JP2011171895A - Cdr回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】入力データと再生クロックの確実な同期と再生クロックの適切なジッタ低減とを両立させる。
【解決手段】CDR回路は、入力データが遷移したときにパルスを出力するゲーティング回路2と、ゲーティング回路2の出力パルスのタイミングに合うように出力クロックの位相を調整するG−VCO3と、G−VCO3から出力されるクロックのタイミングに合うように出力クロックの位相を調整するVCO4と、入力データのデータ識別をVCO4から出力される再生クロックに基づいて行うフリップフロップ1と、G−VCO3の出力端子とVCO4の入力端子との間に設けられたバッファ増幅器6aとを備える。バッファ増幅器6aは、外部から入力される駆動力制御信号に応じて駆動力が調整される駆動力調整機能付きバッファ増幅器である。
【選択図】 図1

Description

本発明は、入力データに対して位相同期したクロックを再生し、このクロックにより入力データのリタイミングを行うCDR回路に関するものである。
FTTH(Fiber To The Home)を実現する手法として開発が進められているPON(Passive Optica1 Network)方式等では、バーストデータを扱う必要がある。これらのシステムにおいては、非同期に受け取るバーストデータに対し瞬時に位相同期を確立してクロックを抽出し、このクロックに同期してデータをリタイミングして送り出すCDR(Clock Data Recovery)回路が必須である。この種の回路は、例えば特許文献1に開示されている。
図9は特許文献1に開示された従来のCDR回路の構成を示すブロック図である。このCDR回路は、フリップフロップ(以下、FFとする)1と、ゲーティング回路2と、ゲート付き電圧制御発振器(Voltage Controlled Oscillator 、以下、G−VCOとする)3と、電圧制御発振器(以下、VCOとする)4と、遅延回路5と、バッファ増幅器6とから構成される。
ゲーティング回路2に入力データが入力されると、入力データのエッジに同期したパルスが出力される。ゲーティング回路2からのエッジパルスがG−VCO3に入力されると、G−VCO3は、当該エッジパルスのタイミング、つまり電圧値偏移点をトリガとしてその発振位相がエッジパルスの位相(すなわち、入力データの位相)と合うように調整される。そして、G−VCO3から出力されたクロックがバッファ増幅器6を介してVCO4に入力されるため、VCO4から出力される再生クロックの位相は、G−VCO3の出力クロックの位相(すなわち、入力データの位相)と合うように調整される。G−VCO3の周波数制御端子とVCO4の周波数制御端子には、周波数制御信号が入力される。この周波数制御信号に応じてG−VCO3とVCO4とは、入力データと同じ周波数で発振する。
遅延回路5は、ゲーティング回路2の遅延時間とゲーテッドVCO3の遅延時間とバッファ増幅器6の遅延時間とVCO4の遅延時間の分だけ入力データを遅延させる。FF1は、遅延回路5を通過した入力データを再生クロックの所定のタイミング(例えば再生クロックの立ち上がり)でリタイミング(サンプリング)して、再生データを出力する。こうして、入力データからクロックおよびデータを再生することができる。
特許文献1に開示されたCDR回路によれば、VCO4から出力される再生クロックの位相は、G−VCO3の出力クロックの位相と合うように(すなわち、入力データの位相と合うように)調整されるが、G−VCO3の影響が小さいことから、G−VCO3の出力クロックの位相に瞬時に追従することはない。したがって、入力データにジッタが存在する場合でも、このジッタの影響を受け難くなるので、再生クロックのジッタを低減することができる。さらに、G−VCO3とVCO4との間に駆動力の弱いバッファ増幅器6を挿入しているので、再生クロックの位相に与えるG−VCO3の影響を小さくすることができ、再生クロックのジッタをより一層低減できるようになっている。
特開2009−239512号公報
