JP2007081656A - Periodic pulse generation circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、周波数の高い周期パルス信号を発生する周期パルス発生回路に関する。 The present invention relates to a periodic pulse generation circuit that generates a periodic pulse signal having a high frequency.
周期的なパルス信号はデジタル回路のクロック信号や、アナログ回路における通信用の搬送波信号や局部発振信号としてよく使用される。このための発振回路は幅広く研究されている。また、発振回路は、その本質上システムの性能を決めることが多く、システムを高速で動作させるために極力高い周波数の発振が要求される。また、近年ではシステムオンチップの要求が増え、発振回路を含むシステム全体を半導体チップ上に形成する要求が多い。 A periodic pulse signal is often used as a clock signal for a digital circuit, a carrier wave signal for communication in an analog circuit, or a local oscillation signal. Oscillator circuits for this purpose have been extensively studied. In addition, the oscillation circuit often determines the performance of the system in essence, and is required to oscillate at a high frequency as much as possible in order to operate the system at high speed. In recent years, the demand for system-on-chip has increased, and there are many demands for forming an entire system including an oscillation circuit on a semiconductor chip.
半導体チップ上で発振回路を形成する場合、クロスカップル素子によるLC発振回路は半導体チップ上の浮遊容量に充電される電荷がインダクタンスにより引き戻されて補償される状態となる。このため、低消費電力でしかもその素子性能の限界まで高い周波数の発振が可能であるとされている(非特許文献1参照)。
しかしながら、半導体チップ上に形成しなければならないインダクタンス素子は大きくコストが高い。
When the oscillation circuit is formed on the semiconductor chip, the LC oscillation circuit using the cross-coupled element is in a state in which the charge charged in the stray capacitance on the semiconductor chip is pulled back by the inductance and compensated. For this reason, it is said that it is possible to oscillate at a high frequency up to the limit of the device performance with low power consumption (see Non-Patent Document 1).
However, the inductance element that must be formed on the semiconductor chip is large and expensive.
また、半導体チップ上に形成する発振回路としてよく使われる例にリング発振回路がある。これは、インダクタンス素子を必要としないので非常にコンパクトに作りこむことができコスト的な課題はないが、LC共振回路のような発振周波数を制限する素子を持たないので位相ノイズ当の雑音が多いとされている。また、集積回路上の浮遊容量やその負荷を駆動する能動素子の性能を一定の値に作り込むことが困難で精度の高い発振を行うことが困難とされていたが、優れたアイデアによりこれらの困難は取り除かれつつある(特許文献1参照)。 A ring oscillation circuit is an example that is often used as an oscillation circuit formed on a semiconductor chip. This does not require an inductance element, so it can be made very compact and there is no cost problem. However, since there is no element that limits the oscillation frequency like an LC resonance circuit, there is a lot of noise equivalent to phase noise. It is said that. In addition, it was difficult to make the performance of the stray capacitance on the integrated circuit and the active element that drives the load constant, and it was difficult to perform high-precision oscillation. Difficulties are being removed (see Patent Document 1).
リング発振回路の例として、図7に従来の最も簡単な3段のリング発振回路を示す。3段のインバータ回路701,702,703をリング状に接続すると、それぞれのインバータ出力N1,N2,N3が図8に示す波形のように発振する。いま各インバータの遅延時間をtdとすると、その発振周期は6tdであることが分かる。但し、ここでは簡単のためにインバータ701〜703の入力立ち上がりから出力が立ち下がるまでの時間と、入力立ち下りから出力立ち上がりまでの時間とは同じと仮定した。
しかし、従来の周期パルス発生回路であるリング発振回路では、本質的に回路の浮遊容量によってその最高発振周波数が決まってしまうので、それ以上高い周波数のパルス信号を得ることができないという問題がある。図7に示した3段のリング発振回路においては、図8に示す発振周期6tdの逆数が最高発振周波数の限界となる。
また、LC発振回路では、リング発振回路よりも高周波数の周期パルス信号を発生することが可能であるが、素子面積が大きくコスト高となる問題がある。
However, the ring oscillation circuit, which is a conventional periodic pulse generation circuit, has a problem in that a pulse signal having a higher frequency cannot be obtained because the maximum oscillation frequency is essentially determined by the stray capacitance of the circuit. In the three-stage ring oscillation circuit shown in FIG. 7, the reciprocal of the oscillation period 6td shown in FIG. 8 is the limit of the maximum oscillation frequency.
In addition, the LC oscillation circuit can generate a periodic pulse signal having a higher frequency than the ring oscillation circuit, but there is a problem that the element area is large and the cost is high.
