JP2014068219A - クロック発生回路およびそれを用いた半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】安定待ち時間の短縮化と構成の簡単化が可能なクロック発生回路を提供する。
【解決手段】このクロック発生回路2は、クロック信号CLKHを出力する発振安定待機が必要な発振器11と、クロック信号CLKHよりも低周波数のクロック信号CLKLを出力する発振安定待機が不要な発振器14とを備え、クロック信号CLKHが選択された場合は、発振器11,14を起動させてクロック信号CLKLのパルス数をカウントし、そのカウント値CT1が所定値CM1に到達したときにクロック信号CLKHの出力を開始し、クロック信号CLKLが選択された場合は、発振器14のみを起動させてクロック信号CLKLを直ぐに出力する。したがって、発振器11の安定待ち時間を短縮することができ、消費電力を低減できる。
【選択図】図1
【解決手段】このクロック発生回路2は、クロック信号CLKHを出力する発振安定待機が必要な発振器11と、クロック信号CLKHよりも低周波数のクロック信号CLKLを出力する発振安定待機が不要な発振器14とを備え、クロック信号CLKHが選択された場合は、発振器11,14を起動させてクロック信号CLKLのパルス数をカウントし、そのカウント値CT1が所定値CM1に到達したときにクロック信号CLKHの出力を開始し、クロック信号CLKLが選択された場合は、発振器14のみを起動させてクロック信号CLKLを直ぐに出力する。したがって、発振器11の安定待ち時間を短縮することができ、消費電力を低減できる。
【選択図】図1
Description
本発明はクロック発生回路およびそれを用いた半導体装置に関し、たとえば複数の発振器を備えたクロック発生回路と、それを用いた半導体装置に好適に利用できるものである。
一般に、高い周波数のクロック信号を発生する発振器は、起動されてから安定に動作するまで、ある程度の時間を要する。したがって、安定したクロック信号を使用するためには、発振器を起動させてから発振器が安定するまで所定時間待機する必要がある。
特許文献1では、外部信号が「H」レベルにされたことに応じて発振器が起動され、所定時間経過後に外部信号が「L」レベルにされたことに応じてカウンタが発振器の出力クロック信号のパルス数のカウントを開始する。カウンタのカウント値が所定値に到達したことに応じて、クロック信号の使用が開始される。
また、特許文献2では、第1のクロック信号を発生する外部発振回路と、第1のクロック信号よりも低い周波数の第2のクロック信号を発生する自励発振器とが起動される。第1および第2のカウンタがそれぞれ第1および第2のクロック信号のパルス数をカウントする。第2のカウンタのカウント値が所定値になっている期間において第1のカウンタがカウントアップした場合に、第1のクロック信号の使用が開始される。
しかし、特許文献1では、発振器自身の出力クロック信号のパルス数をカウントするので、マージンを大きくする必要があり、安定待ち時間が長くなるという問題があった。また、外部信号を半導体装置に与えるための信号発生回路が別途必要になり、構成が複雑になるという問題もあった。また、特許文献2では、自励発振器や第2のカウンタが別途必要になり、構成が複雑になるという問題があった。また、これらの問題のため、半導体装置の消費電力が大きくなるという問題があった。
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
一実施の形態によれば、本願のクロック発生回路は、第1および第2のクロック信号のうちの安定するまで待機することが必要な第1のクロック信号が選択された場合は、第1および第2のクロック信号の両方を生成する。第1のクロック信号が安定するのに必要な時間を第2のクロック信号を用いて計時し、所定時間経過後に第1のクロック信号を出力する。また、第2のクロック信号が選択された場合は、第2のクロック信号だけを生成して出力する。
前記一実施の形態によれば、第1および第2のクロック信号のうちの安定するまで待機することが不要な第2のクロック信号を用いて第1のクロック信号が安定する時間を計るので、安定待ち時間の短縮化と構成の簡単化を図ることができる。
本願の一実施の形態による半導体装置1は、図1に示すように、クロック発生回路2および内部回路3を備える。半導体装置1には、外部発振子4が接続されている。クロック発生回路2は、発振器11,12,14、PLL(Phase-locked loop:位相同期ループ)回路13、カウンタ21〜23、ANDゲート31〜33、クロック選択回路34、および制御部35を含む。内部回路3は、データバスDB、CPU(Central Processing Unit:中央処理装置)41、ROM(Read Only Memory)42、RAM(Random Access Memory)43、および周辺回路44を含む。