特許文献1に開示されたCDR回路によれば、入力データにジッタが存在する場合でも、再生クロックのジッタを低減することができる。しかしながら、このCDR回路では、バッファ増幅器6を設けることでG−VCO3とVCO4間の位相同期の能力を落としていることになり、入力データの大きなジッタにも対応できるようにバッファ増幅器6の駆動力を低下させすぎると入力データと再生クロックの同期が外れてしまうという問題点があった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、入力データと再生クロックの確実な同期と再生クロックの適切なジッタ低減とを両立させることができるCDR回路を提供することを目的とする。
本発明のCDR回路は、入力データが遷移したときにパルスを出力するゲーティング回路と、このゲーティング回路の出力パルスのタイミングに合うように出力クロックの位相を調整することにより、前記入力データとタイミングの合ったクロックを出力する第1の電圧制御発振器と、この第1の電圧制御発振器に縦続接続され、前段の電圧制御発振器から出力されるクロックのタイミングに合うように出力クロックの位相を調整するn個(nは1以上の整数)の第2の電圧制御発振器と、前記入力データのデータ識別を、前記n個の第2の電圧制御発振器のうち最後尾の電圧制御発振器から出力される再生クロックに基づいて行うデータ識別回路と、前記ゲーティング回路の出力端子と前記第1の電圧制御発振器の入力端子との間、前記第1の電圧制御発振器の出力端子と前記n個の第2の電圧制御発振器のうち先頭の電圧制御発振器の入力端子との間、前記n個の第2の電圧制御発振器のうち1個の電圧制御発振器の出力端子と直後の電圧制御発振器の入力端子との間のうち、少なくとも1箇所に設けられたバッファ増幅器とを備え、前記バッファ増幅器のうち少なくとも1個は、外部から入力される駆動力制御信号に応じて駆動力が調整される駆動力調整機能付きバッファ増幅器であることを特徴とするものである。
また、本発明のCDR回路の1構成例は、さらに、前記n個の第2の電圧制御発振器のうち最後尾の電圧制御発振器から出力される再生クロックのジッタ量を検出し、このジッタ量に応じた駆動力制御信号を前記バッファ増幅器に供給するジッタ検出手段を備えることを特徴とするものである。
また、本発明のCDR回路の1構成例において、前記ジッタ検出手段は、前記入力データと等しい周波数の参照クロックと前記再生クロックの周波数を比較し、この周波数比較結果に応じた駆動力制御信号を前記バッファ増幅器に供給する周波数比較手段からなることを特徴とするものである。
また、本発明のCDR回路の1構成例において、前記ジッタ検出手段は、前記データ識別回路から出力される再生データのアイパターンの特性を検出することにより、前記再生クロックのジッタ量を検出し、このジッタ量に応じた駆動力制御信号を前記バッファ増幅器に供給するアイモニタ手段からなることを特徴とするものである。
また、本発明のCDR回路の1構成例において、前記第1、第2の電圧制御発振器は、外部から入力される周波数制御信号に応じて前記入力データと等しい周波数で発振することを特徴とするものである。
本発明によれば、ゲーティング回路と、第1の電圧制御発振器と、n個の第2の電圧制御発振器と、データ識別回路とを設けると共に、ゲーティング回路の出力端子と第1の電圧制御発振器の入力端子との間、第1の電圧制御発振器の出力端子とn個の第2の電圧制御発振器のうち先頭の電圧制御発振器の入力端子との間、n個の第2の電圧制御発振器のうち1個の電圧制御発振器の出力端子と直後の電圧制御発振器の入力端子との間のうち、少なくとも1箇所にバッファ増幅器を設け、バッファ増幅器を、外部から入力される駆動力制御信号に応じて駆動力が調整される駆動力調整機能付きバッファ増幅器とすることにより、バッファ増幅器の駆動力を適宜調整することができるので、入力データと再生クロックの確実な同期と再生クロックの適切なジッタ低減とを両立させ、また応答時間も適切な値とすることができる。
また、本発明では、n個の第2の電圧制御発振器のうち最後尾の電圧制御発振器から出力される再生クロックのジッタ量を検出し、ジッタ量に応じた駆動力制御信号をバッファ増幅器に供給するジッタ検出手段を設けることにより、バッファ増幅器の駆動力を適切かつ自動的に調整することができ、入力データと再生クロックの確実な同期と再生クロックの適切なジッタ低減とを両立させ、また応答時間も適切な値とすることができる。
