JP2008529426A - 遅延ロックループを初期化する方法および装置 - Google Patents

遅延ロックループを初期化する方法および装置 Download PDF

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Abstract

遅延ロックループは、遅延対制御電圧特性のどちらの端にも近くない動作点にDLLが初期化されることを保証する初期化回路を含む。初期化回路は、DLLをして最初にある初期遅延から出発してロック点を探索するよう強制し、遅延が一方向に変えられ、DLLをして第一のロック点をスキップするよう強制する。初期化回路は、動作点に到達するまで、DLLが電圧制御遅延ループの遅延を変えるのを初期遅延から一方向にのみ許容する。

Description

図１は、従来技術で通常の遅延ロックループ（DLL: delay locked loop）１００のブロック図である。DLLの主な機能は、立ち上がりエッジを揃えることにより二つのクロック信号を同期させることである。外部から供給されるクロック信号CKはクロック・バッファ１０１によってバッファリングされて参照クロック信号CKrefを与え、その参照クロック信号が電圧制御遅延線（VCDL: voltage controlled delay line）１０２および位相検出器（PD: phase detector）１０４に結合される。電圧制御遅延線１０２はDLL出力クロック信号CKoutを生成する。これはCKrefの遅延バージョンであり、クロックツリーと称されるバッファリング構造を通じて、装置内のさまざまな回路に向けて経路制御される。
クロックツリーのある分枝の端末ノードでフィードバック・クロック信号CKfが引き出されるか、あるいはクロックツリー分枝のレプリカ、すなわちレプリカ遅延回路１０３に出力クロック信号CKoutを加えることによってフィードバック・クロック信号CKfが得られ、これがPD１０４にフィードバックされる。遅延モデルまたはクロックツリー分枝レプリカとしても知られるレプリカ遅延回路１０３は、クロックツリーの多段のバッファリング構造によって出力クロック信号CKoutに加えられるあらゆる遅延を再現する。遅延は、論理ゲートおよびバッファを通じたあらゆる伝搬遅延および長い線の寄生インピーダンスによって引き起こされる遅延を含む。フィードバック・クロック信号CKfの最終的な同期されたバージョンがクロックツリーの全分枝の末端で出力される。VCDL１０２によって生成される遅延は可変であり、VCDL１０２に加えられる可変制御電圧Vcを通じて制御可能である。生成される遅延をVCDL１０２によって変えられることを利用して、DLL１００は参照クロック信号CKrefとフィードバック・クロック信号CKfをクロック信号（CKref、CKf）の立ち上がりエッジを揃えることにより同期させる。
位相検出器１０４は典型的には、参照クロック信号CKrefとフィードバック・クロック信号CKfとの間の位相差に依存してUPおよびDOWN出力信号上に可変幅のパルスを生成する。UPおよびDOWN出力信号上の可変幅のパルスは、電荷ポンプ（charge pump）１０５および該電荷ポンプ１０５の出力に結合されたループ・フィルタ１０６によって積分され、それによりVCDL１０２のための可変制御電圧Vcが与えられる。制御電圧Vcは、フィードバック・クロック信号CKfと参照クロック信号CKrefの立ち上がりエッジを揃えるためにVCDL１０２によって参照クロック信号CKrefに加えられるべき遅延を決定する。電荷ポンプ１０５とループ・フィルタ１０６は一緒になって制御電圧発生器１０７を構成する。
図２は、典型的な制御電圧Vcに対する制御された遅延特性を示すグラフである。特性は非線形であり、平坦領域２０２、最適領域２００および急峻領域２０４を含む。平坦領域２０２では、比較的小さな遅延範囲のためにも制御電圧Vcの広い変動が必要とされる。
急峻領域２０４では、制御電圧Vcの小さな変動が大きな遅延範囲を与える。よって、急峻領域２０４では、制御電圧Vcの小さなノイズ擾乱が遅延の大きな変動に、ひいてはクロック・ジッタの増大につながるので、VCDLは非常に高感度である。そのような高感度では、安定した発振のないループ動作を提供することがより困難にもなる。
「最適領域」２００では、制御電圧の変化に対する遅延の変化はほどほどである。よって、DLL１００は、発振やドリフトや蓄積するノイズなしに「最適領域」で動作する。
ロック点とは、特性中で、DLLがロックできる任意の点である。特性上には複数のロック点があってもよい。動作点とは、通常の動作の間にDLLがロックされるロック点である。DLLを設計する際の一つの重要な側面は、特性中で正しい動作点を選び、電源投入またはリセット後、その動作点にすばやく到達し、ロックするようDLLを操ることである。このプロセスは典型的にはDLL初期化と称される。DLLの適正な初期化により、良好なDLLパフォーマンスおよび確固としたロックが保証される。
正しい動作点を選択すると、制御電圧Vcは安定動作領域に関係した目標電圧レベルに設定される。安定したDLL動作を保証するため、DLLは、VCDL遅延対制御電圧の特性の「最適領域」２００内の動作点に初期化されるべきである。
DLLが動作点に達したのち、温度および電力供給といった動作条件の変化のため、動作点が動くことがありうる。よって、DLL設計のもう一つの重要な側面は、動作条件が変化する間、動作点を遅延対電圧特性上のロック点から所定の限界内に保つことである。制御電圧Vcの変動は高々電源電圧の変動に制限され、しばしば制御電圧Vcの変動は電源電圧の変動よりも小さい。したがって、図２に示される遅延対制御電圧特性は両端で無限にはなっておらず、動作条件が変わると、動作点が特性の左極限または右極限のどちらかにドリフトし、DLLが最終的にロックを失うことがありうる。これは、DLLが特性の二つの端いずれかに近すぎる動作点に初期化される場合に起こる確率がとりわけ高い。
動作点を特性の左側のロック点にロックさせることが好ましい。ノイズの影響を受けにくいという意味でよりよい領域だからである。しかしながら、動作点が特性の左端に近すぎると、動作条件の変化のためにDLLが特性の左極限に達することがありうる。この状況は図３Ａおよび３Ｂに示されている。
図３Ａのグラフは、制御電圧に対する遅延の特性の左端に近いロック点３００を示している。図３Ｂは、図３Ａの制御電圧に対する遅延の特性に対応するクロック信号タイミング図である。動作点は、通常の条件では、ロック点３００にある。動作条件の変動を補償するためにVCDLにおける遅延の範囲３０２が必要とされる。クロック信号タイミング図を参照すると、フィードバック・クロック信号CKfの立ち上がりエッジのドリフト３０４が図３Ａのグラフに示された遅延の範囲３０２に対応している。遅延範囲３０２の最小の遅延３０６は、遅延範囲のギャップ３０８によって示されるように、VCDL３１０によって生成される遅延の全範囲を超えている。よって、動作点はVCDL範囲の端まで動くことができ、DLLにロックを失わせる。
もう一つの潜在的なリスクは、起動の際に、DLLが、特性上のランダムな点から、探索方向について何の制約もなしにロック点の探索を開始するということである。外部供給されるクロック信号CKは自走（free running）なので、リセットまたは電源投入後のフィードバック・クロック信号CKfと参照クロック信号CKrefとの間の初期位相関係は知られていない。また、電源投入またはリセット後、初期のDLLのロックされていない動作点の位置は未知であり、特性上の任意のところでありうる。よって、VCDL遅延は、フィードバック・クロック信号CKfの立ち上がりエッジと参照クロック信号CKrefの立ち上がりエッジのどちらがPD１０４（図１）によって先に検出されるかに依存して初期に増加させられることもあれば、減少させられることもある。したがって、VCDL遅延が初期に調整される方向は予測不可能である。
図４Ａのグラフは、ある探索方向へのロック点の初期探索で、ロックに到達できる前にVCDL１０２（図１）の遅延限界に突き当たる結果となる場合を示している。図４Ｂは、図４Ａに示された探索に対応するクロック信号タイミング図である。ロック点の探索はランダムな探索点４００で始まる。DLLが特性の端に近い点から出発してその端に向かって進む場合、ロックに到達できる前にVCDLの遅延限界に突き当たることがありうる。図４Ａ、４Ｂに示した例では、初期化の間、DLLはVCDL範囲を超えていて到達できない最近接ロック点４０２に向かって予測不可能に動く。たとえば、位相検出器１０４（図１）が初期に、VCDL範囲３１０を超えた最近接ロック点４０２の方向にDLL１００を操るUP／DOWNパルスを生成する場合にこの状況が起こり得る。