そこで、本発明の目的は、高周波数の周期パルス信号を低コストで狭い回路面積にて実現することができる周期パルス発生回路を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a periodic pulse generating circuit capable of realizing a high-frequency periodic pulse signal at a low cost and a small circuit area.
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る周期パルス発生回路によれば、n相(nは3以上の整数)の周期信号を発生する発振回路と、前記周期信号の各相の移相差を抽出するn組の論理積回路と、前記n組の論理回路の出力信号の論理和を取る論理和回路とを備えたことを特徴とする。
これによって、n相の周期信号を発生する発振回路に僅かな数の論理積回路を付加して周期パルス発生回路を構成することで、その発振回路の発振周波数をもとに、より高い周波数の周期パルス信号を生成するため素子性能限界までの高い周波数の周期パルス信号を発生することができる。
In order to achieve the above object, according to a periodic pulse generating circuit according to an aspect of the present invention, an oscillation circuit that generates an n-phase (n is an integer of 3 or more) periodic signal, and each phase of the periodic signal It is characterized by comprising n sets of AND circuits for extracting the phase shift difference and an OR circuit for calculating the logical sum of the output signals of the n sets of logic circuits.
As a result, a periodic pulse generation circuit is configured by adding a small number of AND circuits to an oscillation circuit that generates an n-phase periodic signal, so that a higher frequency can be obtained based on the oscillation frequency of the oscillation circuit. In order to generate a periodic pulse signal, it is possible to generate a periodic pulse signal having a high frequency up to the element performance limit.
また、本発明の一態様に係る周期パルス発生回路によれば、前記発振回路は、リング発振回路であることを特徴とする。
これによって、発振回路としてLC発振回路のような大きな素子面積の発振回路でなく小型のリング発振回路を利用することができるので、従来のリング発振回路と同程度の小さな回路規模で従来のLC発振回路と同程度の高い周波数の周期パルス信号を発生することが可能である。
In the periodic pulse generation circuit according to one aspect of the present invention, the oscillation circuit is a ring oscillation circuit.
As a result, a small ring oscillation circuit can be used as an oscillation circuit instead of an oscillation circuit having a large element area such as an LC oscillation circuit, so that the conventional LC oscillation can be achieved with a circuit scale as small as a conventional ring oscillation circuit. It is possible to generate a periodic pulse signal with a frequency as high as that of a circuit.
また、本発明の一態様に係る周期パルス発生回路によれば、前記リング発振回路は、流入電流を制御する手段を有し、該手段への入力信号に応じて当該リング発振回路の発振周波数が可変可能であることを特徴とする請求項2に記載の周期パルス発生回路。
これによって、リング発振回路の発振周波数を外部からの入力信号によって制御することを可能とし、その制御により発生周期パルス信号の周波数や精度のコントロールが可能となり、安定で高精度の信号発生を可能とする。
Further, according to the periodic pulse generation circuit of one aspect of the present invention, the ring oscillation circuit has a means for controlling the inflow current, and the oscillation frequency of the ring oscillation circuit is set in accordance with an input signal to the means. The periodic pulse generating circuit according to claim 2, wherein the periodic pulse generating circuit is variable.
As a result, the oscillation frequency of the ring oscillation circuit can be controlled by an external input signal, which enables control of the frequency and accuracy of the generated periodic pulse signal, enabling stable and highly accurate signal generation. To do.
また、本発明の一態様に係る周期パルス発生回路によれば、90度位相の異なる周期的な2つの信号を発生する発振回路と、前記2つの信号の排他的論理和を取る排他的論理和回路とを備えたことを特徴とする。
これによって、発振回路が発生する90度位相の異なる2つの周期信号の排他的論理和を取って周期パルス信号列を発生させるので該発振回路が発振できる最高周波数の2倍の周波数の周期パルス信号を発生することができる。
In addition, according to the periodic pulse generation circuit of one aspect of the present invention, an oscillation circuit that generates two periodic signals having a phase difference of 90 degrees and an exclusive OR that takes an exclusive OR of the two signals are provided. And a circuit.
As a result, a periodic pulse signal train is generated by taking the exclusive OR of two periodic signals having different phases of 90 degrees generated by the oscillation circuit, so that the periodic pulse signal having a frequency twice the maximum frequency that the oscillation circuit can oscillate. Can be generated.
