相補信号DNbとして出力し、図1の回路構成の場合、UPbとDNがチャージポンプ回路20に入力される。
位相周波数比較器(PFD)10は、電源VDD(HIGHレベル)にデータ入力端子Dが接続され入力信号Vinをクロック入力端子CKに入力し、Vinの立ち上がりエッジに同期して、データ入力端子Dの信号をサンプルし、正転出力端子Qと反転出力端子QBから、HIGHレベルのUP、LOWレベルのUPbを出力するリセット付D型フリップフロップ11と、電源VDDにデータ入力端子Dが接続され、出力帰還信号Voutをクロック入力端子CKに入力し、Voutの立ち上がりエッジに同期して、データ入力端子Dの信号をサンプルし、正転出力端子Qと反転出力端子QBから、HIGHレベルのDN、LOWレベルのDNbを出力するリセット付D型フリップフロップ12と、UPとDNを入力とするAND回路13と、AND回路13の出力信号(reset)を入力し、リセット信号Rup、Rdnをそれぞれ出力する遅延量調整回路(V−Delay)14と、を備え、遅延量調整回路(V−Delay)14でそれぞれ遅延が調整されたリセット信号Rup、Rdnは、D型フリップフロップ11、12のリセット端子Rにそれぞれ入力される。
チャージポンプ回路20は、ソースが電源VDDに接続され、ゲートがVb2に接続されたPMOSトランジスタPa1と、ソースがPMOSトランジスタPa1のドレインに接続され、ゲートにUPbを入力するPMOSトランジスタPa2と、ドレインがPMOSトランジスタPa2のドレインに接続され、ゲートにVb1を入力とするNMOSトランジスタNa2と、ドレインがNMOSトランジスタNa2のソースに接続され、ゲートにDNを入力とし、ソースがグランドに接続されたNMOSトランジスタNa1を備えている。電流源として、PMOSトランジスタPa1とNMOSトランジスタNa1を有し、バイアス電圧Vb1、Vb2により、ソース電流Isourceとシンク電流Isinkができるだけ等しくなるように設定されている。ソース電流Isourceとシンク電流Isinkは、UPb、DN信号によりオン・オフ制御されるトランジスタPa1、Na2がオンする時間により、流れる時間が調整される。
アップ反転信号UPbとダウン信号DNのパルス幅が等しく、かつ、Isource=Isinkが成り立つ場合、制御電圧Vcont(容量21の端子電圧)は変化しない。
アップ反転信号UPbのパルス幅が、ダウン信号DNのパルス幅よりも広い場合、制御電圧Vcontは上昇し、ダウン信号DNのパルス幅がアップ反転信号UPbのパルス幅よりも広い場合、制御電圧Vcontは下降する。Vcontは、電圧制御発振器(VCO)30の制御信号でとして入力される。電圧制御発振器30に供給される制御電圧Vcontが高いほど、発振クロック信号Voutの周波数は高い。
入力信号Vinが入力されると(すなわち、Vinの立ち上がりエッジに応答して)、D型フリップフロップ11は、UPをHIGHレベル、UPbをLOWレベルとして出力する。
帰還出力信号Voutが入力されると(Voutの立ち上がりエッジに応答して)、D型フリップフロップ12は、DNをHIGHレベル、DNbをLOWレベルとして出力する。
AND回路13は、これらUPとDNの論理積(AND)をとったreset信号を、遅延量調整回路14に出力し、遅延量調整回路14は、制御された遅延時間後に、RupをD型フリップフロップ11に、Rdnを、D型フリップフロップ12のリセット端子Rに供給し、これを受けて両方のD型フリップフロップ11、12は、それぞれの出力UPとDNをLOWレベルに、UPbとDNbをHIGHレベルにリセットする。
遅延量調整回路14は、入力されるVup、Vdnにより、入力信号resetから、Rup、Rdnまでの遅延時間を別々に制御する。図4は、図1の遅延量調整回路14の回路構成の一例を示す図である。リセット信号resetを入力とし、Rupを出力する第1の遅延線(2段のインバータINV1、INV2からなる)と、resetを入力とし、Rdnを出力する第2の遅延線(2段のインバータINV3、INV4からなる)と、を備え、第1、第2の遅延線の電源は例えばVup、Vdnで与えられ、独立した遅延の制御を行える。電源電圧の高低に応じて、インバータの遅延時間は短長に可変制御される。あるいは、遅延線を構成するインバータの電源端子と電源間に電流源トランジスタを備え、電流源トランジスタのバイアス電圧をVup(Vdn)で与えることで、インバータの遅延時間を可変制御する構成としてもよい。なお、遅延線の構成については、上記構成に限定されるものでなく、他の任意の回路構成を用いてもよいことは勿論である。