発振器11は、活性化信号A1が「H」レベルにされた場合に活性化され、比較的高い周波数のクロック信号CLKHを出力し、活性化信号A1が「L」レベルにされた場合に非活性化されてクロック信号CLKHの出力を停止する。発振器11は、たとえばRC発振器であり、活性化信号A1が「L」レベルから「H」レベルに立ち上げられて起動されてから安定して動作するまで、ある時間が必要を要する。クロック信号CLKHは、ANDゲート31の一方入力ノードに与えられる。
発振器12は、外部発振子4とともに発振回路を構成しており、活性化信号A2が「H」レベルにされた場合に活性化され、クロック信号CLKHよりも低い周波数のクロック信号CLKM1を出力する。また、発振器12は、活性化信号A2が「L」レベルにされた場合に非活性化されてクロック信号CLKM1の出力を停止する。外部発振子4と発振器12からなる発振回路は、たとえばRC発振器であり、活性化信号A2が「L」レベルから「H」レベルに立ち上げられて起動されてから安定して動作するまで、ある時間を要する。クロック信号CLKM1は、ANDゲート32の一方入力ノードに与えられる。
PLL回路13は、活性化信号A3が「H」レベルにされた場合に活性化され、クロック信号CLKM1に同期してクロック信号CLKM2を出力する。クロック信号CLKM2は、たとえばクロック信号CLKM1と同じ周波数を有する。また、PLL回路13は、活性化信号A2が「L」レベルにされた場合に非活性化されてクロック信号CLKM2の出力を停止する。PLL回路13は、活性化信号A3が「L」レベルから「H」レベルに立ち上げられて起動されてから安定して動作するまで、ある時間を要する。クロック信号CLKM2は、ANDゲート33の一方入力ノードに与えられる。
発振器14は、活性化信号A4が「H」レベルにされた場合に活性化され、クロック信号CLKM1よりも低い周波数のクロック信号CLKLを出力する。また、発振器14は、活性化信号A4が「L」レベルにされた場合に非活性化されてクロック信号CLKLの出力を停止する。発振器14は、たとえばリングオシレータであり、活性化信号A4が「L」レベルから「H」レベルに立ち上げられて起動されると直ぐに安定して動作する。クロック信号CLKLは、クロック選択回路34の入力端子34dに与えられる。
カウンタ21は、リセット信号R1が「H」レベルから「L」レベルに立ち下げられたことに応じてリセットされる。これにより、カウンタ21のカウント値CT1は初期値にリセットされ、オーバーフロー信号F1は「L」レベルにリセットされる。また、カウンタ21は、リセット信号R1が「L」レベルから「H」レベルに立ち上げられたことに応じてクロック信号CLKLのパルス数のカウントを開始する。カウント値CT1が予め定められた値CM1に到達すると、カウンタ21はオーバーフロー信号F1を「L」レベルから「H」レベルに立ち上げる。オーバーフロー信号F1は、ANDゲート31の他方入力ノードと制御部35に与えられる。
カウンタ22は、リセット信号R2が「H」レベルから「L」レベルに立ち下げられたことに応じてリセットされる。これにより、カウンタ22のカウント値CT2は初期値にリセットされ、オーバーフロー信号F2は「L」レベルにリセットされる。また、カウンタ22は、リセット信号R2が「L」レベルから「H」レベルに立ち上げられたことに応じてクロック信号CLKLのパルス数のカウントを開始する。カウント値CT2が予め定められた値CM2に到達すると、カウンタ22はオーバーフロー信号F2を「L」レベルから「H」レベルに立ち上げる。オーバーフロー信号F2は、ANDゲート32の他方入力ノードと制御部35に与えられる。
カウンタ23は、リセット信号R3が「H」レベルから「L」レベルに立ち下げられたことに応じてリセットされる。これにより、カウンタ23のカウント値CT3は初期値にリセットされ、オーバーフロー信号F3は「L」レベルにリセットされる。また、カウンタ23は、リセット信号R3が「L」レベルから「H」レベルに立ち上げられたことに応じてクロック信号CLKLのパルス数のカウントを開始する。カウント値CT3が予め定められた値CM3に到達すると、カウンタ23はオーバーフロー信号F3を「L」レベルから「H」レベルに立ち上げる。オーバーフロー信号F3は、ANDゲート33の他方入力ノードと制御部35に与えられる。