本発明の第1の実施の形態に係るCDR回路の構成を示すブロック図である。 本発明の第1の実施の形態に係るCDR回路におけるゲーティング回路の構成の1例を示す回路図である。 本発明の第1の実施の形態に係るCDR回路におけるG−VCOとVCOの構成の1例を示す回路図である。 本発明の第1の実施の形態に係るCDR回路におけるバッファ増幅器の構成の1例を示す回路図である。 バッファ増幅器の駆動力とCDR回路のバースト応答時間との関係を示す図である。 バッファ増幅器の駆動力と高周波ジッタトランスファとの関係を示す図である。 本発明の第2の実施の形態に係るCDR回路の構成を示すブロック図である。 本発明の第3の実施の形態に係るCDR回路の構成を示すブロック図である。 従来のCDR回路の構成を示すブロック図である。
[第1の実施の形態]
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図1は本発明の第1の実施の形態に係るCDR回路の構成を示すブロック図である。本実施の形態のCDR回路は、FF1と、ゲーティング回路2と、G−VCO3と、VCO4と、遅延回路5と、バッファ増幅器6aとから構成される。
図2はゲーティング回路2の構成の1例を示す回路図である。ゲーティング回路2は、一方の入力端子に入力データが入力され、他方の入力端子がプルアップされたNAND20と、NAND20の出力を入力とするインバータ21と、インバータ21の出力を入力とするインバータ22と、一方の入力端子に入力データが入力され、他方の入力端子にインバータ22の出力が入力されるNAND23とから構成される。
図3はG−VCO3とVCO4の構成の1例を示す回路図である。G−VCO3は、一方の入力端子にゲーティング回路2の出力が入力され、他方の入力端子にG−VCO3の出力が入力されるNAND30と、NAND30の出力を入力とするインバータ31と、インバータ31の出力を入力とするインバータ32と、一端がインバータ31の出力端子およびインバータ32の入力端子に接続された可変容量33とから構成される。可変容量33の容量制御端子(G−VCO3の周波数制御端子)には、G−VCO3の発振周波数を制御する周波数制御信号が入力される。
VCO4は、一方の入力端子がプルアップされ、他方の入力端子(VCO4の入力端子)にバッファ増幅器6aから出力されるクロックとVCO4の出力である再生クロックとが入力されるNAND40と、NAND40の出力を入力とするインバータ41と、インバータ41の出力を入力とし、再生クロックを出力するインバータ42と、一端がインバータ41の出力端子およびインバータ42の入力端子に接続された可変容量43とから構成される。可変容量43の容量制御端子(VCO4の周波数制御端子)には、VCO4の発振周波数を制御する周波数制御信号が入力される。
図4はバッファ増幅器6aの構成の1例を示す回路図である。バッファ増幅器6aは、ベース端子がバッファ増幅器6aの正相入力端子INpに接続され、コレクタ端子がバッファ増幅器6aの逆相出力端子OUTnに接続されたトランジスタQ1と、ベース端子がバッファ増幅器6aの逆相入力端子INnに接続され、コレクタ端子がバッファ増幅器6aの正相出力端子OUTpに接続されたトランジスタQ2と、ベース端子がバッファ増幅器6aの駆動力制御端子VCSBUFに接続された電流源トランジスタQ3と、一端に電源電圧VCCが供給され、他端がトランジスタQ1のコレクタ端子に接続されたコレクタ抵抗R1と、一端に電源電圧VCCが供給され、他端がトランジスタQ2のコレクタ端子に接続されたコレクタ抵抗R2と、一端がトランジスタQ1のエミッタ端子に接続され、他端が電流源トランジスタQ3のコレクタ端子に接続されたエミッタ抵抗R3と、一端がトランジスタQ2のエミッタ端子に接続され、他端が電流源トランジスタQ3のコレクタ端子に接続されたエミッタ抵抗R4と、一端が電流源トランジスタQ3のエミッタ端子に接続され、他端が接地された抵抗R5とから構成される。