図1の遅延量調整回路14におけるそれぞれのリセット信号Rup、Rdnの遅延量を制御するための信号Vup、Vdn信号は、比較アンプ回路(CMP)40から出力される。
比較アンプ回路(CMP)40は、レプリカチャージポンプ(RefG)からなる基準電圧発生回路60から出力される基準電圧Vrefと、チャージポンプ回路20の出力電圧Vcontとを電圧比較し、VcontがVrefよりも高い場合には、Vupの電圧を上昇させ、逆に、VcontがVrefよりも低い場合には、Vdnの電圧を上昇させる。信号Vupの電圧が上昇すると、遅延量調整回路14からのRupの遅延時間は短縮する。一方、Vdnの電圧が上昇すると、遅延量調整回路14からのRdnの遅延時間は短縮する。
図5は、比較アンプ回路(CMP)40の回路構成の1例を示す図である。図5を参照すると、ソースが共通接続されVcontと基準電圧Vrefをゲートに入力とし、差動対を構成するトランジスタNc1、Nc2と、差動対トランジスタの共通ソースにドレインが接続され、ゲートにVb1を入力とし、ソースがGNDに接続され、差動対に定電流を供給する電流源をなすNMOSトランジスタNc3と、差動対の能動負荷回路をなすカレントミラー回路(Pc1、Pc2)を備えている。カレントミラー回路は、ソースが電源に接続され、ドレインとゲートが接続され、NMOSトランジスタNc1のドレインに接続されたPMOSトランジスタPc1と、ソースが電源に接続され、ゲートが、PMOSトランジスタPc1のゲートに接続され、ドレインがNMOSトランジスタNc2のドレインに接続されたPMOSトランジスタPc2を備えている。差動対と負荷回路の接続点からVdn、Vupが取り出される。Vref>Vcontの場合、Vup>Vdn(Vupの電圧が上昇)、Vref<Vcontの場合、Vup<Vdnとなる(Vdnの電圧が上昇)。
基準電圧発生回路(RefG)60は、チャージポンプ回路20と同様の構成になっている。すなわち、ソースが電源VDDに接続され、ゲートがVb2に接続されたPMOSトランジスタPb1と、ソースがPMOSトランジスタPb1のドレインに接続され、ゲートにLOWレベル固定電位を入力するPMOSトランジスタPb2と、ドレインがPMOSトランジスタPb2のドレインに接続され、ゲートにHIGHレベル固定電位を入力とするNMOSトランジスタNb2と、ドレインがNMOSトランジスタNb2のソースに接続され、ゲートにHIGHレベル固定電位を入力とし、ソースがグランドに接続されたNMOSトランジスタNb1を備えている。基準電圧発生回路(RefG)60は、チャージポンプ回路20におけるUPb入力を接地(グランド電位)、DN入力を電源(VDD)に接続することにより、NMOS側とPMOS側に同じ電流が流れる時の出力電位を生成し、基準電圧Vrefとして出力する。
図7は、図1のVCO30の構成の一例を示す図である。VCOは奇数段のインバータ列の最終段の出力を、初段のインバータの入力端に帰還入力したリングオシレータで構成され、4段目のインバータを、出力用としている。制御電圧Vcontを3段のリングオシレータの電源とし、発振周波数を制御している。電源電圧の高低に応じて、インバータの遅延時間は短長に可変制御される。あるいは、リングオシレータを構成するインバータの電源端子と電源間に電流源トランジスタを備え、電流源トランジスタのバイアス電圧を制御電圧Vcontで与えることで、インバータの遅延時間を可変制御する構成としてもよい。
図8は、VCO30における制御電圧Vcontと出力周波数の関係の一例を示す図である。図8に示すように、制御電圧Vcontの値が高くなるほど、発振クロックの周波数は高くなる。図8に示す例では、Vcont=1.2Vで、1.6GHzの出力周波数となる。