DLLにおける可変VCDL遅延の範囲も重要である。通常、可変VCDL遅延の範囲は、最小の遅延がDLL仕様が要求するよりやや高いクロック周波数に対応し、最大遅延がやや低いクロック周波数に対応するように計算される。可変VCDL遅延はマージンを保証するために計算される。広いクロック周波数範囲にわたって動作するよう設計されるDLLのためには、すなわち、クロック周期が定数値でなく、可能なすべての値が同じVCDLによって受け容れられる場合、VCDLは一層広い範囲の遅延を生成する必要がある。結果として、典型的には、特定の周波数をもつクロック信号のためのVCDL特性上にいくつかの可能なロック点がある。より高いクロック周波数については、VCDLはクロック周波数の倍数よりも長い遅延を生成できる。目標は、安定したロック条件および低い出力クロック・ジッタを保証できる点にロックすることである。たいていの場合、VCDLについての遅延範囲は、DLL特性上の可能なロック点の数が2よりは多いが約3ないし5は超えないように選ばれる。ロック点が多すぎると、それらのロック点は特性上で互いに密接して共存することになり、ノイズによって擾乱されればDLLはあるロック点から別のロック点にジャンプし始め、それにより一時的にロックを失うことがありうるのである。
既知の技術においては、DLLの確固としたロックおよび良好なパフォーマンスを保証するための解決策は、二重ループ（dual-loop）構造のような込み入った構造を含む。クロック信号の多重位相（multiphase）バージョンまたは最も単純な場合ではクロック反転も使用される。しかしながら、それらはVCDLにおける位相引き出し口（phase tap）の数を最小化するため、および／またはより段数の少ない遅延線を提供するために使用される。位相引き出し口は今度は、パイプライン段の同期における柔軟性を増加させるのに使われるが、DLLそのものの確固としたロックおよび安定したパフォーマンスを達成する目的のためではない。
典型的には、DLLの設計者は、初期化のような「副次的」問題を扱うのに多くの時間を費やすのに消極的で、伝統的な「実証済みの」手法に頼る。したがって、従来の手法の問題を緩和するDLL初期化方法を提供することが望ましい。
我々は、遅延対制御電圧特性のどちらの端にも近すぎない正しい動作点にDLLが初期化されることを保証するための方法および装置を提示する。初期化回路は、DLLがロック点を探索する際に、常に遅延対電圧特性の一端に対応する初期遅延から出発し、それにより最終的なロックに達するまで、制御される遅延を変動させるのが一方向にのみ許容されるよう、DLLを強制する。最終的なロックに達したあとは、ロック点を動的に維持するために、DLLは必要に応じて制御される遅延を増加または減少させることができる。本発明によって提供される方法によれば、DLLは最初のロック点をスキップすることも強制される。スキップするプロセスは、DLL内部クロック信号の位相をシフトさせることによってより簡単かつより高速にされる。
本発明のある種の諸実施形態では、DLLは、遅延対制御電圧特性の最小遅延に対応する端点から出発することによってロック点を探索する。初期化の間のロック点探索の方向は、遅延を増加させることのみに制約される。すなわち、位相検出器は、該位相検出器の内部構造に依存して、遅延増に対応するUPおよびDOWN信号の組合せのみを生成するよう強制される。DLLは最初のロック点に達するまで遅延を増加させる。次いで、遅延されたクロック信号の位相がシフトさせられる。ある実施形態では、クロック信号が反転される。これは、最初のロック点をスキップして次のロック点に進むことをDLLに強制する。この位相シフトの結果として、位相検出器はその二つの入力クロック信号の間の新しい位相差を検知し、特性上の動作点に達するまでUPおよびDOWN信号を生成することを開始する。これはまるまる１クロック周期の継続時間にほぼ等しい、VCDL遅延時間の総増加につながる。動作点に達したあとは、遅延変動は増加または減少のどちらもされることができる。DLLが初期化されたあとでは、DLLは入力クロック信号位相ドリフトおよび動作条件変動を補償し、よって安定なロックを動的に維持する。
他の諸実施形態では、DLLは、遅延対制御電圧特性の最大遅延に近い点から出発することによってロック点を探索する。初期化の間のロック点探索の方向は、遅延を減少させることのみに制約される。すなわち、位相検出器は、該位相検出器の内部構造に依存して、遅延減に対応するUPおよびDOWN信号の組合せのみを生成するよう強制される。この実施形態は、遅延対制御電圧特性が図２の例よりも非線形性がおそらくやや弱く、境界制御電圧値に対応する有限の最大遅延を有する場合に適用される。換言すれば、VCDLが最小遅延および最大遅延の両方で、つまり制御電圧境界値の両方においてうまく動作できる場合である。この場合にもVCDL出力クロック反転および位相シフトが適用できる。
遅延ロックループは、ロック検出器と、該ロック検出器の出力に結合された初期化コントロールとを含む。ロック検出器はロック点への近接を検出する。初期化コントロールは、初期遅延から一方向に遅延を変化させる。初期化コントロールは第一のロック点をスキップし、第一のロック点への近接の検出に際しては、動作点を探索するために遅延を前記一方向に変化させ続ける。動作点への近接を検出すると、初期化コントロールは遅延の増加および減少の両方を可能にする。動作点は第二のロック点でもよい。
ロック検出器は異なる所定の時間期間をもつ複数の段を含みうる。各段は、異なる精度でロック点への近接を示す。初期化状態は電源投入またはリセットでありうる。第一のロック点は、クロック信号の位相をシフトさせる（単純な場合ではクロック信号を反転させる）ことによってスキップされる。クロック信号の位相は、クロック信号の周期のある割合だけシフトされる。電圧制御遅延線の途中で引き出された出力が、クロック信号の位相をシフトさせるために使われる。クロック信号の位相は、当該遅延ロックループ内の内部クロック信号に対して位相シフトを実行することによってシフトされうる。内部クロック信号は、電圧制御遅延線の入力クロック信号または電圧制御遅延線の出力クロック信号でありうる。
ロック点の近接は、参照クロックと遅延されたフィードバック・クロックのエッジの整列に基づいて検出される。近接は、複数の所定の時間期間の少なくとも一つを適用することによって解析される。所定の時間期間の値は、電圧制御遅延線内の諸段のレプリカに基づくことができ、クロック周期の４分の１より短い、あるいは二つの隣接する電圧制御遅延線の引き出された出力の間の遅延時間のある割合でもよい。
本発明の以上のことを含むさまざまな目的、特徴および利点は、本発明の好ましい諸実施形態の以下の、付属の図面において例示される、より具体的な記載から明らかとなろう。図面においては、同様の参照符号は異なる図を通じて同じ部分を指す。図面は必ずしも縮尺通りではなく、本発明の原理を解説することに重点が置かれている。
本発明の好ましい諸実施形態について以下に述べる。
以下の記述においては本発明の十分な理解を与えるために数多くの個別的詳細が述べられる。しかしながら、本発明がこうした個別的詳細なしでも実施しうることは理解される。他方では、本発明を埋没させないよう、よく知られた構造および／またはプロセスは詳細に記述したり図示したりしていない。記述および図面において、同様の符号は同様の構造またはプロセスを指す。一般に、遅延ロックループ（DLL）の動作は当技術分野においてよく知られており、本発明の諸側面を明確にするために必要な場合を除き、さらに説明することはしない。
図５は、本発明の原理に基づく、電源投入またはリセット後にDLL５００を初期化するためのDLL初期化コントロール１１２を含む遅延ロックループ（DLL）５００のある実施形態のブロック図である。DLL５００は、図１に示した従来技術のDLLとの関連で述べたような、電圧制御遅延線（VCDL）１０２、位相検出器（PD）１０４、制御電圧発生器１０７およびレプリカ遅延１０３を含む。本DLLはまた、電源投入またはリセット後にDLL５００を初期化するために使われる、マルチプレクサ１１３、ロック検出器１１１およびDLL初期化コントロール１１２をも含む。
参照クロック信号CKrefが、電圧制御遅延線（VCDL）１０２の入力、位相検出器（PD）１０４およびロック検出器１１１の二つの出力の一方に結合されている。VCDL１０２は、引き出された位相シフトされた出力クロック信号１１６を生成する。該信号１１６のそれぞれは、参照クロック信号CKrefの遅延バージョンである。DLL出力クロック信号CKoutは、DLL初期化コントロール１１２から出力されるMXコード１５２に依存して、引き出されたVCDL出力１１６からマルチプレクサ１１３を通じて選択される。出力クロック信号CKoutはたとえば、クロックツリーと称されるバッファリング構造を通じて半導体チップ上のさまざまな回路に向けて経路制御される。
フィードバック・クロック信号CKfは、参照クロック信号CKrefがVCDL１０２およびレプリカ遅延回路１０３によって遅延されたバージョンである。フィードバック・クロック信号CKfは、クロックツリーのある分枝のある端末ノードで引き出される。あるいはまた、ここではレプリカ遅延回路１０３と称されるクロックツリー分枝のレプリカに出力クロック信号CKoutを加えることによって得ることもできる。フィードバック・クロック信号CKfはPD１０４およびロック検出器１１１にフィードバックされる。遅延モデルまたはクロックツリー分枝レプリカとしても知られるレプリカ遅延回路１０３は、クロックツリーの多段のバッファリング構造によってCKout信号に加えられるあらゆる遅延を再現する。遅延は、論理ゲートおよびバッファを通じたあらゆる伝搬遅延および長い線の寄生インピーダンスによって引き起こされる遅延を含む。フィードバック・クロック信号CKfは、クロックツリー分枝の端末ノードにおけるクロック信号を複製する。たとえば、半導体チップにおいて、諸端末ノードにおけるクロック信号が諸同期ブロックのクロック入力に加えられ、それらは通常、参照クロック信号CKrefと同期されている。