正相入力端子INpには、G−VCO3から出力される正相のクロック信号が入力され、逆相入力端子INnには、G−VCO3から出力される逆相のクロック信号が入力される。正相出力端子OUTpからは正相のクロック信号が出力され、逆相出力端子OUTnからは逆相のクロック信号が出力される。駆動力制御端子VCSBUFには、バッファ増幅器6aの駆動力を制御する駆動力制御信号が入力される。なお、図4に示したバッファ増幅器6aは差動型の増幅器であるため、この増幅器を使うためには、図3に示したG−VCO3とVCO4も差動型の回路構成にする必要がある。
次に、本実施の形態のCDR回路の動作を説明する。ゲーティング回路2は、入力データが「0」から「1」に立ち上がったときに立ち下がり、T/2(Tは入力データの周期)後に立ち上がる幅がT/2のパルスを出力する。
G−VCO3は、入力データと等しい周波数のクロックを出力する。このクロックの位相は、ゲーティング回路2の出力パルスにより制御される。すなわち、G−VCO3は、ゲーティング回路2の出力パルスが「0」のときはリセットされ「0」を出力し、ゲーティング回路2の出力パルスが「1」になった途端に発振を始め、ゲーティング回路2の出力パルスが「1」の間は発振を続ける。こうして、G−VCO3においては、出力クロックの位相が入力データの位相と合うように調整される。
G−VCO3の出力クロックは、バッファ増幅器6aの入力端子に入力される。そして、このクロックは、バッファ増幅器6aで減衰され、VCO4の入力端子に入力される。
VCO4は、G−VCO3と同様に、周波数制御端子に周波数制御信号が供給されることにより、入力データと等しい周波数の再生クロックを出力する。G−VCO3の出力端子から出力されたクロックがバッファ増幅器6aを介してVCO4の入力端子に入力されるため、VCO4から出力される再生クロックの位相は、G−VCO3の出力クロックの位相と合うように(すなわち、入力データの位相と合うように)調整されるが、G−VCO3の影響が小さいことから、G−VCO3の出力クロックの位相に瞬時に追従することはない。したがって、入力データにジッタが存在する場合でも、このジッタの影響を受け難くなるので、再生クロックのジッタを低減することができる。さらに、G−VCO3とVCO4との間に、バッファ増幅器6aが挿入されているため、再生クロックの位相に与えるG−VCO3の影響がより小さくなっている。
遅延回路5は、ゲーティング回路2の遅延時間とG−VCO3の遅延時間とバッファ増幅器6aの遅延時間とVCO4の遅延時間の分だけ入力データを遅延させる。データ識別回路となるFF1は、遅延回路5を通過した入力データを再生クロックの所定のタイミング(例えば再生クロックの立ち上がり)でリタイミング(サンプリング)して、再生データを出力する。こうして、入力データからクロックおよびデータを再生することができる。
本実施の形態では、G−VCO3の出力端子とVCO4の入力端子との間にバッファ増幅器6aを挿入することにより、従来と同様に再生クロックのジッタを低減することができる。さらに、本実施の形態では、バッファ増幅器6aを利得調整機能付きバッファ増幅器とし、外部からバッファ増幅器6aの駆動力制御端子VCSBUFに駆動力制御信号を供給して、バッファ増幅器6aの駆動力を適宜調整することにより、ジッタ低減能力と入力データに対する位相同期能力とを両立させることができる。
図5はバッファ増幅器6aの駆動力とCDR回路のバースト応答時間との関係を示す図、図6はバッファ増幅器6aの駆動力と高周波ジッタトランスファとの関係を示す図である。図5に示すように、バッファ増幅器6aの駆動力が大きくなるほど、G−VCO3の出力クロックの位相にVCO4の出力クロックの位相が高速で同期するため、バーストデータを受信する場合のCDR回路の応答時間が減少する。一方、図6に示すように、バッファ増幅器6aの駆動力が大きくなるほど、入力データのジッタがVCO4から出力される再生クロックに重畳されることになり、再生クロックへのジッタの伝達度を示す高周波ジッタトランスファが劣化する。したがって、バッファ増幅器6aの駆動力を低下させると、再生クロックのジッタを低減することができるが、その一方で応答時間が増加してしまう。また、バッファ増幅器6aの駆動力を低くし過ぎると、入力データと再生クロックの同期が外れてしまう。