また、本発明の一態様に係る周期パルス発生回路によれば、前記発振回路は、CMOS電流モードロジック回路で構成されたインバータ回路で構成され、前記インバータ回路の流入電流の制御によって発振周波数を可変可能とすることを特徴とする。
これによって、CMOS電流モードロジック回路で発振回路を構成するので高周波でエネルギー効率の良い発振を行うことができ、しかもその発振振幅及び周波数を調整することが可能となる。
According to the periodic pulse generation circuit of one aspect of the present invention, the oscillation circuit is configured by an inverter circuit configured by a CMOS current mode logic circuit, and the oscillation frequency is variable by controlling the inflow current of the inverter circuit. It is possible to make it possible.
As a result, since the oscillation circuit is constituted by a CMOS current mode logic circuit, it is possible to perform oscillation with high energy efficiency at a high frequency, and it is possible to adjust the oscillation amplitude and frequency.
また、本発明の一態様に係る周期パルス発生回路によれば、前記論理積回路、前記論理和回路及び前記排他的論理和回路の何れかは、CMOS電流モードロジック回路で構成されることを特徴とする。
これによって、CMOS電流モードロジック回路で論理回路を構成するので高周波でエネルギー効率の良い回路の構成が可能となり、しかもその発する信号の振幅を調整することが可能となる。
In the periodic pulse generation circuit according to one aspect of the present invention, any one of the logical product circuit, the logical sum circuit, and the exclusive logical sum circuit is configured by a CMOS current mode logic circuit. And
As a result, since the logic circuit is constituted by the CMOS current mode logic circuit, a high frequency and energy efficient circuit can be constructed, and the amplitude of the signal generated can be adjusted.
また、本発明の一態様に係る周期パルス発生回路によれば、前記リング発振回路は、位相固定ループに含まれ、該位相固定ループは所定の基準周波数信号に位相同期するように制御されることを特徴とする。
これによって、リング発振回路は位相固定ループに含まれ所定の基準周波数に位相固定されるので、その発振周波数は所定の値に固定され正確な周波数の周期パルス信号の発生が可能となる。
In the periodic pulse generation circuit according to one aspect of the present invention, the ring oscillation circuit is included in a phase locked loop, and the phase locked loop is controlled to be phase-synchronized with a predetermined reference frequency signal. It is characterized by.
As a result, the ring oscillation circuit is included in the phase lock loop and phase-locked to a predetermined reference frequency, so that the oscillation frequency is fixed to a predetermined value and a periodic pulse signal having an accurate frequency can be generated.
また、本発明の一態様に係る周期パルス発生回路によれば、前記リング発振回路と相似な特性を持つ素子により構成された第2のリング発振回路と、前記第2のリング発振回路を含み所定の基準周波数となる信号に位相同期するように制御される第2の位相固定ループとを備え、前記第2のリング発振回路の流入電流は前記第2の位相固定ループの位相同期制御により制御されることを特徴とする。 The periodic pulse generation circuit according to one aspect of the present invention includes a second ring oscillation circuit configured by an element having characteristics similar to the ring oscillation circuit, and the second ring oscillation circuit. And a second phase locked loop controlled so as to be phase-synchronized with a signal having a reference frequency of the second frequency, and an inflow current of the second ring oscillation circuit is controlled by phase locked control of the second phase locked loop. It is characterized by that.
これによって、周期パルス発生に使用されるリング発振回路と相似な特性を持つ第2のリング発振回路があり、この第2のリング発振回路が位相固定ループで所定の基準周波数に位相固定された時に、第2のリング発振回路の発振周波数制御信号と相似な信号で、当該周期パルス発生回路の発振周波数が制御されるので、正確な周波数の周期パルスを発生することが可能となる。 Accordingly, there is a second ring oscillation circuit having characteristics similar to those of the ring oscillation circuit used for generating the periodic pulse, and when the second ring oscillation circuit is phase-locked to a predetermined reference frequency by a phase-locked loop. Since the oscillation frequency of the periodic pulse generation circuit is controlled by a signal similar to the oscillation frequency control signal of the second ring oscillation circuit, it is possible to generate a periodic pulse with an accurate frequency.
以下、本発明の実施形態に係るパルス発生回路について図面を参照しながら説明する。
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態に係る周期パルス発生回路の要部を示す回路図、図2は、その動作を模式的に示すタイム図である。
図1において101〜103はリング状に接続されたインバータ回路であり、リング発振回路を構成する。それぞれの出力端子にはN1〜N3のように端子名が付けられている。各出力端子N1,N2,N3は、図2に示すように各インバータ回路101〜103の遅延時間tdずつの遅れを伴って周期的な信号を発生する。
Hereinafter, a pulse generation circuit according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a circuit diagram showing the main part of a periodic pulse generating circuit according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a time chart schematically showing its operation.