ここで、チャージポンプ回路20の電流オフセットについて、図9を参照して説明する。チャージポンプ回路20を構成する電流源のPMOSトランジスタPa1及びNMOSトランジスタNa1は、MOSトランジスタであるため、次式(1)に示すように、飽和領域においても、λ(チャネル長変調係数)によるVD(ドレイン・ソース間電圧)依存性を有する。
ID=1/2(uCox)W/L・(VG−Vth)・(1+λVD) … (1)
ただし、IDは、ドレイン電流、uは実効移動度、Coxはゲート酸化膜容量、Wはチャネル幅、Lはチャネル長、VGは、ゲート・ソース間電圧、Vthはしきい値電圧、λはチャネル長変調係数、VDはドレイン・ソース間電圧である。
図9(A)は、ソース電流Isource、シンク電流Isinkと、制御電圧Vcontの特性の1例を示している。Vcountが高いほど、シンク電流Isinkは上昇し、ソース電流Isourceは減少し、逆に、Vcontが低いほど、シンク電流Isinkが減少し、ソース電流Isourceが増加する図9(B)は、IsourceからIsinkを差し引いた値Isource−Isinkと制御電圧Vcontの特性を示している。
図9に示す例では、電源電圧が1.8Vで、Vcont=0.9Vのときに、IsourceとIsinkが等しくなるとしている。この出力が、図1の基準電圧回路60の出力電圧Vrefとなる。このため、例えば、Vinが1.6GHzであった場合に、Voutも1.6GHzになるためには、Vcont=1.2Vが必要になるが、この電圧では、ソース電流Isourceの電流値はシンク電流Isinkと比べて少ないため、この分を、位相比較結果信号UP、DNのパルス幅で吸収するように動作する。すなわち、ソース電流Isourceの充電量を増加するために、アップパルス信号UPのパルス幅をやや広くする必要がある。
本実施例では、制御電圧Vcontと基準電圧Vrefを比較し、比較結果に基づき、Vup、Vdnでその遅延が制御される遅延量調整回路14を備え、遅延量調整回路14により、UPのリセットのタイミングを遅らせることにより、パルス幅を調整し、入力信号Vinと、出力帰還クロック信号Voutの位相のオフセットを減少できる。
一方、図10を参照して説明した従来のPLL回路のように、本実施例の遅延量調整回路14によるリセット側(UP、DNの立ち下がりエッジ側)でのパルス幅の調整を欠く場合、UPのセット側すなわち、Vinが早く入力される位置で安定点となるため、この分が、位相のオフセットとして残ることになり(図11(B)の「static offset」参照)、PLL回路の動作誤差となる。
上記で説明したように本発明では、位相周波数検出回路のパルス幅を調整する手段を有し、チャージポンプ回路の持つオフセット特性に応じて上記パルス幅を調整することにより、チャージポンプ回路によって生じる位相オフセットを低減できる。
図2は、本実施例のPLLの動作タイミング例を示す図である。図2(A)は、ロック前、図2(B)は、ロック後である。前述したように、ロックとは、VinとVoutの周波数が一致し、位相変化がなくなった安定した状態を示す。理想的には、位相差はなくなるのが望ましいが、実際には、多少のオフセットが存在する。
図2(A)では、周波数は、ほぼ一致したが位相が合っていず、まだ変化している状態が示されている。VinがVoutよりも若干早く動作しているため、UPのセット側のパルス幅が広くなっているUPのみがHIGHレベルの状態では、制御電圧Vcont(real)は、ソース電流Isourceにより充電され単純に上昇する。
UPとDNが両方HIGHレベルの状態では、ソース電流Isourceとシンク電流Isinkにより等量充放電されるため、制御電圧Vcontのレベルは理想的には変化しない。この様子を、Vcont(ideal)で示す。
実際には、上述の1.6GHz動作では、制御電圧Vcontは1.2V近辺となるため、ソース電流Isourceがシンク電流Isinkよりもやや少ない。
このため、UPとDNが、ともにHIGHレベルの状態では、制御電圧Vcontは若干下降することとなる。この様子をVcont(real)で示す。
本実際例では、制御電圧Vcontと、基準電圧Vrefのレベルの差により、遅延量調整回路14により、UPとDNのリセット側のタイミングをそれぞれ調整しているため、DNが早く、UPが遅くリセットされる。