本実施の形態では、駆動力制御信号の電圧を上げると、バッファ増幅器6aの電流源トランジスタQ3を流れる電流Iが増加し、結果としてトランジスタQ1,Q2を流れる電流も増加し、バッファ増幅器6aの出力振幅が上昇する。こうして、駆動力制御信号の電圧を上げると、バッファ増幅器6aの駆動力が上昇する。反対に、駆動力制御信号の電圧を下げると、電流源トランジスタQ3を流れる電流Iが減少し、結果としてトランジスタQ1,Q2を流れる電流も減少し、バッファ増幅器6aの出力振幅が低下する。こうして、駆動力制御信号の電圧を下げると、バッファ増幅器6aの駆動力が低下する。
以上のように、本実施の形態では、駆動力制御信号によってバッファ増幅器6aの駆動力を適宜調整することができるので、入力データと再生クロックの同期を保ったまま、再生クロックのジッタ量とバースト応答時間とを最適化することができる。
[第2の実施の形態]
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。図7は本発明の第2の実施の形態に係るCDR回路の構成を示すブロック図であり、図1と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態のCDR回路は、FF1と、ゲーティング回路2と、G−VCO3と、VCO4と、遅延回路5と、バッファ増幅器6aと、ジッタ検出回路7とから構成される。
ジッタ検出回路7は、VCO4から出力される再生クロックのジッタ量を検出し、検出したジッタ量が所定の基準値と一致するように駆動力制御信号を生成する。すなわち、ジッタ検出回路7は、検出したジッタ量が基準値よりも大きい場合は、バッファ増幅器6aの駆動力を低下させる駆動力制御信号を生成する。なお、本実施の形態において、再生クロックのジッタ量を0にしようとすると、CDR回路の応答時間が大幅に増加してしまうので、ジッタ量の基準値は0より大きい値に設定される。
こうして、本実施の形態では、再生クロックのジッタ量に応じた駆動力制御信号をジッタ検出回路7によって生成し、この駆動力制御信号をバッファ増幅器6aの駆動力制御端子に供給するようにしたので、バッファ増幅器6aの駆動力を適切かつ自動的に調整することができ、入力データと再生クロックの確実な同期を保ったまま、再生クロックの適切なジッタ低減とを両立させ、また応答時間も適切な値とすることができる。
なお、ジッタ検出回路7としては、周波数比較器を用いることができる。この場合、周波数比較器には、入力データと等しい周波数の参照クロックとVCO4から出力される再生クロックとが入力される。周波数比較器は、再生クロックの周波数と参照クロックの周波数とを比較し、再生クロックの周波数が参照クロックの周波数から高い方に所定の基準範囲以上外れている場合または参照クロックの周波数から低い方に所定の基準範囲以上外れている場合には、バッファ増幅器6aの駆動力を低下させる駆動力制御信号を生成する。こうして、周波数比較器は、再生クロックの周波数が基準範囲内に収まるようにする。周波数比較器を用いることで、参照クロックに対する再生クロックの周波数のずれ量によって再生クロックのジッタ量を実質的に検出することができる。
[第3の実施の形態]
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。図8は本発明の第3の実施の形態に係るCDR回路の構成を示すブロック図であり、図1と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態のCDR回路は、FF1と、ゲーティング回路2と、G−VCO3と、VCO4と、遅延回路5と、バッファ増幅器6aと、アイモニタ回路8とから構成される。
アイモニタ回路8は、FF1から出力される再生データを入力とする。再生クロックのジッタが増加すると、再生データのアイパターンの開口面積が低下する。そこで、アイモニタ回路8は、再生データのアイパターンを測定し、アイパターン開口率を演算して、アイパターン開口率が基準値よりも小さい場合は、バッファ増幅器6aの駆動力を低下させる駆動力制御信号を生成する。こうして、アイモニタ回路8は、アイパターン開口率を演算することで再生クロックのジッタ量を実質的に検出することができる。