In FIG. 1,
否定論理積回路104〜106は、それらの入力端子が各インバータ回路101〜103の出力端子N1〜N3に接続されており、出力端子N3とN1、N1とN2、N2とN3の双方の信号がH(ハイレベル)のときにL(ローレベル)を端子ND1〜ND3に出力する。
否定論理和回路107(負論理の否定論理和回路)は、その入力端子が各否定論理積回路104〜106の出力端子ND1〜ND3に接続されており、各ND1〜ND3が一つでもLのとき出力端子NRにHを出力し、目的のパルス波形が得られる。
The
The negative logical sum circuit 107 (negative logical negative logical sum circuit) has its input terminal connected to the output terminals ND1 to ND3 of the negative
なお、図2では、それぞれの否定論理積回路104〜106及び否定論理和回路107が遅れを伴って信号を出力する状況も図示されている。例えば同図において時間t1でN1,N2がHであるがND1は即座にLを出力せず時間td遅れて、時間t2でLを出力する。さらにNRは時間td遅れて時間t3でHを出力する。
なお、図2は模式的な図であり、各ノードの出力がデジタル的に描かれているが、素子性能の限界近くの高周波で動作させる場合は、それらの信号出力が十分な論理レベルまで振り切れずに殆ど正弦波に近いアナログ的な信号を出力することになる。
FIG. 2 also shows a situation in which each of the
Note that FIG. 2 is a schematic diagram, and the output of each node is digitally drawn. However, when operating at a high frequency near the limit of the device performance, the signal output can be swung to a sufficient logic level. Therefore, an analog signal almost similar to a sine wave is output.
否定論理積回路104〜106が出力するパルス信号のパルス幅はインバータ回路101〜103の遅延時間tdのみであり、最終段の出力端子NRに出力される周期信号の周期は2tdとなる。これは、従来の3段リング発振回路の発振周期6tdに比較すると、3倍高周波数となる効果が得られる。
即ち第1実施形態の周期パルス発生回路によれば、従来の回路では達成し得なかった高周波の周期パルス信号の発生が可能である。また、インバータ回路101〜103、否定論理積回路104〜106並びに否定論理和回路107しか使用しないので、簡便なCMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)プロセスによって狭い面積上に高周波の発振回路を実現することが可能になる。従って、周期パルス発生回路を、高周波数の周期パルス信号を低コストで狭い回路面積にて実現することができる。
(第2実施形態)
図3は、本発明の第2実施形態に係る周期パルス発生回路の要部を示す回路図である。
The pulse width of the pulse signal output from the
That is, according to the periodic pulse generation circuit of the first embodiment, it is possible to generate a high-frequency periodic pulse signal that could not be achieved by the conventional circuit. Further, since only the
(Second Embodiment)
FIG. 3 is a circuit diagram showing a main part of a periodic pulse generating circuit according to the second embodiment of the present invention.
301,302,303,…,30nはインバータ回路であり、n段(nは3以上の整数)をリング状に接続してリング発振回路を構成している。これらは、第1実施形態のインバータ回路101〜103によるリング発振回路構成に相当する。
このようなリング発振回路の発振周波数は、発振回路を構成するインバータ回路の駆動能力とそれに接続される負荷容量によって決まる。高い周波数の発振を望むならばインバータ回路の駆動能力を上げ、かつ駆動すべき負荷容量を減らさなければならない。負荷容量には、配線の浮遊容量やその信号を取り出すために接続される回路の入力容量に加えて、リング発振回路を構成するために接続される次段のインバータ回路の入力容量がある。
The oscillation frequency of such a ring oscillation circuit is determined by the drive capability of the inverter circuit constituting the oscillation circuit and the load capacitance connected thereto. If high-frequency oscillation is desired, the drive capacity of the inverter circuit must be increased and the load capacity to be driven must be reduced. In addition to the stray capacitance of the wiring and the input capacitance of the circuit connected to extract the signal, the load capacitance includes the input capacitance of the inverter circuit at the next stage connected to configure the ring oscillation circuit.