DLL入力または参照クロック信号CKrefはVCDL１０２に結合される。VCDL１０２は可変遅延をもつ同様のバッファからなるチェーンを含む。チェーンは数十または数百のバッファさえ含むことができる。VCDL１０２によって生成される遅延は可変であり、制御電圧発生器１０７を通じてVCDL１０２中の各バッファに加えられる可変制御電圧Vcを通じて制御可能である。
初期化プロセスの最初に、制御電圧Vcは境界電圧レベル（端点）に、すなわちVCDL１０２の遅延が最小遅延に設定される電圧レベルに設定される。該境界電圧レベルはたとえば、電源電圧または接地であることができる。DLL初期化コントロール１１２によって生成されるRST信号が制御電圧発生器１０７に結合されて、初期制御電圧Vcが設定される。初期制御電圧Vcの設定は、たとえば、Vcノードを電源ノード（レール［rail］）または接地のどちらかと単一トランジスタ・スイッチを通じて短絡させることによって実行できる。
位相検出器１０４は、参照クロック信号CKrefとフィードバック・クロック信号CKfとの間の位相差に依存してUPおよびDOWN出力信号上に可変幅のパルスを生成する。両クロック信号は位相検出器１０４の入力に結合される。UPおよびDOWN出力信号上の可変幅のパルスは、制御電圧発生器１０７によって積分され、それにより直流（DC）モードの制御電圧Vcが与えられる。ある実施形態では、制御電圧発生器１０７は、図１のDLL１００との関連で述べたように電荷ポンプ１０５およびループ・フィルタ１０６を含みうる。制御電圧発生器１０７は、当業者によく知られているように、フィルタ動作および電圧レベル・シフト動作を適用することによってPDの出力信号（UP、DOWN）を積分する。VCDLの実施形態は、図７および図８との関連でのちに述べる。
Dieter Haerleによる「High Output Impedance Charge Pump for PLL/DLL」との名称の同時係属中の米国特許出願（米国特許出願第60/528,958号）は、制御電圧発生器の中の電荷ポンプのある実施形態を記載しており、その内容はここに参照によってその全体において組み込まれる。電荷ポンプのもう一つの例は、Patrik Larsson,「A 2-1600 MHz 1.2-2.5 V CMOS Clock Recovery PLL with Feedback Phase-Selection and Averaging Phase-Interpolation for Jitter Reduction」1999 IEEE ISSCC, WA 20.6, 0-7803-5129-0/99,図20.6.3に見出すことができ、その内容はここに参照によってその全体において組み込まれる。
位相検出器１０４は、入力に加えられたクロック信号（CKref、CKf）の間の位相差に比例する、ある電気的な特性（たとえば電圧レベルまたはパルス幅）の出力信号（UP、DOWN）を生成する任意の位相検出器であることができる。位相検出器は当業者にはよく知られたものであり、本発明の範囲を超える。位相検出器の例は、Yongsam Moon et al,“An All-Analog Multiphase Delay-Locked Loop Using a Replica Delay Line for Wide Range Operation and Low-Jitter Performance”, JSSS Vol. 35, No. 3, March 2000, pp. 377-384に記載されており、その内容はここで参照によってその全体において組み込まれる。
生成される遅延をVCDL１０２によって変えられることを利用して、DLL１００は参照クロック信号CKrefとフィードバック・クロック信号CKfをそれぞれの立ち上がりエッジを揃えることにより同期させる。制御電圧Vcは、フィードバック・クロック信号CKfと参照クロック信号CKrefの立ち上がりエッジを揃えるためにVCDL１０２が参照クロック信号CKrefに加えるべき遅延を決定する。
参照クロック信号CKrefおよびフィードバック・クロック信号CKfはロック検出器１１１の入力にも結合される。ロック検出器１１１は入力クロック信号（CKref、CKf）の立ち上がりエッジの相互の位置付けを評価し、両クロック信号の立ち上がりエッジの間のタイミング差を示すLOCK指示信号１５４を発生させる。LOCK指示信号１５４は単一ビット信号でも、多ビット・コードであってもよい。ロック検出器１１１のある実施形態の内部構造および動作はのちに図９との関連で論じる。
マルチプレクサ１１３は、多ビット・コード（MX１５２）の値に従って、いくつかの入力信号（本記載では引き出されたVCDL出力１１６）のうちから、その単一の出力（本記載ではCKout）に伝送されるべき一つを選択する、当技術分野で既知の任意の好適な型のマルチプレクサである。引き出されたVCDL出力については、のちに図７および図８との関連で述べる。
DLL初期化コントロール１１２は初期化プロセスを管理し、初期化プロセスの適正なシーケンスを維持することを担う。DLL初期化コントロール１１２は、ロック検出器１１１から受信したLOCK指示信号１５４に基づいてコード（MX１５２）および信号（HLD、RST）についての適切な値も選択する。
電源投入またはリセット後、DLL初期化コントロール１１２は、ロック検出器１１１および制御電圧発生器１０７をリセットするためにRST信号をアサートする。制御電圧発生器１０７から出力される制御電圧Vcは、最小のVCDL遅延を与える電圧レベルに設定される。DLL初期化コントロール１１２は、位相検出器１０４に結合されるHLD信号をもアサートする。HLD信号がアサートされている間は、位相検出器１０４は、適切なUP／DOWN信号を発生させることによってVCDL１０２の遅延を増加させることができるのみである。ロック指示信号１５４の状態から、動作点が第一のロック点に近いことを検出すると、DLL初期化コントロール・ユニット１１２は、出力クロック信号CKoutの位相を切り換えるために適切なMXコード１５２を出力する。位相が切り換えられたのち、位相検出器１０４は、次のロック点に達するまで、ロック指示信号１５４によって指示される適切なUP／DOWN信号を発生させることを通じて制御電圧Vcを修正することによってVCDL遅延を増加させ続ける。
マルチプレクサ１１３は複数の入力および単一の出力をもつ。MXコード１５２は、引き出された（tapped）VCDL出力信号のうちから、その単一の出力に伝えられる一つを選択する。マルチプレクサ出力には、一時には一つの引き出されたVCDL出力信号しか伝えられない。MXコードの現在の値に対応する一つである。隣接する引き出されたVCDL出力の間には限られた数の遅延段しかないので、多重の引き出されたVCDL出力は、二つの隣り合う引き出された信号間の位相差が比較的小さく、クロック信号周期よりも短い、「位相グリッド」を生成する。隣接する引き出し口の間の位相差が小さいので、大きめの位相シフトを発生させるためには比較的多数の引き出し口をスキップしなければならない。よって、マルチプレクサの出力において要求される位相シフトが180°（大きな跳躍）に近い場合には、引き出されたVCDL信号の補角信号（complements）が使われ、必要であれば、その後、引き出し口間の小さな位相差（小さめの跳躍）を使ってより精密な調整が実行されうる。
次のロック点に達したのち、初期化プロセスは完了する。DLL初期化ユニット１１２はHLD信号をデアサートし、位相検出器１０４は、本DLLの通常動作の間、VCDL１０２の遅延を増加させることも減少させることもできるようになる。
こうして、DLL初期化コントロール・ユニット１１２が初期化プロセスを制御する仕方は、VCDL遅延が最小遅延から出発し、遅延が第一のロック点に向かって増加し、第一のロック点がスキップされ、DLL５００が第二のロック点でロックされるまで遅延がさらに増加させられるようなものである。DLL初期化コントロール・ユニット１１２の動作のさらなる詳細は、のちに図１１との関連で論じる。
図６Ａは、図５に示されたDLL５００を使っての制御電圧に対する遅延の特性上での初期化プロセスを示すグラフである。図６Ｂは、図６Ａに示された初期化プロセスに対応するクロック信号図である。図６Ａおよび図６Ｂについて、図５との関連で述べる。
制御電圧Vcは最初に、境界電圧レベルに、すなわちVCDL１０２によって生成される最小遅延に対応する電圧にリセットされる。該境界電圧レベルはたとえば、電源電圧または接地であることができる。
リセットまたは電源投入後、PD１０４から出力されるUP／DOWN信号に基づいて制御電圧Vcが増加させられるにつれ、電圧制御遅延線（VCDL）１０２は、図６Ａに示される最小遅延点６０２（遅延対制御電圧特性の再左端の点）から方向６００に遅延を増加させ始める。
初期化プロセスの最初に、ロック検出器１１１は二つの入力クロック信号（CKref、CKf）の立ち上がりエッジの相対位置を評価する。その評価に基づいて、ロック検出器１１１は、両クロックの立ち上がりエッジの近接性の指標となるLOCK信号１５４を発生させる。ある実施形態では、LOCK信号１５４は多ビット・コードである。LOCK信号はDLL初期化コントロール・ユニット１１２によって受信される。DLL初期化コントロール・ユニット１１２は、LOCK信号１５４の値に基づいて多ビットの出力選択コードMX１５２を発生させる。出力選択コードMX１５２は、VCDL１０２から受信された引き出された位相シフトされた出力信号１１６のうちから一つを選択するために使用される。