本実施の形態では、再生クロックのジッタ量に応じた駆動力制御信号をアイモニタ回路8によって生成し、この駆動力制御信号をバッファ増幅器6aの駆動力制御端子に供給するようにしたので、バッファ増幅器6aの駆動力を適切かつ自動的に調整することができ、入力データと再生クロックの確実な同期と再生クロックの適切なジッタ低減とを両立させ、また応答時間も適切な値とすることができる。
なお、アイモニタ回路8は、例えば再生データのアイパターンを測定するデジタルオシロスコープと、アイパターン開口率を演算してアイパターン開口率と基準値とを比較し、駆動力制御信号を生成するコンピュータとから構成することができる。
第1〜第3の実施の形態では、VCO4を1個としているが、VCO4を2個以上縦続接続してもよい。このとき、1個のVCO4の出力端子とその直後のVCO4の入力端子との間にバッファ増幅器6aを設けてもよい。また、ゲーティング回路2の出力端子とG−VCO3の入力端子との間にバッファ増幅器6aを設けるようにしてもよい。またバッファ増幅器6aは、ゲーティング回路2の出力端子から最後段のVCO4の入力端子との間の複数個所に設けても良い。そのときに、複数個のバッファ増幅器6a全てを駆動力制御信号で調整することでジッタに対して大きくマージンを取る構成としても良いし、複数個のバッファ増幅器6aの一部を駆動力制御信号で調整し、残りは駆動力を固定する構成とすることでジッタに対して微調整を取る構成としても良い。
本発明は、入力データに対して位相同期したクロックを再生し、このクロックにより入力データのリタイミングを行う技術に適用することができる。
1…フリップフロップ、2…ゲーティング回路、3,4…VCO、5…遅延回路、6a…バッファ増幅器、7…ジッタ検出回路、8…アイモニタ回路。

Claims (5)

  1. 入力データが遷移したときにパルスを出力するゲーティング回路と、
    このゲーティング回路の出力パルスのタイミングに合うように出力クロックの位相を調整することにより、前記入力データとタイミングの合ったクロックを出力する第1の電圧制御発振器と、
    この第1の電圧制御発振器に縦続接続され、前段の電圧制御発振器から出力されるクロックのタイミングに合うように出力クロックの位相を調整するn個(nは1以上の整数)の第2の電圧制御発振器と、
    前記入力データのデータ識別を、前記n個の第2の電圧制御発振器のうち最後尾の電圧制御発振器から出力される再生クロックに基づいて行うデータ識別回路と、
    前記ゲーティング回路の出力端子と前記第1の電圧制御発振器の入力端子との間、前記第1の電圧制御発振器の出力端子と前記n個の第2の電圧制御発振器のうち先頭の電圧制御発振器の入力端子との間、前記n個の第2の電圧制御発振器のうち1個の電圧制御発振器の出力端子と直後の電圧制御発振器の入力端子との間のうち、少なくとも1箇所に設けられたバッファ増幅器とを備え、
    前記バッファ増幅器のうち少なくとも1個は、外部から入力される駆動力制御信号に応じて駆動力が調整される駆動力調整機能付きバッファ増幅器であることを特徴とするCDR回路。
  2. 請求項1記載のCDR回路において、
    さらに、前記n個の第2の電圧制御発振器のうち最後尾の電圧制御発振器から出力される再生クロックのジッタ量を検出し、このジッタ量に応じた駆動力制御信号を前記バッファ増幅器に供給するジッタ検出手段を備えることを特徴とするCDR回路。
  3. 請求項2記載のCDR回路において、
    前記ジッタ検出手段は、前記入力データと等しい周波数の参照クロックと前記再生クロックの周波数を比較し、この周波数比較結果に応じた駆動力制御信号を前記バッファ増幅器に供給する周波数比較手段からなることを特徴とするCDR回路。
  4. 請求項2記載のCDR回路において、
    前記ジッタ検出手段は、前記データ識別回路から出力される再生データのアイパターンの特性を検出することにより、前記再生クロックのジッタ量を検出し、このジッタ量に応じた駆動力制御信号を前記バッファ増幅器に供給するアイモニタ手段からなることを特徴とするCDR回路。
  5. 請求項1乃至4のいずれか1項に記載のCDR回路において、
    前記第1、第2の電圧制御発振器は、外部から入力される周波数制御信号に応じて前記入力データと等しい周波数で発振することを特徴とするCDR回路。
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