このため、UPとDNがともにHIGHレベルの状態で下がった分の制御電圧Vcontレベルを、リセットが遅いUPで容量21を充電し、理想動作Vcont(ideal)と同様のレベルに保っている。
図2(B)では、ロック後の状態を示す。このとき、周波数は、上記と同様のため、Vcontのレベルは、1.2Vとなる。
VinとVoutの位相・周波数ともに一致しているため、UPとDNのセット側(パルスの立ち上がりエッジ側)に、タイミングは一致している。
上記と同様に、UPとDNが両方ともHIGHの状態では、若干、制御電圧Vcontが下降するが、リセット側(パルスの立ち下がりエッジ側)のタイミングが調整され、リセットが遅く行われるUPで容量21を充電するため、Vcontはレベルを保持し、オフセットが小さい状態で保たれる。
このように、位相周波数比較器10の出力信号のパルスのリセットタイミングを、チャージポンプ回路20の電流オフセットに応じて調整することで、位相オフセットを低減できる。
次に、本発明の第2の実施例について説明する。本発明の第2の実施例は、VinとVoutの位相差を直接測定する構成としたものであり、動作環境、例えば製造ばらつき、電源電圧、動作温度等による影響をほとんど受けないという利点を有する。図3は、本発明の第2の実施例構成を示す図である。図1と同一又は同等の要素には、同一の参照符号が付されている。
図3を参照すると、本実施例では、遅延量調整回路14の遅延を制御するための信号Vup、Vdnを生成する回路構成が、前記第1の実施例と相違している。位相周波数比較回路10A、チャージポンプ回路20、VCO30は、図1に示した構成と同様である。本実施例では、位相周波数比較回路10Bをさらに備え、図1の比較アンプ回路40の代わりに、比較アンプ回路41を備えている。位相周波数比較回路10Bは、D型フリップフロップ11B、12B、AND回路13Bを備え、遅延量調節回路を具備せず、図10の位相周波数比較回路10’の構成と同一の構成とされる。ただし、位相周波数比較回路10Bは、正転出力UP2、DN2を出力する(反転出信号UP2b、DN2bは出力しない)。比較アンプ回路(CMP2)41は、出力UP2、DN2を比較し、パルス幅に応じて、出力信号Vup、Vdnの電圧を制御する。位相周波数比較回路10Bでは、遅延量調整回路がないため、UP2及びDN2のリセットタイミングは同一になる。また、VinとVoutに位相オフセットがある場合、UP2とDN2のパルス幅が異なる。
比較アンプ回路(CMP2)41は、差動積分型のチャージポンプとして構成され(差動型の比較アンプ回路と容量51、52を備える)、DNとUPのパルス幅の差(位相差)を、VupとVdnのレベル差として出力し、DNとUPのパルス幅の差がなくなった後も、そのレベル差を保持する。図6は、比較アンプ回路(CMP2)41の構成の一例を示す図である。この比較アンプ回路(CMP2)41は、差動対の出力対と電源間に接続される負荷回路として、第1のカレントミラー回路(Pd1、Pd2)と、第1のカレントミラー回路とは入力と出力が逆に位置する第2のカレントミラー回路(Pd3、Pd4)を備え、差動対と負荷回路の接続点からVdn、Vupが取り出される。
本実施例では、VinとVoutの位相差をVdnとVupのレベル差として、積分して(容量51、52)、遅延量調整回路14におけるパルス幅(リセットによるUP、DNの立ち下りのタイミング)にフィードバックするため、VinとVoutの位相差がなくなるレベルで、遅延量調整回路14の遅延を制御するための信号Vup、Vdnが保持される。
本実施例は、前記実施例と比べ、その回路構成は複雑になるが、直接、位相差をパルス幅にフィードバックできるため、調整精度を特段に向上している。
さらに、位相差を直接測定しているので、動作環境、すなわち製造ばらつき、電源電圧、動作温度による影響も、ほとんど受けないという利点を有する。