VCDL１０２を通じた遅延は、最小遅延点６０２から一方向に徐々に増加させられる。初期化の間、DLL初期化コントロール・ユニット１１２から出力され、PD１０４に結合されるHLD信号がアサートされ、PD１０４が初期化状態に保持される。初期化状態にある間は、PDは、制御電圧Vcの適切な修正によってVCDL遅延が増加させられるのみのUPまたはDOWN信号のみを生成する。初期化プロセスは、参照クロック信号CKrefとフィードバック・クロック信号CKfの立ち上がりエッジが所定の近接度で揃うまで続く。該近接度は、参照クロック信号CKrefの周期の半分よりも実質的に小さいよう設定される。
参照クロック信号CKrefおよびフィードバック・クロック信号CKfの立ち上がりエッジが選択された近接度まで揃っていることを検出したのち、DLL初期化コントロール・ユニット１１２による出力選択コードMX１５２の適切な選択を通じて、出力クロック信号CKoutが反転される（すなわち、デューティー・サイクル50%のクロック信号については180°シフトされる）。こうして、第一のロック点６０４がスキップされる。DLL初期化コントロール・ユニット１１２によって制御されるHLD信号は、PD１０４を初期化状態に保持し続け、その結果、VCDL遅延は引き続き増加する。
第一のロック点６０４がスキップされたのち、DLL５００は、徐々に制御電圧Vcを増加させることによって遅延を増加させ続け、参照クロック信号CKrefとフィードバック・クロック信号CKfの立ち上がりエッジの精密な整列に達するまで続ける。精密な整列は、LOCK信号１５４によって、あるいはPD１０４のUPおよびDOWN出力信号の状態によって指示される。前の文で述べたように初期化プロセスにおける微細整列指示デバイスとしてPD１０４が使われる場合、PD１０４は、初期化専用であって、制御電圧発生器１０７の入力に結合されていない別個のUP出力およびDOWN出力の対を持ちうる。PD１０４の方式に依存して、これが必要であることもある。というのも、制御電圧発生器１０７の入力に接続されたUPおよびDOWN入力は、初期化の間、無効にされることがあるからである。
第二のロック点６０６に達したのち、HLD信号の状態がデアサートに切り換えられ、PD１０４の通常動作が許容されるようになる。これでDLL５００は、必要に応じてVCDL遅延を増加または減少させることが許容される。PD１０４を解放することにより、初期化プロセスは終了され、DLLの通常動作が可能にされる。
ある実施形態では、ロック指示信号１５４は多ビットのロック・コードである。多ビットLOCKコード１５４は、DLL５００に、所望のロック点６０６に対応する引き出されたVCDL出力１１６を選択することによって所望のロック点に向かってすばやく移動することを許容する。これにより、制御電圧Vcが徐々に変化させられるのを待つ必要なく、第二の（所望される）ロック点６０６にすばやく到達されることが許容される。代替的な実施形態では、LOCK信号１５４は単一ビットである。
図７は、図５に示されたVCDL１０２のシングルエンドの実施形態のブロック図である。VCDL１０２は、直列に接続されて遅延線を与える、複数のシングルエンド・バッファ１１５を含む。各バッファ１１５は一つのシングルエンド入力および一つのシングルエンド出力を有している。一つのバッファ１１５のシングルエンド出力は、VCDL１０２における後続バッファのシングルエンド入力に結合されている。制御電圧Vcは、各バッファ１１５に直接供給され、各バッファによって生成される遅延時間を決定する。制御電圧Vcの各バッファ１１５への接続は、簡単のため、図７には示していない。この実施形態では、VCDL出力信号１１７もシングルエンドである。VCDL出力信号の反転バージョン（デューティー・サイクル50%のクロックについては180°シフトされている）１１７′が反転器１０９の出力を通じて与えられる。反転器１０９の入力はVCDL出力信号１１７に結合されている。
参照クロック信号CKrefの中間遅延バージョンが、一群のバッファ１１４の出力を引き出すことによって得られる。複数の引き出し口１１６は、図５に示された引き出されたVCDL出力１１６をなす。各引き出し口１１６は、参照クロック信号CKrefの遅延された、あるいは位相シフトされたバージョンである。本発明の異なる諸実施形態では、VCDL１０２は複数の引き出された出力１１６または単一の出力信号１１７を、それぞれの補角信号１１７′とともに、あるいは補角信号１１７′なしで、出力できる。
図８は、VCDL１０２のディファレンシャルエンドの実施形態のブロック図である。この実施形態では、VCDL１０２は、制御電圧Vcによって制御される複数の差動バッファ１１５ａを含む。制御電圧Vcは各差動バッファ１１５ａ（簡単のため図示せず）に結合されている。前記複数の差動バッファ１１５ａは直列に接続されている。この実施形態では、差動バッファ１１５ａは差動入力および差動出力を有する。第一のバッファ１１５ｂは、シングルエンドの参照クロック信号CKrefを受け取るためのシングルエンド入力および差動出力を有する。VCDL１０２のディファレンシャルエンドの実施形態は、VCDLのシングルエンドの実施形態よりもノイズの影響の受けにくさの点でよりよい傾向がある。また、VCDL出力１１７ａおよびすべての引き出された出力１１６ａはいずれも信号およびその補角信号をもつ。各引き出された出力信号の補角信号が与えられることで、図７のシングルエンドの実施形態に示されていた反転器１０９の必要はない。VCDL１０２は複数の引き出された差動出力１１６ａをもつこともできれば、単一の差動出力１１７ａをもつこともできる。
図９は、ロック検出器１１１のある実施形態の概略図である。ロック検出器１１１は、参照クロック信号CKrefとフィードバック・クロック信号CKfとの間の位相差に基づいて、当該DLLがどのくらいロック点に近いかを示すロック指示信号（LC）１５４を提供する。ロック検出器１１１中の各段１１８は、入力において二つのクロック信号（CKref、CKf）を受け取り、その入力クロック信号の一方の立ち上がりエッジと他方の入力クロック信号の立ち上がりエッジとの間の時間差を示す単一ビットのLOCK信号（LC）を出力する。
各段１１８は、二つのフリップフロップ１１９ａ、１１９ｂおよび三つの遅延線１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃを含む自己完結ユニットである。遅延線１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃのそれぞれは、該遅延線に埋め込まれているそれぞれの遅延時間期間（T1,T2）を有する。最も単純な実装では、ロック検出器１１１は、単一ビットのロック指示信号を出力する単一の段１１８を有する。
図１０は、図９に示されたロック検出器１１１の段の一つにおける信号を示すタイミング図である。図１０は、ロック検出器１１１の動作を説明するために図９との関連で使用される。参照クロック信号CKrefの立ち上がりエッジの位置と遅延された参照クロック信号CKref_delの立ち上がりエッジの位置は安定していると想定される。タイミング図は、フィードバック・クロック信号CKfの立ち上がりエッジの左から右への、「早期」（E: early）位置から「後期」（L: late）位置への移動を示している。位置Eは参照クロック信号CKrefの立ち上がりエッジより前であり、位置Lは遅延された参照クロック信号CKref_delの立ち上がりエッジより後である。
図９を参照すると、各段１１８において、段１１８の入力クロック信号CKrefは遅延時間T1をもつ遅延線１２２ｃによって遅延させられる。遅延された入力クロック信号CKref_delはフリップフロップ１１９ａ、１１９ｂの「D」入力に結合される。フリップフロップ１１９ａのクロック入力は、フィードバック・クロック信号CKfに結合される。フリップフロップ１１９ｂのクロック入力は、遅延時間期間T1をもつ遅延線１２２ａおよび遅延時間期間T2をもつ遅延線１２２ｂを通じて遅らされた、遅延されたフィードバック・クロックCKf_delに結合される。遅延線１２２ａ、１２２ｂは直列に接続される。
遅延時間期間T1およびT2は、遅延線１２２ａ〜ｃに埋め込まれており、同じ値であってもいいし、異なっていてもよい。遅延時間期間は、アプリケーションに依存して修正されることもできる。一般に、ロック検出器１１１は図９との関連で述べた同様の構造の複数の段１１８を含む。しかしながら、異なる諸実装については、諸段１１８は、遅延線１１２ａ〜ｃに埋め込まれたT1およびT2の遅延値において異なることができる。T1およびT2の両方についての好ましい値は、参照クロック信号およびフィードバック・クロック信号（CKref、CKf）の周期のある割合である。ここで、前記割合は最高クロック信号周波数におけるクロック周期の１／４よりも小さい。いくつかの実施形態では、遅延時間期間は、二つの隣り合うVCDL引き出し口１１６、１１６ａの間の遅延時間の半分よりも短い。その他の実施形態については、遅延時間期間は二つの隣り合うVCDL引き出し口１１６、１１６ａの間の遅延時間の半分よりもやや長い。