ANDゲート31は、発振器11からのクロック信号CLKHとカウンタ21からのオーバーフロー信号F1との論理積信号をクロック選択回路34の入力端子34aに与える。オーバーフロー信号F1が「L」レベルである場合は、クロック信号CLKHはANDゲート31によって遮断され、ANDゲート31の出力信号は「L」レベルに固定される。オーバーフロー信号F1が「H」レベルである場合は、クロック信号CLKHはANDゲート31を通過してクロック選択回路34の入力端子34aに与えられる。したがって、「H」レベルのオーバーフロー信号F1は、クロック信号CLKHの出力を許可する出力許可信号となる。
ANDゲート32は、発振器12からのクロック信号CLKM1とカウンタ22からのオーバーフロー信号F2との論理積信号をクロック選択回路34の入力端子34bに与える。オーバーフロー信号F2が「L」レベルである場合は、クロック信号CLKM1はANDゲート32によって遮断され、ANDゲート32の出力信号は「L」レベルに固定される。オーバーフロー信号F2が「H」レベルである場合は、クロック信号CLKM1はANDゲート32を通過してクロック選択回路34の入力端子34bに与えられる。したがって、「H」レベルのオーバーフロー信号F2は、クロック信号CLKM1の出力を許可する出力許可信号となる。
ANDゲート33は、PLL回路13からのクロック信号CLKM2とカウンタ23からのオーバーフロー信号F3との論理積信号をクロック選択回路34の入力端子34cに与える。オーバーフロー信号F3が「L」レベルである場合は、クロック信号CLKM2はANDゲート33によって遮断され、ANDゲート33の出力信号は「L」レベルに固定される。オーバーフロー信号F3が「H」レベルである場合は、クロック信号CLKM2はANDゲート33を通過してクロック選択回路34の入力端子34cに与えられる。したがって、「H」レベルのオーバーフロー信号F3は、クロック信号CLKM2の出力を許可する出力許可信号となる。
クロック選択回路34は、選択信号SEに従って、4つの入力端子34a〜34dのうちのいずれか1つの入力端子と出力端子34eとを接続する。出力端子34eは、内部回路3のデータバスDBに接続されている。制御部35は、コマンド信号CMDに従って、活性化信号A1〜A4、リセット信号R1〜R3、および選択信号SEを生成する。
すなわち、制御部35は、クロック信号CLKHを選択する場合は、活性化信号A1,A4を活性化レベルの「H」レベルに立ち上げて発振器11,14を起動させるとともに、リセット信号R1を「H」レベルに立ち上げてカウンタ21のカウント動作を開始させる。また、制御部35は、選択信号SEを生成してクロック選択回路34の端子34a,34e間を導通させる。カウンタ21のカウント値CT1が所定値CM1に到達してオーバーフロー信号F1が「H」レベルに立ち上げられると、クロック信号CLKHがANDゲート31およびクロック選択回路34を通過して内部回路3に与えられる。このときにクロック信号CLKHの振幅および周波数が安定しているように、予め実験によりカウンタ21の所定値CM1が設定されている。制御部35は、オーバーフロー信号F1が「H」レベルに立ち上げられると、活性化信号A4を「L」レベルに立ち下げて発振器14を停止させる。
クロック信号CLKHは、たとえば、電源が投入されたときや、CPU41が停止する低消費電力モードLPMからCPU41が動作するアクティブモードに遷移するときに選択される。低消費電力モードLPMとしては、スリープモード、ソフトウェアスタンバイモードなどがある。
また、制御部35は、クロック信号CLKM1を選択する場合は、活性化信号A2,A4を活性化レベルの「H」レベルに立ち上げて発振器12,14を起動させるとともに、リセット信号R2を「H」レベルに立ち上げてカウンタ22のカウント動作を開始させる。また、制御部35は、選択信号SEを生成してクロック選択回路34の端子34b,34e間を導通させる。カウンタ22のカウント値CT2が所定値CM2に到達してオーバーフロー信号F2が「H」レベルに立ち上げられると、クロック信号CLKM1がANDゲート32およびクロック選択回路34を通過して内部回路3に与えられる。このときにクロック信号CLKM1の振幅および周波数が安定しているように、予め実験によりカウンタ22の所定値CM2が設定されている。制御部35は、オーバーフロー信号F2が「H」レベルに立ち上げられると、活性化信号A4を「L」レベルに立ち下げて発振器14を停止させる。
また、制御部35は、クロック信号CLKM2を選択する場合は、活性化信号A2,A3,A4を活性化レベルの「H」レベルに立ち上げて発振器12,14およびPLL回路13を起動させるとともに、リセット信号R3を「L」レベルに立ち下げてカウンタ23のカウント動作を開始させる。また、制御部35は、選択信号SEを生成してクロック選択回路34の端子34c,34e間を導通させる。カウンタ23のカウント値CT3が所定値CM3に到達してオーバーフロー信号F3が「H」レベルに立ち上げれられると、クロック信号CLKM2がANDゲート33およびクロック選択回路34を通過して内部回路3に与えられる。制御部35は、オーバーフロー信号F3が「H」レベルに立ち上げられると、活性化信号A4を「L」レベルに立ち下げて発振器14を停止させる。