なお、上記各実施例において、VCO、遅延量調整回路、比較アンプ回路CMP、CMP2は、上記構成にのみ限定されるものでなく、同一機能を有するものであれば、任意の回路を用いても良い。また本実施例は、位相周波数比較器(PFD)のパルス幅の制御に限定されず、2つの位相を比較してアップ、ダウン信号をチャージポンプ回路に出力する位相比較器(PD)にも適用可能であることは勿論である。以上、本発明を上記実施例に即して説明したが、本発明は、上記実施例の構成にのみ限定されるものでなく、本発明の範囲内で当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。
本発明の第1の実施例の構成を示す図である。 (A)、(B)は、本発明の第1の実施例のロック前、ロック後の動作を説明するための図である。 本発明の第2の実施例の構成を示す図である。 図1、図3の遅延量調整回路の構成の一例を示す図である。 図1の比較アンプ回路の構成の一例を示す図である。 図3の比較アンプ回路の構成の一例を示す図である。 図1のVCOの構成の一例を示す図である。 VCOの電圧周波数特性を示す図である。 チャージポンプの動作を説明するための図である。 従来のPLLの構成の一例を示す図である。 (A)、(B)は、図10のロック前、ロック後の動作を説明するための図である。 特許文献1のチャージポンプ回路の構成を示す図である。
符号の説明
4 CP(チャージポンプ)回路
5 センスアンプ
10、10A、10B、10’ 位相周波数比較器
11、11A、11B、12、12A、12B リセット付きD型フリップフロップ
13、13A、13B AND
14 遅延量調整回路
20 チャージポンプ回路
21 容量
30 VCO
40、41 比較アンプ回路
51、52 容量
60 基準電圧発生回路

Claims (12)

  1. 入力信号と出力帰還信号の位相・周波数を比較する位相周波数比較器と、
    前記位相周波数比較器からの比較結果に応じた制御信号を生成するチャージポンプ回路と、
    前記制御信号に応じた周波数の出力信号を生成する発振器と、
    を備え、前記発振器の出力信号が前記位相周波数比較器に前記出力帰還信号として供給されるPLL回路において、
    前記位相周波数比較器における比較結果出力信号のパルス幅を調整する手段を備え、前記チャージポンプ回路の持つオフセット特性に応じて前記パルス幅が調整され、位相オフセットを低減してなる、ことを特徴とするPLL回路。
  2. 入力信号と出力帰還信号の位相・周波数を比較する位相周波数比較器と、
    前記位相周波数比較器からの比較結果に応じた制御電圧を生成するチャージポンプ回路と、
    前記制御電圧に応じた周波数の出力信号を生成する電圧制御発振器と、
    を備え、前記電圧制御発振器の出力信号が前記位相周波数比較器に前記出力帰還信号として供給されるPLL回路において、
    前記位相周波数比較器が、
    前記入力信号を入力し、前記入力信号の遷移に応答して活性状態の第1の信号を出力する第1のフリップフロップと、
    前記出力帰還信号を入力し、前記出力帰還信号の遷移に応答して活性状態の第2の信号を出力する第2のフリップフロップと、
    前記第1及び第2の信号を入力し、前記第1及び第2の信号がともに活性状態のときにリセット信号を出力する論理回路と、
    前記論理回路から出力されるリセット信号を入力し前記リセット信号をそれぞれ個別に遅延させてなる第1及び第2のリセット信号をそれぞれ前記第1及び第2のフリップフロップのリセット端子に供給する遅延量調整回路と、
    を備えている、ことを特徴とするPLL回路。
  3. 前記第1及び第2の信号がともに活性状態のときに前記チャージポンプ回路で生成される制御電圧に対応した電圧を生成し基準電圧として出力する基準電圧発生回路と、
    前記チャージポンプ回路から出力される制御電圧と、前記基準電圧発生回路から出力される前記基準電圧を比較し、該比較結果に基づき、前記遅延量調整回路での前記第1及び第2のリセット信号の遅延量をそれぞれ可変制御させる第1及び第2の制御信号を生成する比較アンプ回路と、
    を備えている、ことを特徴とする請求項2記載のPLL回路。
  4. 前記入力信号の遷移が検出されたときに活性化される第3の信号を出力し、前記出力帰還信号の遷移が検出されたときに活性化される第4の信号を出力する第2の位相周波数比較器と、