示されている実施例では、遅延時間期間T1およびT2は異なっている。フィードバック・クロック信号CKfの立ち上がりエッジが、初期化の間に参照クロックCKrefの立ち上がりエッジに一方の側（たとえば図６のタイミング図の左）から「接近」することが期待されるならば、遅延時間期間T2は「ロック窓を開き」、遅延時間期間T1は当該ロック検出器のためのマージンをなす。一般に、T1およびT2は異なる値である。この例では、典型的に、遅延時間期間T1は遅延時間期間T2よりも小さくなるよう選ばれ、それにより、ロック点が近づいているという「早期警報」と、ロック点の反対側に対するより厳しい制御とが保証される。
典型的には、遅延時間期間（T1、T2）は短い。というのも、より長い遅延を得るためには、著しいシリコン面積のオーバーヘッドがかかるからである。しかしながら、遅延時間期間は短すぎるわけにはいかない。というのも、VCDL遅延がDLL５００によって調整される間、数クロック・サイクルにわたってLC信号１５４が安定のままである必要があるからである。
図９の概略図を参照すると、フィードバック・クロック信号CKfの立ち上がりエッジが「E」位置にあるとき、フィードバック・クロック信号CKfの立ち上がりエッジは参照クロック信号CKrefに対して早い。反転器１２０の出力におけるER信号は「1」で、フリップフロップ１１９ｂのQ出力におけるLT信号は「0」なので、LC信号１５４は「0」である。
ER信号およびLT信号はAND論理ゲート１２１によって組み合わされ、出力にLC信号を与える。LT信号の「0」とER信号の「1」の組合せは、AND論理ゲート１２１の出力におけるLC信号上の「0」を生じる。
VCDL遅延が増加させられるにつれて、フィードバック・クロック信号CKfの立ち上がりエッジは右に向かって動き、「i」位置に達する。「ER」信号と「LT」信号がいずれも「1」なので、LC信号は「1」に切り替わる。
概略図を参照すると、遅延されたフィードバック・クロック信号CKf_delもそれぞれの「i」位置に達する。遅延されたフィードバック・クロック信号CKf_delの立ち上がりエッジにおいて、遅延された参照クロック信号CKref_delは「1」であり、フリップフロップのD入力上の「1」はフリップフロップ１１９ｂのQ出力にラッチされる。LT信号上の「1」とER信号上の「1」との組み合わせは、AND論理ゲート１２１の出力におけるLC信号上の「1」を生じる。
図１０の例においてフィードバック・クロック信号CKfの立ち上がりエッジの位置が「ii」位置に達するまで右に動き続ける間、LC信号は「1」に留まる。「ii」位置では、遅延された参照クロック信号CKref_delは「1」である。フリップフロップ１１９ａのD入力は「1」なのである。フィードバック・クロックCKfの次の立ち上がりエッジはフリップフロップ１１９ａのQ出力に「1」をクロックし、反転器１２０の出力におけるER信号は「0」に切り替わる。LT信号上の「1」とER信号上の01」との組合せは、AND論理ゲート１２１の出力におけるLC信号上の「1」を生じる。
LC信号の状態は、フィードバック・クロックCKfの立ち上がりエッジと参照クロックCKrefの立ち上がりエッジとの間の時間の指標を与える。LC信号は、フィードバック・クロック信号CKfの立ち上がりエッジがCKrefクロック信号の立ち上がりエッジから時間T2およびT1以内にある、すなわち位置(i)と(ii)の間にあるうちは、「1」のままである。
ロック検出器１１１に複数の段１１８が含まれ、各段がVCDL１０２から、同じフィードバック・クロック信号CKfと参照クロック信号CKrefの異なる引き出し１１６とを受け取るならば、フィードバック・クロック信号CKfの立ち上がりエッジに最も近い立ち上がりエッジをもつ参照クロックCKrefの引き出し口を簡単に同定できる。一つの方法は、DLLがフィードバック・クロックCKfの立ち上がりエッジを進める、すなわち制御電圧Vcの値を徐々に変化させることによってVCDL遅延を増加させるのを続けさせ、複数のLC信号のどれが「1」に切り替わるかを監視することである。
もう一つの方法は、LC信号の代わりに、ER信号とLT信号を直接監視することである。ER信号とLT信号の組合せは、４つの可能な状態（00、01、10および11）を与える。フィードバック・クロック信号CKfの立ち上がりエッジが参照クロック信号CKrefの立ち上がりエッジよりもT2より長い期間、早ければ、状態は「10」（ER信号が「1」、LT信号が「0」）である。フィードバック・クロック信号CKfの立ち上がりエッジが参照クロック信号CKrefの立ち上がりエッジよりもT1より長い期間、遅ければ、状態は「01」（ER信号が「0」、LT信号が「1」）である。よって、順序番号「N」のVCDL引き出し口１１６、１１６ａではフィードバック・クロックCKfの立ち上がりエッジが参照クロックCKrefの立ち上がりエッジより遅いが、順序番号「N＋1」の次の引き出し口１１６、１１６ａではフィードバック・クロックCKfの立ち上がりエッジが参照クロックCKrefの立ち上がりエッジより早いならば、引き出し口「N」での状態（ER信号とLT信号の組み合わせ）は「11」または「01」であり、引き出し口「N＋1」での状態（ER信号とLT信号の組み合わせ）は「10」または「11」である。値T1およびT2が両方とも隣り合う引き出し口の間の時間遅延のある小さな割合、たとえば二つの隣り合う引き出し口N、N＋1の間の時間遅延の1/10として選ばれるならば、「11」の組合せは二つの隣り合う引き出し口において同時に存在することは決してなく、ロック点（状態「11」）が二つの引き出し口の間であることを見るのは容易である。
各段１１８からの単独のLC信号出力のみを使う方法は、ER信号およびLT信号を使う方法より実装が簡単である。しかしながら、ER信号およびLT信号の組合せを使う方法は、DLLをロック点に持ち込むのにより高速な方法である。当業者は、代替的な実施形態では、DLL動作点を初期化するために三つの信号LC、LT、ERのすべてを使うこともできることを理解するであろう。
図５に戻ると、DLL初期化コントロール１１２は初期化プロセスを制御する。初期化コントロール１１２は状態機械である。プロセスは、DLL初期化プロセスの間の加えられる信号（RST、HLD、MX）についての正しい値を選ぶことを含む。当業者は、状態機械を実装または合成するためには多くの方法があることを理解する。したがって、DLL初期化コントロールそのものの内部構造の概略図または要素ではなく、DLL初期化コントロール１１２の所望の機能をもつ状態機械を合成するために使われるアルゴリズムについて述べる。ここで論じられ、図１１に表現されるアルゴリズムが、初期化プロセスを実装するために使うことのできる唯一の論理方式ではないことも注意しておく。ステップの序列は変更することもでき、ステップを追加、除去または修正することもできる。
図１１は、DLL初期化コントロール１１２内で実装されるDLL初期化プロセスを示すフローチャートである。DLL初期化プロセスは、電源投入またはシステム・リセットが発生するたびに開始される。図１１は、図９および図５との関連で述べる。
ステップ２００において、図５を参照するに、システム・リセット信号（簡単のため図示せず）がDLL５００に、およびDLL５００内のさまざまなモジュールに結合される。RST信号がロック検出器１１１および制御電圧発生器１０７に入力される。RST信号はロック検出器１１１を必要ならリセットする。たとえば、リセット信号は、フリップフロップ１１９ａ、１１９ｂのクリアなインプットに結合されたとき、図９に示された両フリップフロップ１１９ａ、１１９ｂをクリアして各フリップフロップのそれぞれのQ出力が「0」に設定されるようにすることによって、ロック検出器１１１をリセットできる。リセット信号はまた、制御電圧ノードVcを境界値、すなわち最小遅延を生成する値に放電する。リセット信号はまた、HLD信号を「保持（hold）」モードにアサートし、MX制御コード１５２についての初期値と探索されるロック点についての所望される近接度を設定する。
電源投入において、MXコード値１５２は初期値に設定され、それによりVCDLの引き出された出力１１６または１１６ａは最小の位相シフトをもつもの（図７および図８に示されている最左端の引き出された出力（位相1））が選択される。所望されるロック近接度は、クロック信号（CKref、CKf）の立ち上がりエッジの近接度を評価するためのデバイスとして、PD１０４ではなくロック検出器１１１を選択することによって設定される。
電源投入におけるDLL初期化コントロール１１２からのMX出力１５２の値は、実装に依存して異なりうる。MX出力１５２は単一ビットまたは多ビットのどちらでもありうる。図５に示された実施形態では、MXは多ビット・コードである。単一ビットおよび多ビットの実装については、のちに論じる。HLD信号が「保持」に設定されている間は、PD１０４は「保持モード」にあり、PD１０４は、VCDL１０２遅延が増加のみされるようUPおよびDOWN出力信号を制御する。PD１０４が「保持モード」にある間も、その別個の専用の出力信号は相変わらず、入力クロック信号（CKref、CKf）の立ち上がりエッジの近接をより高い精度で測定するために使われることができる。