インバータ回路の駆動能力を増やせば、配線の浮遊容量や信号取り出し回路の入力容量に対しては、充放電がより急速になり発振周波数を上げることができる。しかしながら、インバータ回路の駆動能力を増やせばインバータ回路の入力容量も増大するため、駆動能力増大により高い周波数の発振を得ようとするには限度がある。配線浮遊容量や信号の取り出し回路がなければ、リング発振回路の発信周波数はそれを構成するインバータ回路の駆動能力に関係なく決まってしまう。高い周波数の発振を行わせるためには配線の浮遊容量と信号取り出し回路の容量を減らすのが効果的である。 If the drive capability of the inverter circuit is increased, charging and discharging can be performed more rapidly and the oscillation frequency can be increased with respect to the floating capacitance of the wiring and the input capacitance of the signal extraction circuit. However, if the drive capability of the inverter circuit is increased, the input capacity of the inverter circuit is also increased, and there is a limit to obtaining high frequency oscillation by increasing the drive capability. Without the wiring stray capacitance and the signal extraction circuit, the oscillation frequency of the ring oscillation circuit is determined regardless of the drive capability of the inverter circuit that constitutes it. In order to oscillate at a high frequency, it is effective to reduce the stray capacitance of the wiring and the capacitance of the signal extraction circuit.
このことから、各インバータ回路301〜30nの出力側に接続される信号取り出し用のバッファ回路311,312,313,…,31nには、その入力容量を減らすために意図的に駆動能力の低いインバータ回路を使用した。このようにして取り出した信号は、駆動能力の大きなバッファ回路321,322,323,…,32nによって、もう一度増幅した後、論理積回路331,332,…,33nによって論理積を取り、これを更に論理和回路340によって論理和処理で合成する。これによって、高周波の周期パルス信号を生成する。
Therefore, the
このようにして、高い周波数を発振するリング発振回路を構成することが可能となり半導体集積回路の能力の限界までの高周波の周期パルス信号の発生が可能となる。
以上説明したように、第2実施形態では、リング発振回路の段数を3以上の整数n段としている。nは普通奇数とされるが差動回路を使用すれば偶数段のリング発振回路も構成が可能である。nを大きくすることによってリング発振回路の発振周波数を下げることが可能となるが回路が複雑となる。得られる周期パルスの周波数はn=3の場合と同じであり、またリング発振回路の消費電力も同じである。n>3の回路はリング発振回路の発振周波数がシステム内の他の部分へ雑音として影響する場合にその周波数を避けたい場合などに有効な手段となる。
In this way, it is possible to configure a ring oscillation circuit that oscillates at a high frequency, and to generate a periodic pulse signal having a high frequency up to the limit of the capability of the semiconductor integrated circuit.
As described above, in the second embodiment, the number of stages of the ring oscillation circuit is an integer n stages of 3 or more. Although n is normally an odd number, if a differential circuit is used, an even-numbered ring oscillation circuit can be constructed. By increasing n, the oscillation frequency of the ring oscillation circuit can be lowered, but the circuit becomes complicated. The frequency of the obtained periodic pulse is the same as in the case of n = 3, and the power consumption of the ring oscillation circuit is also the same. A circuit of n> 3 is an effective means when it is desired to avoid the frequency when the oscillation frequency of the ring oscillation circuit affects other parts of the system as noise.
このようにして第2実施の形態では、簡単な小規模の回路で素子限界までの高い周波数の高精度の周期パルス信号を容易に発生できる。半導体集積回路上に容易に実装が可能であり製造も容易である。
(第3実施形態)
図4は、本発明の第3実施形態に係る周期パルス発生回路の要部を示す回路図、図5は、その動作を説明するタイム図である。
Thus, in the second embodiment, a high-accuracy periodic pulse signal having a high frequency up to the element limit can be easily generated with a simple small-scale circuit. It can be easily mounted on a semiconductor integrated circuit and can be easily manufactured.
(Third embodiment)
FIG. 4 is a circuit diagram showing a main part of a periodic pulse generating circuit according to the third embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a time chart for explaining its operation.