また、制御部35は、クロック信号CLKLを選択する場合は、活性化信号A4を活性化レベルの「H」レベルに立ち上げて発振器14を起動させる。また、制御部35は、選択信号SEを生成してクロック選択回路34の端子34d,34e間を導通させる。これにより、クロック信号CLKLは、クロック選択回路34を通過して内部回路3に与えられる。
内部回路3は、クロック発生回路2からのクロック信号に同期して所定の動作を行なう。CPU41、ROM42、RAM43、および周辺回路44は、データバスDBを介して互いに接続されている。ROM42には、プログラムが格納されている。CPU41は、ROM42に記憶されたプログラムを実行する。RAM43には、データが格納される。周辺回路44は、外部との間でデータの授受を行なうデータ入出力回路などを含む。
図2(a)〜(e)は、図1に示したクロック発生回路2の動作を示すタイムチャートである。図2(a)〜(e)において、ある時刻t0に制御部35によって活性化信号A1,A4がともに「L」レベルから「H」レベルに立ち上げられると、発振器11,14が活性化されてクロック信号CLKH,CLKLの生成が開始される。発振器11は、起動されてから動作が安定するまである時間を要し、クロック信号CLKHの振幅は徐々に増大する。これに対して発振器14は、起動されると直ぐに動作が安定し、クロック信号CLKLの振幅、周期は最初から安定している。制御部35は、たとえば、電源が投入されたときや、CPU41が停止する低消費電力モードLPMからCPU41が動作するアクティブモードに遷移するときに発振器11,14を活性化させる。
また、活性化信号A1の立ち上り時にリセット信号R1も立ち上げられ、カウンタ21のカウント動作が開始され、クロック信号CLKLの各立ち上りエッジに応答してカウンタ21のカウント値CT1がインクリメント(+1)される。カウント値CT1が所定値CM1に到達すると、オーバーフロー信号F1が「L」レベルから「H」レベルに立ち上げれる(時刻t1)。
オーバーフロー信号F1が「H」レベルに立ち上げれると、クロック信号CLKHがANDゲート31およびクロック選択回路34を通過して内部回路3に与えられる。つまり、発振器11が起動されてから所定時間T1の経過後に、発振器11の動作が安定したものとしてクロック信号CLKHの使用が開始される。所定時間T1は、予め実験によって決定されている。また、オーバーフロー信号F1が「H」レベルに立ち上げられると、活性化信号A4が「L」レベルに立ち下げられて発振器14が非活性化され、クロック信号CLKLの生成が停止される。
図3(a)(b)は本願の効果を説明するための図であって、特に図3(a)は従来の半導体装置の動作を示し、図3(b)は本願の半導体装置1の動作を示している。本願の半導体装置1では、上述のように、カウンタ21〜23が発振器14の出力クロック信号CLKLのパルス数をカウントする。これに対して従来の半導体装置では、カウンタ21〜23はそれぞれクロック信号CLKH,CLKM1,CLKM2のパルス数をカウントする。
従来の半導体装置では、図3(a)に示すように、CPU41が停止する低消費電力モードLPMからCPU41が動作するアクティブモードへの遷移が指令されると、発振器11が起動される(時刻t0)。発振器11が起動されると、発振器11の出力クロック信号CLKHのパルス数がカウンタ21によってカウントされて時間が計測され、所定の安定待ち時間Tw1の経過後にクロック信号CLKHがCPU41に供給される(時刻t1)。CPU41は、クロック信号CLKHに同期して動作する。
また、発振器11の動作が安定した後に、CPU41用のクロック信号を切換えるために発振器12が起動される(時刻t2)。発振器12が起動されると、発振器12の出力クロック信号CLKM1のパルス数がカウンタ22によってカウントされて時間が計測され、発振器12の安定待ち時間Tw2の経過後にクロック信号CLKM1がCPU41に供給される(時刻t3)。CPU41は、クロック信号CLKM1に同期して動作する。クロック信号CLKM1がCPU41に供給されると、発振器11が停止されてクロック信号CLKHの生成が停止される。その後、アクティブモードから低消費電力モードLPMへの遷移が指令されると、発振器12が停止され、低消費電力モードLPMへ遷移する(時刻t4)。