最も高精度の位相検出器でさえ、ある有限の精度でエッジ整列を記録する。他の要因の中でも、この精度が、DLLクロック整列の精度を決定する。たとえば、PD誤差が20psで、DLLが確固としたロックにあるとすると、他の要因を除外すれば、クロック・エッジは互いから20ps以内にある。したがって、PD出力信号は、クロック・エッジ間の時間差が20ps以下であるときに、クロック・エッジの整列を指示する。
DLLの初期化は最小のVCDL１０２遅延をもって始まり、遅延は増加のみさせられうる。図１１に戻ると、ステップ２０２において、クロック（CKref、CKf）は1サイクル（すなわち1クロック周期）進み、当該クロック・サイクルにおけるクロック（CKref、CKf）の立ち上がりエッジの整列は、先に論じたようにロック検出器１１１および／またはPD１０４によって測定される。
ステップ２０４では、DLL初期化コントロール１１２が、ロック検出器１１１（図５）から転送されたLOCKコード１５４（図５）に基づいて、所望の近接度でロックが見出されたかどうかを判定する。ロックの近接度は、ロック点が見出される精度である。ロックの近接度は、DLL初期化コントロール１１２内で、レジスタ内の読み込み可能なコードまたはヒューズ・プログラムされた（fuse programmed）コードとして、記憶されている。ロックの近接度は、ロック検出器１１１内のT1およびT2の時間期間についての値を設定するために使われる。
ロックの検出器１１１は、先に論じたように、粗い整列または精密な整列のいずれを判定することもできる。それが立ち上がりエッジの近接の度合い（粗いか精密か）であり、これはT1およびT2の時間期間の値の設定およびER、LT、LC信号またはそれらの組合せのうちどれがロック点を選択するために使われるかによって決定される。
DLL初期化プロセスの間に整列の精度は変わってもよい。初期化プロセスの最初は、整列を粗く検出するので十分である。粗い整列は典型的には、図９および図１０との関連で記載されたロック検出器１１１によって実行される。近似的なエッジ整列で十分なDLL初期化プロセスの始めには、長いT1およびT2時間期間およびシンプルなLOCKコードをもつロック検出器の段１１８が使われる。より精密な整列が必要になると、より短いT1およびT2時間期間ならびにLOCKコードにおけるER、ETおよびLC信号のより複雑な組合せが使用される。あるいはまた、PD１０４がこの段階でエッジ整列検出器として従事することもできる。
初期化プロセスを続ける：各立ち上がりクロック・エッジにおいて、DLLはクロック信号の立ち上がりエッジ間の近接（整列）の度合いを評価し、補正信号を生成する。制御電圧Vcは常時、位相検出器１０４からのUP、DOWN信号の値に基づいて修正される。
最初の数クロック・サイクル後、LOCKコードは、DLLが第一のロック点に接近していることを示す状態に落ち着く。所望の近接度で第一のロック点に到達したのち、プロセスはステップ２０６に進む。
ステップ２０６では、MXコードを修正して、マルチプレクサ１１３を通じてフィードバック・クロック信号CKfの位相がシフトされるようにすることによって、第一のロック点がスキップされる。VCDL遅延は、電源投入またはリセットのすぐあとのごくわずかの数クロック・サイクル経過後、位相シフトを実行することによって迅速に増加させることもできる。この場合、高い粒度のVCDL引き出しをもつ精密なロック検出器が使われる。これは、第一および第二のロック点６０４、６０６の高速かつ精密な位置特定を許容し、それは今度は第二のロック点に対応するMXコードの値が迅速に生成されることを許容する。
図６Ｂのタイミング図および図６Ａのグラフを参照すると、第一のロック点６０４に到達してスキップしたのち、遅延は、制御電圧Vcの値を修正することにより増加され続け、そのためDLLは次の第二のロック点６０６へと移動する。遅延は最初は位相をシフトさせることによって迅速に増加させられる。次いで、遅延は、制御電圧Vcを徐々に修正する――各クロック・サイクルでの比較的小さな変化――ことによって徐々に増加させられる。タイミング図は、VCDL遅延を徐々に大きくすることによって第二のロック点６０４に達することをも示している。制御電圧Vcの値を徐々に変化させることは、位相シフトよりも遅いが、それでもVCDL遅延を大きくし、DLLが第二のロック点に対応する制御電圧Vc値に達することを許容する。
VCDLの最小の遅延に対応する値に設定された制御電圧Vcをもって、DLLは最終ロック点（たとえば第二のロック点６０６）に単一の位相シフトで持ち込まれうる。この動作を実行するため、引き出し口１１６、１１６ａの選択は、DLLが第一のロック点をスキップして、最小遅延を生じるよう保持されているVcをもつ第二のロック点の非常に近くに着地するようなされる。しかしながら、動作条件が変化する際Vcが解放されたのち、DLLは遅延を減らすための余り多くの余地をもたないことになる。というのも、制御電圧Vcが最小遅延を生じる値からあまり遠くないからである。よって、クロック信号エッジのドリフトおよび動作条件の変化を補償するために著しい遅延減少が必要とされるような場合には、DLLは容易にロックを失うことになる。
Vc電圧レベル修正に起因して最終的なロック前に達成されるVCDL遅延増の部分は、DLL通常動作の間に必要とされる最大のVCDL遅延減（図３Ｂの範囲３０４）に何らかの安全マージンを加えたものより大きいか、あるいは少なくとも等しい必要があるだけである。明らかに、より長いタイミング期間を選ぶことは、最終的なロックの探索も長くする。しかしながら、すでに論じたように、タイミング期間は、クロック信号エッジのドリフトおよび動作条件の変化の影響のもとで、通常のDLL動作の間の何らかの時点において必要とされるかもしれない最大のVCDL遅延修正（減少）によって決定される。
ある実施形態では、ロック検出器１１１は、ロック検出器１１１出力LOCKコードにおいて各個別段１１８のLC出力のみが使われる複数の段１１８を含む。この実施形態では、段１１８は、それぞれの遅延線１２２ａ〜ｃに埋め込まれたT1およびT2の遅延時間の異なる値を有する。この場合の遅延線１２２ａ〜ｃは、VCDL１０２バッファ・チェーン１１４の諸部分のレプリカである。第一段１１８ａは遅延線１２２ａ〜ｃ内に比較的少ないバッファを有し、参照クロック信号CKrefおよびフィードバック・クロック信号CKfの立ち上がりエッジが互いに比較的近いときに次の段のLC信号がアサートされる（論理的な「1」に設定される）。
それぞれの次の段１１８ｂは、前段に比べてより多くのバッファをもつ。よって、それぞれの次の段１１８ｂにおける近接度の精度は下がり（より粗くなる）、クロック信号（CKref、CKf）の立ち上がりエッジが互いからより隔たっているときにアサートされる。組み合わされたLCはすべての段から出力される。それがこの実施形態におけるロック検出器１１１のLOCK出力コードである。LOCKコードは、クロック信号CKrefおよびCKfの立ち上がりエッジを互いに近づけるために、VCDLにおいて、参照クロック信号CKref経路に単一VCDLバッファをいくつ追加する必要があるかを示す。換言すれば、LOCK出力コード１５４は、第一のロック点６０４をスキップしてDLL動作点を第二のロック点６０６に近づけるために、引き出されたVCDL出力のうちからMXコード１５２によって選択されるべき引き出し口を同定する。
こうして、ステップ２０８において、DLL初期化コントロール１１２は、第二のロック点に対応するMXコード値をアサートし、PD１０４制御に切り換えることによって、所望される近接度を精密に変化させる。初期化プロセスのこの段階で、専用のUP信号およびDOWN信号が高精度でクロック立ち上がりエッジの位置付けを評価するために使われる。その一方、UP出力およびDOWN出力はいまだHLD信号によって、VCDL１０２遅延をいまだ増加のみさせるよう保持されている。あるいはまた、ロック検出器１１１が制御する立場に留まり、その一方でPD１０４はVCDL１０２遅延時間を増加させるためのUPおよびDOWN出力信号を生成するよう保持されるのでもよい。
ステップ２１０では、クロック（CKref、CKf）は1サイクル進む。参照クロック信号CKrefおよびフィードバック・クロック信号CKfの次の立ち上がりエッジが検出され、近接度が測定される。
ステップ２１２では、第二のロック点に所望の近接度で到達していれば、プロセスはステップ２１４に進む。そうでなければ、プロセスはステップ２１０に進んで、参照クロック信号CKrefとフィードバック・クロック信号CKfとの間の整列の度合いの監視を続ける。
ステップ２１４では、精密な最終ロックに到達しており、HLD信号を「解放」状態に切り換えることによってPD１０４が解放される。
ステップ２１６では、PD１０４が制御電圧Vcを制御し、通常のDLL動作が始まる。
DLLの他の諸実施形態が図１２〜図１５に示されている。
図１２は、本発明の原理に基づくDLL初期化を含む、ある代替的な実施形態のDLL１４０のブロック図である。この実施形態は、より高速なDLL初期化が要求される場合、すなわち、最終的なDLLロック点に到達し、通常のDLL動作に切り換えるために必要とされる時間が重要であるときにより好適である。