本周期パルス発生回路は、4相の差動リング発振回路411と、排他的論理和回路406とを備えて構成されている。差動リング発振回路411は、同一構成の2つのフリップフロップ回路403,405を備えて構成され、フリップフロップ回路403,405は、一方403に代表して符号を付したように2つの否定論理和回路401,402を備えて構成されている。一方の否定論理和回路401はMOS型のトランジスタM1〜M3を備え、他方の否定論理和回路402はMOS型のトランジスタM4〜M6を備えて構成されている。
The periodic pulse generation circuit includes a four-phase differential
一方の否定論理和回路401は、NMOSトランジスタM2,M3のゲートに印加される電圧の否定論理和がノードQ1に出力される。PMOSトランジスタM1は、負荷抵抗として働きトランジスタM2またはM3に電流が流れると電圧降下を生じ信号を出力する。また、電源は端子408に供給し、端子409は接地する。トランジスタM1のゲートは、端子404に接続され該端子404に印加される電圧によってトランジスタM1に流入する電流値を制御することができ、これによって否定論理和回路401の動作スピードを制御することができるようになっている。
One negative OR
同様の接続で否定論理和回路402を構成し、互いに一方の入力、即ちトランジスタM3のゲート及びM5のゲートを出力ノードXQ1及びQ1に接続することによってセット・リセット型のフリップフロップ回路403を構成する。ここでノードQ1及びXQ1が出力端子、S1がセット端子、R1がリセット端子となる。
このフリップフロップ回路403と同じ構成で、もう一つのフリップフロップ回路405を用意し、この2つのフリップフロップ回路によりリング発振回路411を構成する。即ちフリップフロップ回路403の出力端子Q1、XQ1は、各々もう一つのフリップフロップ回路405のリセット端子R2、セット端子S2に接続し、またフリップフロップ回路405の出力端子Q2、XQ2は、それぞれフリップフロップ回路403のセット端子S1、リセット端子R1に接続することにより構成することができる。これによって、位相が90度ずつ異なる4相の発振出力Q1,Q2,XQ1,XQ2を得ることができる。
A negative OR
Another flip-
また、フリップフロップ回路403,405の入力端子、即ちセット、リセット端子R1,S1,R2,S2はNMOSトランジスタのゲート1つのみであり、これは第1実施形態で述べたインバータ回路をCMOSで構成する場合に比較して負荷を約1/3に軽くすることが可能である。何故ならば、CMOSインバータ回路では、入力側にPMOS及びNMOSの2つのトランジスタのゲートが接続され、しかもPMOSトランジスタはNMOSトランジスタに比較して約2倍の大きさを要するからである。これによって差動リング発振回路411は高い周波数の発振が可能である。
Further, the input terminals of the flip-
406は電流モードロジック回路により構成した排他的論理和回路であり、MOS型のトランジスタM13〜M21を備えて構成されている。電流モードロジック回路は入出力として差動の信号が使われる。従って、差動対のどちらをプラス端子と考えるかにより、負論理、正論理での演算のどちらへの対応も可能であり、論理積と論理和も同一の回路で実現が可能である。ここでは以後の説明に排他的論理和という表現を使うがそれぞれの端子の解釈の仕方により他の表現も可能であることを含むものとする。
4相の差動リング発振回路411の4本の出力Q1,XQ1とQ2,XQ2は、それぞれ差動信号であり、その位相が90度ずれていると考えられるから各々を2対の入力として図4のように接続すると、図5に各信号の波形を示すように、端子X,XXには差動信号として、差動信号Q1,XQ1と差動信号Q2,XQ2との排他的論理和の結果が出力される。即ち、端子XにはX=XQ1・Q2+Q1・XQ2が、端子XXにはXX=XQ1・XQ2+Q1・Q2が出力される。このようにして、差動リング発振回路411の2倍の周波数の周期パルス信号X,XXを得ることが可能となる。
The four outputs Q1, XQ1, and Q2, XQ2 of the four-phase differential
また、端子410は、ここに印加する電圧に応じて排他的論理和回路406の動作電流を決めその動作速度を決定するために用いられる端子である。通常は排他的論理和回路406が適正なエネルギー効率で十分な動作速度が得られるような印加電圧が選ばれ印加される。また、端子407に与える電圧によって差動出力対に出力される信号の振幅値を決定することができる。振幅値は小さいほど高い周波数まで動作させることができるが、あまり小さいと回路のSN比が悪化する。そこで、十分な動作速度とSN比の取れる適正な電圧値が選ばれて端子407に印加される。
The terminal 410 is a terminal used to determine the operating speed of the exclusive OR
この印加で得られる出力信号は差動信号であり、通常このような高い周波数の動作では差動信号のほうが都合が良い。また出力される周期パルス信号は周波数が高いのであまり大きな振幅では、周囲の電子回路に対する雑音等の妨害となる可能性も大きくなるので、このように振幅値がある程度小さく、また自由に設定できるのは都合が良い。
この第3実施形態では、その構成要素は全て半導体集積回路上に集積することが可能であり、また素子面積も小さくてすむので、コスト的な負担を伴わずに、高速高性能の半導体集積回路を実現することができる。
The output signal obtained by this application is a differential signal, and the differential signal is usually more convenient for such high frequency operation. Also, since the output periodic pulse signal has a high frequency, if the amplitude is too large, the possibility of interference with surrounding electronic circuits increases, so the amplitude value can be set to a certain level and can be set freely. Is convenient.