    前記第2の位相周波数比較器から出力される前記第3及び第4の信号を比較し、比較結果に基づき、前記遅延量調整回路での前記第1及び第2のリセット信号の遅延量を可変制御させる第1及び第2の制御信号を生成する比較アンプ回路と、
    を備えている、ことを特徴とする請求項2記載のPLL回路。
  5. 前記比較アンプ回路から出力される制御信号を積分した値が、前記遅延量調整回路に供給される、ことを特徴とする請求項3又は4記載のPLL回路。
  6. 前記比較アンプ回路は、前記第3及び第4の信号のパルス幅の差を、前記第1及び第2の制御信号のレベル差として出力保持する、ことを特徴とする請求項4記載のPLL回路。
  7. 前記チャージポンプ回路が、第1の電源と制御電圧出力端子間に直列形態に接続される、第1のスイッチ、及び、吐出電流を供給する第1の電流源と、
    第2の電源と前記制御電圧出力端子間に直列形態に接続される、第2のスイッチ、及び、吸込電流を供給する第2の電流源と、
    前記制御電圧出力端子と前記第2の電源間に接続されている容量と、
    を備え、前記第1及び第2のスイッチは、前記第1及び第2の信号が活性化されたときにそれぞれオンする、ことを特徴とする請求項2記載のPLL回路。
  8. 前記第1の電源と基準電圧出力端子間に直列形態に接続される、オン状態の第3のスイッチ、及び、吐出電流を供給する第3の電流源と、
    第2の電源と前記基準電圧出力端子間に直列形態に接続される、オン状態の第4のスイッチ、及び吸込電流を供給する第4の電流源と、
    を備え、前記基準電圧出力端子より基準電圧を出力する基準電圧生成回路を備え、
    前記比較アンプ回路は、前記基準電圧生成回路からの基準電圧と前記制御電圧を電圧比較し、前記第1及び第2の制御信号を出力する、ことを特徴とする請求項7記載のPLL回路。
  9. 前記遅延量調整回路は、前記論理回路からのリセット信号を共通に入力し、入力したリセット信号を、前記比較アンプ回路から入力される前記制御信号で規定される遅延量遅延させて前記第1及び第2のリセット信号をそれぞれ出力する第1及び第2の可変遅延回路を備えている、ことを特徴とする請求項3又は4記載のPLL回路。
  10. 入力信号と出力信号の位相を比較する位相比較器と、
    前記位相比較器から出力される位相比較結果信号に応じて容量を充放電し、位相比較結果に対応する制御電圧を出力するチャージポンプ回路と、
    前記制御電圧に応じた周波数の出力信号を出力する電圧制御発振器と、を備え、前記電圧制御発振器の出力が前記位相比較器に前記出力信号として帰還入力されるPLL回路において、
    前記位相比較結果信号が活性状態とされ、前記入力信号と前記出力信号の位相が一致していることを示すときの前記制御電圧に対応する基準電圧を生成する回路と、
    前記基準電圧と、前記チャージポンプ回路の前記制御電圧とを比較し該比較結果に基づき、制御信号を生成する回路と、
    を備え、
    前記位相比較器は、前記制御信号に基づき、活性状態とされている前記位相比較結果信号を非活性状態にリセットする遅延時間を可変制御させる回路を備えている、ことを特徴とするPLL回路。
  11. 入力信号と出力信号の位相を比較する第1の位相比較器と、
    前記第1の位相比較器から出力される位相比較結果信号に応じて容量を充放電し、位相比較結果に対応する制御電圧を出力するチャージポンプ回路と、
    前記制御電圧に応じた周波数の出力信号を出力する電圧制御発振器と、を備え、前記電圧制御発振器の出力が前記第1の位相比較器に前記出力信号として帰還入力されるPLL回路において、
    前記入力信号と前記出力信号の位相を比較する第2の位相比較器と、
    前記第2の位相比較器から出力される位相比較結果信号に基づき、制御信号を生成する回路と、
    を備え、
    前記第1の位相比較器は、前記制御信号に基づき、活性状態とされている前記位相比較結果信号を非活性状態にリセットする遅延時間を可変制御させる回路を備えている、ことを特徴とするPLL回路。
  12. 前記位相比較器は、位相差及び周波数の差の検出を行う位相周波数検出器よりなる、ことを特徴とする請求項10又は11記載のPLL回路。
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