DLL１４０は、図５との関連で記載されたDLL５００の実施形態と多くの共通の要素を有する。本DLLは、図５に示された実施形態において論じたように、複数の引き出された出力１１６または１１６ａをもつVCDL１０２、PD１０４、制御電圧発生器１０７、マルチプレクサ１１３およびDLL初期化コントロール１１２を含む。図５に示したDLL５００における単一のレプリカ遅延１０３と対照的に、DLL１４０は複数のレプリカ遅延ブロック１０３を含んでいる。VCDL１０２の引き出された出力１１６または１１６ａのそれぞれについて、一つのレプリカ遅延ブロック１０３である。
ロック検出器１１１は図９で示したような内部構造を有し、VCDLの引き出された出力１１６または１１６ａの数と同数の複数の段１１８をもつ。タイミング期間T1およびT2の値は二つの隣接するVCDL引き出し口１１６または１１６ａの間の遅延時間よりずっと短い。ロック検出器１１１によるLOCKコード出力は、全段１１８のLC、LTおよびER出力を含む。これは、クロック信号の立ち上がりエッジの相互の位置付けを判定する際のより高い精度を許容する。二つのマルチプレクサ１１３ａ〜ｂが使われる：いくつかのVCDL１０２の引き出された出力からDLL出力のクロック信号を選択するためのマルチプレクサ１１３ａと、フィードバック・クロック信号CKfを選択するためのマルチプレクサ１１３ｂである。両方のマルチプレクサ１１３ａ〜ｂは、同じMX多ビット・コードによって制御される。図５に関連して述べた実施形態に比べ、ロックするためのより高い精度およびより高速な時間を提供するために、マルチプレクサ１１３ａ〜ｂを二つ、レプリカ遅延１０３を複数およびロック検出器１１１内のクロック検出器段１１８を収容するために、追加的なシリコン面積のオーバーヘッドが必要とされる。
引き出されたVCDL出力１１６または１１６ａからのクロック信号は、レプリカ遅延１０３および第一のマルチプレクサ１１３ａに転送される。レプリカ遅延１０３を通過後、クロック信号はロック検出器１１１および第二のマルチプレクサ１１３ｂに転送される。DLL初期化コントロール１１２は、図１１との関連で述べた初期化プロセスを制御する。電源投入またはシステム・リセットに際して、制御電圧発生器１０７は、VCDL１０２が最小の遅延を生成するよう、制御電圧Vcを境界値にリセットする。図５の実施形態で示したリセット信号は簡単のため除いてある。HLD信号の状態は、PD１０４を遅延増加モードに保持するため「保持」に設定される。ロック検出器１１１はリセットされ、MX多ビット・コードはデフォルト値に設定されるか、あるいはこのときは初期のランダムな値のままにされる。
所望の近接度の設定が、ロック検出器１１１が制御電圧Vcを制御するのを許容し、PD１０４を「保持」モードに保持することによって行われる。数クロック・サイクル後、LOCKコードの値は安定化し、参照クロック信号CKrefの立ち上がりエッジと比べてのレプリカ遅延１０３の諸出力における複数のクロック信号の立ち上がりエッジの位置に基づいて、クロック信号CKref、CKfの間の位相差を高精度で指示する。ロック検出器１１１から受け取られたLOCKコード値を使って、DLL初期化コントロール１１２は、マルチプレクサ１１３ａを通じては、出力クロック信号CKoutのためにVCDL１０２から出力されたクロックの最も近いバージョンを選択し、マルチプレクサ１１３ｂを通じては、PD１０４にフィードバックするために、レプリカ遅延ユニット１０３から出力されたクロック信号CKfのそれぞれのバージョンを選択する。
MXコードについての値を決定するため、マルチプレクサ１１３ａ、１１３ｂの両方によって選択されたクロック信号のバージョンが、VCDL１０２からの同じ引き出された出力に関係していることに注意しておくことが重要である。よって、クロック信号の諸バージョンは該MXコードによって選択され、位相シフトはリセットまたは電源投入後ほとんどただちに実行される。位相シフト後、DLLの動作点は第二のロック点６０６（図６Ａ）に近く、DLL初期化コントロール１１２はPD１０４を通じて制御電圧Vcを徐々に増加させる。その一方、HLD信号は、PD１０４がVCDL遅延を大きくするだけとなるよう、PD１０４の出力を保持する。制御電圧Vcの増加は、第二のロック点６０６（図６Ａ）に達するまで続く。第二のロック点６０６（図６Ａ）に達したのち、DLL初期化コントロール１１２はHLD信号の状態を「解放」に変更し、所望されるロックの近接度は、制御電圧Vcの制御をPD１０４に移すことによって、「精密」に切り換えられる。DLLの通常動作が始まる。この「ロック加速された」実施形態でさえ、Vcが最小遅延に対応する値に留まったまま位相シフトだけによってDLLを厳密に第二のロック点に持ってくることはできない。上で論じたように、クロック・エッジのドリフトおよび動作条件変化を補償するためにVCDL遅延の変動に対するマージンが必要とされる。したがって、位相シフトはDLLを第二ロック点にマージンの近さまで持ってき、残りの行程（マージン）は徐々にVcを修正することによってカバーされる。
図１３〜図１５に示されるDLLの諸実施形態は、図５との関連で前に記載されたDLLの実施形態や図１との関連で記載された従来技術のDLLでは使われていない反転ユニット１１０を含む。
図１３を参照すると、最も単純な場合において、反転ユニット１１０は反転器１０９およびマルチプレクサ１０８を含む。反転ユニット１１０の機能は、入力信号を反転バージョンと非反転バージョンに分割し、単一ビットのMX信号の論理値に従って該バージョンの一方を出力に供給されるべく選択することである。たとえば、MX信号が「0」のときは非反転バージョンの信号が出力され、MX信号が「1」のときは反転バージョンの信号が出力される、あるいはその逆とするなどである。したがって、反転ユニット１１０は、図１２に示した実施形態との関連で先に記載したマルチプレクサ１１３と同様である。
当業者にはよく知られているように、反転ユニット１１０の機能を実装するには多くの可能な方法がある。反転ユニットは本発明の主題ではないので、ここでは議論しない。ユニット機能が提供される限り、いかなる変形を選んでもよい。当業者は、反転ユニット１１０の内部構造が図１３に示されたものとは異なりうることを理解するであろう。たとえば、反転ユニット１１０は、シングルエンド入力またはディファレンシャル入力とディファレンシャル出力とをもつことができ、出力はMX信号によって選択される順相または逆相であることができる。反転ユニット１１０はまた、該ユニット内の二つの経路――反転および非反転――の追加的なチェーン平衡化（balancing）遅延をも含むことができる。また、VCDL１０２出力が信号と補角信号の対１１７ａ（図８）または信号と補角信号１１７′（図７）を提供する場合には、反転器１０９は反転ユニット１１０内に必要ないことがありうることも理解される。この場合、反転ユニット１１０は、マルチプレクサ１１３の２入力１出力バージョンを含む。
図１３に示されたDLLの実施形態は、図１２との関連で記載した実施形態ほど迅速にロック点を見出さない。しかしながら、図１３の実施形態は実装がより簡単で、必要とされるシリコン面積オーバーヘッドもより少ない。
DLL１４２は、ただ一つのVCDL出力と、一つの反転ユニット１１０と、ただ一つの段１１８をもつロック検出器１１０を含んでいる。あるいはまた、VCDL１０２が図８に示すように出力信号とその補角信号を与える場合、反転ユニット１１０は２入力単一出力のマルチプレクサ１１３によって置き換えられる。ロック検出器１１１内のタイミング期間T1およびT2はクロック周期のある小さな割合に設定されている。ロック検出器１１１は、参照クロック信号CKrefとフィードバック・クロック信号CKfの立ち上がりエッジが互いに近いときにのみ、ロック点を検出する。
DLL初期化コントロール１１２は、リセットまたは電源投入後、初期遅延から遅延を徐々に増加させる。ロック信号の状態に基づいて第一のロック点６０４（図６Ａ）が検出されたのち、反転ユニット１１０はDLL初期化コントロール１１２によって出力されるMX信号に基づいて反転されたクロックに切り換え、こうして第一のロック点を飛び越す。反転ユニット１１０の切り換え後、PD１０４は相変わらず、制御電圧Vcを上げることによって遅延を増加のみさせるようHLD信号によって保持されている。DLL１４２は、参照クロック信号CKrefとフィードバック・クロック信号CKfの立ち上がりエッジの間の時間遅延に基づいて、制御電圧Vcを上げることによって遅延を徐々に増加させ続ける。第二のロック点６０６（図６Ａ）が検出されたのち、PD１０４は、HLD信号の状態を変えることによって解放され、通常動作が始まる。
図１４および図１５に示すDLLの実施形態では、反転ユニット１１０は、前に論じられた諸実施形態とは異なる位置に接続されている。
図１４を参照すると、DLL１４４は二つの反転ユニット１１０ａ、１１０ｂを含む。反転ユニット１１０ａの入力はレプリカ遅延１０３の出力に接続されている。反転ユニット１１０ｂの入力はVCDL１０２の出力に接続されている。反転ユニット１１０ａの出力はDLL出力クロック信号CKoutである。反転ユニット１１０ｂの出力は、DLL内部のフィードバック・クロック信号CKfであり、PD１０４の入力およびロック検出器１１１の入力に結合される。
図１５を参照すると、DLL１４６は、参照クロック信号CKrefとVCDL１０２の入力との間に、すなわち参照クロック信号CKrefの経路中に結合される反転ユニット１１０を含む。