In the third embodiment, all the components can be integrated on the semiconductor integrated circuit, and the element area can be reduced. Therefore, the high-speed and high-performance semiconductor integrated circuit is not accompanied by a cost burden. Can be realized.
特に、発振回路の構成要素の入力はNMOSトランジスタが1つであり負荷容量が小さくてので高速発振が可能であり、さらに高速動作が可能な電流モードロジックを使用しているので回路を構成する素子性能の限界の高い周波数で、しかも低消費電力で動作させることが可能である。
従って、簡単な回路で、高周波の精度の高いパルスを発生することが可能となる。出力したいパルス信号の振幅値も調整できるので特に高周波を使う場合には有効である。
(第4実施形態)
図6(a)は、本発明の第4実施形態に係る第1の周期パルス発生回路の要部を示す回路図、同図(b)は、第2の周期パルス発生回路の要部を示す回路図である。
In particular, the element of the oscillation circuit has only one NMOS transistor and has a small load capacity so that it can oscillate at high speed and uses current mode logic that can operate at high speed. It is possible to operate at a frequency with a high performance limit and with low power consumption.
Therefore, it is possible to generate high-frequency high-precision pulses with a simple circuit. Since the amplitude value of the pulse signal to be output can be adjusted, it is particularly effective when using a high frequency.
(Fourth embodiment)
FIG. 6A is a circuit diagram showing the main part of the first periodic pulse generating circuit according to the fourth embodiment of the present invention, and FIG. 6B shows the main part of the second periodic pulse generating circuit. It is a circuit diagram.
上記の第1〜第3実施形態ではリング発振回路を使用しており、このリング発振回路の発振周波数は回路を構成する能動素子の駆動能力とそれに接続される負荷容量によって決まる。一般に半導体集積回路上に回路を作りこんだ場合、半導体プロセスの製造ばらつきが伴い、その発振周波数は大きく変わる。第4実施形態の回路は、発生する周期パルス信号の周波数を目的の周波数に合わせるための構成である。 In the first to third embodiments described above, a ring oscillation circuit is used, and the oscillation frequency of the ring oscillation circuit is determined by the drive capability of the active elements constituting the circuit and the load capacitance connected thereto. In general, when a circuit is built on a semiconductor integrated circuit, the oscillation frequency varies greatly due to manufacturing variations in the semiconductor process. The circuit of the fourth embodiment is configured to match the frequency of the generated periodic pulse signal with the target frequency.
図6(a)の第1の周期パルス発生回路は、位相固定ループを用いて発生信号の周波数を目的の周波数に合わせる一方法による構成である。
即ち、610は第1〜第3実施形態に示した回路であり、リング発振回路601と、このリング発振回路601の出力から、より高周波の信号を作り出す高周波作成論理回路602とによって構成される。608はリング発振回路601の発振周波数を制御する制御端子であり第3実施形態の端子404に相当する。第1及び第2実施形態ではその制御端子に相当する端子は示されていないが、リング発振回路を構成する能動素子に流入する電流を制御するための制御素子(トランジスタ)を、その電流閉ループのどこか1箇所に挿入することにより容易にこの端子を追加することができる。このようにして、本実施の形態による周期パルス発生回路に使うリング発振回路601は電圧制御発振回路として考えることができる。
The first periodic pulse generation circuit in FIG. 6A has a configuration according to one method of matching the frequency of a generated signal to a target frequency using a phase locked loop.
In other words,
従って、そのリング発振回路601を含む位相固定ループによりその発振周波数を目的の周波数にすることができる。即ち、そのリング発振回路601の出力を分周回路603により適当な分周比で分周し、この分周された信号を、位相比較回路604によって端子607に入力される基準信号の周波数と位相比較し、この位相比較結果に応じて電圧発生回路605から出力されて端子608に印加される電圧を制御する。電圧発生回路605は、チャージポンプやローパスフィルタを含んで構成される。
Therefore, the oscillation frequency can be set to a target frequency by the phase locked loop including the
なお、分周回路603の入力はリング発振回路601の出力からとってもよいし、破線で示すように論理回路602の出力から取っても良い。前者の場合は、分周する分周比を小さくできるが、一般に本実施の形態ではリング発振回路601から論理回路602に複数本の信号線が接続され、そのうちの1本だけを分周回路に接続することになるので、リング発振回路601の各出力線の負荷がばらつきリング発振回路601のデユーティ比が狂いやすい。後者の場合は、分周回路603の分周すべき周波数が本実施の形態の目的から言ってその素子性能の限界に近く分周しにくいが上述のような困難は回避される。どちらの場合も多少の困難が伴うが、現在可能な技術により回避可能で有る。
Note that the input of the
図6(b)の第2の周期パルス発生回路は、位相固定ループを用いて発生信号の周波数を目的の周波数に合わせる他の方法による構成である。
620は第1〜第3実施形態に示した回路であり、リング発振回路611と、このリング発振回路611の出力から、より高周波の信号を作り出す高周波作成論理回路612とによって構成される。618はリング発振回路611の発振周波数を制御する制御端子であり第3実施形態の回路の端子404に相当する。第1及び第2実施形態では、その制御端子に相当する端子は示されていないが、上記に述べた方法によって容易に追加が可能である。613は電圧制御発振回路であり、この電圧制御発振回路613、分周回路614、位相比較回路615、チャージポンプ及びローパスフィルタを含んで構成される電圧発生回路616によって位相固定ループを構成する。
The second periodic pulse generation circuit shown in FIG. 6B has a configuration based on another method for adjusting the frequency of the generated signal to a target frequency using a phase locked loop.
即ち、電圧制御発振回路613は、端子617に入力される基準周波数信号に位相固定され、基準周波数信号の周波数の分周回路614で分周する分周比倍の周波数で発振するように電圧発生回路616が発する電圧によって制御される。
ここで、リング発振回路611と電圧制御発振回路613とが、同一半導体基板上に製造された同一回路であると仮定すると、それらの特性は揃っていると考えられるので、図6のように電圧制御発振回路613の制御端子とリング発振回路611の制御端子618に同一の電圧を印加すれば、それらの発振周波数は一致する。即ちリング発振回路611は、位相固定ループで位相固定されたときの電圧制御発振回路613の発振周波数で発振することになり、本周期パルス発生回路の発生信号の周波数精度を高めることが可能となる。
That is, the voltage controlled
Here, if it is assumed that the
上記ではリング発振回路611と電圧制御発振回路613とが同一回路であるとしたが、それらの回路を構成する構成要素(インバータ回路など)が同一であれば、回路が異なっていてもよい。即ち、同一半導体チップ上に製造することにより、同一チップ内の素子性能が一様であると考え、上記2つの発振回路613,618の性能が相似であるように作りこむことができれば、発生する周期パルス信号の周波数を目的の周波数とすることが可能である。
In the above description, the
例えば、電圧制御発振回路613を、より多段のリング発振回路として、或いは、より負荷容量の大きい回路を意図的に作りこむことでその発振周波数を下げることによって、分周回路614の動作速度を下げることや回路の消費電力を下げることが可能となる。このようにして図6(b)の第2の周期パルス発生回路では、同図(a)の第1の周期パルス発生回路で述べたような困難を取り除くことが可能となる。
For example, the operation speed of the
この第4実施形態の第1又は第2の周期パルス発生回路の構成によって、半導体製造プロセスによる製造ばらつきをおさえ、精度の高い高速の周期パルス信号の発生が可能となる。 With the configuration of the first or second periodic pulse generation circuit of the fourth embodiment, it is possible to generate a high-accuracy high-speed periodic pulse signal while suppressing manufacturing variations due to the semiconductor manufacturing process.
本発明は、半導体集積回路上に本周期パルス発生回路を作り込んでシステムオンチップ化すれば特に低コストで狭い回路面積にて実現する等その効果が大きい。特に高周波の必要な通信システムなどへの応用で効果が大きい。 The present invention has a great effect, for example, when it is realized at a low cost and in a small circuit area if the periodic pulse generation circuit is built on a semiconductor integrated circuit to be system-on-chip. The effect is particularly great in applications to communication systems that require high frequencies.
101,102,103,301,302,303,30n インバータ回路、104,105,106,113、331,332,33n 否定論理積回路、107,340 否定論理和回路、403,405 フリップフロップ回路、406 排他的論理和回路、411,601,611 リング発振回路、602,612 高周波作成論理回路、604,615 位相比較回路、605,616 電圧発生回路、613 電圧制御発振回路 101, 102, 103, 301, 302, 303, 30n inverter circuit, 104, 105, 106, 113, 331, 332, 33n NAND circuit, 107, 340 NAND circuit, 403, 405 flip-flop circuit, 406 Exclusive OR circuit, 411, 601, 611 ring oscillation circuit, 602, 612 high frequency generation logic circuit, 604, 615 phase comparison circuit, 605, 616 voltage generation circuit, 613 voltage control oscillation circuit
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