DLL１４４（図１４）もDLL１４６（図１５）もリセット信号やMX、RST、HLDといった内部DLL信号は示していない。これらの信号は簡単のため図からは除いた。当業者は、そうした信号がみなシステムに存在しており、これまでに論じられたすべての実施形態において適用されているのと同じ仕方で適用されることを理解するであろう。
当業者は、DLL初期化プロセスを使ったDLL構造は記載されているものに限定されないことを認識するであろう。経験のある設計者は、DLL初期化プロセスに関してここに記載された着想から裨益する他のDLL構造を設計できる。
他の実施形態では、DLLは、遅延対制御電圧特性の最大遅延に近い点から出発することによってロック点を探索する。初期化の間のロック点探索の方向は、遅延減少のみに制約される。すなわち、位相検出器は、該位相検出器の内部構造に依存して遅延減少に対応するUP信号およびDOWN信号の組合せのみを生成するよう強制される。ある実施形態では、出発点は、急峻領域を避けるため、急峻領域の下で最大遅延に対応するところである。動作点は初期遅延より下になるので、DLL内の段の一部しか使用されず、他は初期化の間無効にされていることもありうる。
本発明についてその好ましい実施形態を参照しつつ具体的に示し、説明してきたが、当業者は、付属の請求項によって包含される本発明の範囲から外れることなくそれに形式および詳細においてさまざまな変更をなしうることを理解するであろう。
従来技術の通常の遅延ロックループ（DLL）のブロック図である。 典型的な、制御電圧Vcに対するVCDL遅延の特性を示すグラフである。 制御電圧に対する遅延の特性の左端に近いロック点を示すグラフである。 図３Ａの制御電圧に対する遅延の特性に対応するクロック信号図である。 ある探索方向へのロック点の探索で、ロックに到達する前にVCDLの遅延限界に突き当たる結果となる場合を示すグラフである。 図４Ａに示されたロック点の探索に対応するクロック信号図である。 本発明の原理に基づく、DLLを初期化するためのDLL初期化コントロールを含む遅延ロックループ（DLL）のある実施形態のブロック図である。 図５に示されたDLLのDLL初期化コントロールを使っての、制御電圧に対する遅延の特性上での初期化プロセスを示すグラフである。 図６Ａに示された初期化プロセスに対応するクロック信号図である。 図５に示されたVCDLのシングルエンドの実施例のブロック図である。 ディファレンシャルエンドをもつVCDLのブロック図である。 ロック検出器のある実施形態の概略図である。 図９に示されたロック検出器の段の一つにおける信号を示すタイミング図である。 DLLを初期化するためのアルゴリズムを示すフローチャートである。 本発明の原理に基づくDLL初期化を含む、DLLの代替的な実施形態のブロック図である。 本発明の原理に基づくDLL初期化を含む、DLLの代替的な実施形態のブロック図である。 本発明の原理に基づくDLL初期化を含む、DLLの代替的な実施形態のブロック図である。 本発明の原理に基づくDLL初期化を含む、DLLの代替的な実施形態のブロック図である。

Claims (40)

  1. ロック点への近接を検出するロック検出器と；
    前記ロック検出器の出力に結合された初期化コントロールとを有する遅延ロックループであって、
    前記初期化コントロールは遅延をある初期遅延から一方向に変化させ、第一のロック点をスキップし、動作点を探索するために前記と同じ一方向に遅延を変化させ続ける、遅延ロックループ。
  2. 前記遅延の変化が遅延の増加のみである、請求項１記載の遅延ロックループ。
  3. 前記初期化コントロールが、動作点への近接を検出すると、遅延の増加および減少の両方を可能にする、請求項１記載の遅延ロックループ。
  4. 前記動作点が第二のロック点である、請求項１記載の遅延ロックループ。
  5. 前記ロック検出器が：
    異なる所定の時間期間をもつ複数の段を有し、各段が異なる精度でロック点近接を示す、請求項１記載の遅延ロックループ。
  6. 前記初期化コントロールが電源投入後に従事する、請求項１記載の遅延ロックループ。
  7. 前記初期化コントロールがリセット後に従事する、請求項１記載の遅延ロックループ。
  8. クロック信号の位相をシフトさせることによって前記第一のロック点がスキップされる、請求項１記載の遅延ロックループ。
  9. 前記クロック信号の位相が、該クロック信号の周期の半分未満または約半分だけシフトされる、請求項８記載の遅延ロックループ。
  10. 前記クロック信号の位相をシフトさせるために、電圧制御遅延線の引き出された出力が使用される、請求項８記載の遅延ロックループ。
  11. 前記クロック信号の位相が、当該位相ロックループ内の内部クロック信号の位相シフトを実行することによってシフトされる、請求項８記載の遅延ロックループ。
  12. 前記内部クロック信号が電圧制御遅延線の入力クロック信号である、請求項１１記載の遅延ロックループ。
  13. 前記内部クロック信号が電圧制御遅延線の出力クロック信号である、請求項１１記載の遅延ロックループ。
  14. 参照クロックと遅延されたフィードバック・クロックのエッジの整列に基づいてロック点への近接が検出される、請求項１記載の遅延ロックループ。
  15. 複数の所定の時間期間を適用することによってロック点への近接が解析される、請求項１４記載の遅延ロックループ。
  16. 前記所定の時間期間の値が、電圧制御遅延線内の諸段のレプリカの遅延時間に基づいている、請求項１５記載の遅延ロックループ。
  17. 前記所定の時間期間の値が、クロック周期の４分の１よりも短い、請求項１５記載の遅延ロックループ。
  18. 前記所定の時間期間の値が、二つの隣り合う電圧制御遅延線の取り出される出力の間の遅延時間のある割合である、請求項１５記載の遅延ロックループ。
  19. 前記所定の時間期間の値が、粗いロック点近接評価のために設定される、請求項１５記載の遅延ロックループ。
  20. 遅延ロックループを初期化する方法であって：
    ある初期遅延から一方向に遅延を変化させる段階と；
    第一のロック点をスキップし、動作点を探索するために前記と同じ一方向に遅延を変化させ続ける段階とを有する方法。
  21. 前記遅延の変化が遅延の減少のみである、請求項２０記載の方法。
  22. 前記初期遅延が電源投入後に生じる、請求項２０記載の方法。
  23. 前記初期遅延がリセット後に生じる、請求項２０記載の方法。
  24. 動作点への近接を検出すると、遅延の増加および減少の両方を可能にする段階をさらに有する、請求項２０記載の方法。
  25. 前記動作点が第二のロック点である、請求項２０記載の方法。
  26. クロック信号の位相をシフトさせることによって前記第一のロック点がスキップされる、請求項２０記載の方法。
  27. 前記クロック信号の位相が、該クロック信号の周期の半分未満または約半分だけシフトされる、請求項２６記載の方法。
  28. 前記クロック信号の位相をシフトさせるために、電圧制御遅延線の引き出された出力が使用される、請求項２６記載の方法。
  29. 前記クロック信号の位相が、当該位相ロックループ内の内部クロック信号の位相シフトを実行することによってシフトされる、請求項２６記載の方法。
  30. 前記内部クロック信号が電圧制御遅延線の入力クロック信号である、請求項２９記載の方法。
  31. 前記内部クロック信号が電圧制御遅延線の出力クロック信号である、請求項２９記載の方法。
  32. 参照クロックと遅延されたフィードバック・クロックのエッジの整列に基づいてロック点への近接が検出される、請求項２０記載の方法。
  33. 複数の所定の時間期間を適用することによってロック点への近接が解析される、請求項３２記載の方法。
  34. 前記所定の時間期間の値が、電圧制御遅延線内の諸段のレプリカの遅延時間に基づいている、請求項３３記載の方法。
  35. 前記所定の時間期間の値が、クロック周期の４分の１よりも短い、請求項３３記載の方法。
  36. 前記所定の時間期間の値が、二つの隣り合う電圧制御遅延線の取り出される出力の間の遅延時間のある割合である、請求項３３記載の方法。
  37. 前記所定の時間期間の値が、粗いロック点近接評価のために設定される、請求項３２記載の方法。
  38. ある初期遅延から一方向に遅延を変化させる手段と；
    第一のロック点をスキップする手段と；
    動作点を探索するために前記と同じ一方向に遅延を変化させ続ける手段、
    とを有する遅延ロックループ。
  39. 初期化コントローラを有する遅延ロックループであって、前記初期化コントローラが：
    ある初期遅延から一方向に遅延を変化させ；
    第一のロック点をスキップし、動作点を探索するために前記と同じ一方向に遅延を変化させ続け；
    動作点への所望の度合いの近接を検出すると、当該遅延ロックループの通常動作を許容する、
    論理を含んでいる、遅延ロックループ。
  40. 最小遅延に対応する第一のロック点への近接を検出するロック検出器と；
    前記ロック検出器に結合され、ある初期遅延から遅延を増加させ、第一のロック点をスキップし、動作点を探索するために遅延を増加させ続ける初期化コントロール、
    とを有する、遅延ロックループ。
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