このように従来の半導体装置では、発振器11の出力クロック信号CLKHを使用して発振器11の安定待ち時間Tw1を計時し、発振器12の出力クロック信号CLKM1を使用して発振器12の安定待ち時間Tw2を計時する。しかし、発振器11,12は、起動から安定に動作するまで、ある程度の時間を要し、その時間は電源電圧、周辺温度などによって変動する。したがって、そのような変動を見込んで大きなマージンをとる必要があり、安定待ち時間Tw1,Tw2が長くなる。
これに対して本願の半導体装置1では、図3(b)に示すように、CPU41が停止する低消費電力モードLPMからCPU41が動作するアクティブモードへの遷移が指令されると、発振器11,14が起動される(時刻t0)。
発振器14が起動されると、発振器14の出力クロック信号CLKLのパルス数がカウンタ21によってカウントされて時間が計測され、発振器11の安定待ち時間Tw3の経過後にクロック信号CLKHがCPU41に供給される(時刻t1)。CPU41は、クロック信号CLKHに同期して動作する。クロック信号CLKHがCPU41に供給されると、発振器14が停止され、クロック信号CLKLの生成が停止される。
また、発振器11の動作が安定した後に、CPU41用のクロック信号を切換えるために発振器12,14が起動される(時刻t2)。発振器14が起動されると、発振器14の出力クロック信号CLKLのパルス数がカウンタ22によってカウントされて時間が計測され、発振器12の安定待ち時間Tw4の経過後にクロック信号CLKM1がCPU41に供給される(時刻t3)。CPU41は、クロック信号CLKM1に同期して動作する。
クロック信号CLKM1がCPU41に供給されると、発振器11が停止されてクロック信号CLKHの生成が停止されるとともに、発振器14が停止されてクロック信号CLKLの生成が停止される。その後、アクティブ状態から低消費電力モードLPMへの遷移が指令されると、発振器12が停止され、低消費電力モードLPMへ遷移する(時刻t4)。
このように本願の半導体装置1では、発振器14の出力クロック信号CLKLを使用して発振器11,12の安定待ち時間Tw3,Tw4を計時する。この発振器14は、起動されると直ぐに安定動作する。したがって、従来のように大きなマージンをとる必要がないので、安定待ち時間Tw3,Tw4が従来に比べて短くなる。このため、低消費電力モードLPMからアクティブモードに復帰し、再び低消費電力モードLPMに遷移するまでの時間t0〜t4が従来よりも大幅に短くなる。図3(a)(b)では、本願の方が従来よりもT2だけ短い状態が示されている。したがって、半導体装置1を含むシステム全体の消費電力が大幅に低減される。
また、発振器11,12の安定待ち時間Tw3,Tw4を計時するために別途タイマを設ける必要がないので、装置が大型化することもない。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
1 半導体装置、2 クロック発生回路、3 内部回路、4 外部発振子、11,12,14 発振器、13 PLL回路、21〜23 カウンタ、31〜33 ANDゲート、34 クロック選択回路、35 制御部、41 CPU、43 ROM、44 周辺回路。
Claims (4)
- 第1の周波数の第1のクロック信号を出力する第1の発振器と、
第2の周波数の第2のクロック信号を出力し、起動されてから発振状態が安定するまで待機することが不要な第2の発振器と、
前記第2のクロック信号のパルス数をカウントし、そのカウント値が予め定められた値に到達したことに応じて出力許可信号を出力するカウンタと、
前記第1のクロック信号を受け、前記出力許可信号に応答して前記第1のクロック信号を通過させるゲート回路と、
前記ゲート回路の出力クロック信号と前記第2のクロック信号とを受け、前記第1のクロック信号が選択された場合は前記ゲート回路の出力クロック信号を通過させ、前記第2のクロック信号が選択された場合は前記第2のクロック信号を通過させる選択回路と、
前記第1のクロック信号が選択された場合は、前記第1および第2の発振器を起動させた後に前記出力許可信号に応答して前記第2の発振器を停止させ、前記第2のクロック信号が選択された場合は前記第2の発振器を起動させる制御部とを備える、クロック発生回路。 - 請求項1に記載のクロック発生回路と、
前記選択回路を通過したクロック信号に基づいて動作する内部回路とを備える、半導体装置。 - 前記制御部は、前記半導体装置に電源が投入されたとき、前記第1および第2の発振器を起動させた後に前記出力許可信号に応答して前記第2の発振器を停止させる、請求項2に記載の半導体装置。
- 前記制御部は、前記半導体装置が低消費電力モードからアクティブモードに遷移するとき、前記第1および第2の発振器を起動させた後に前記出力許可信号に応答して前記第2の発振器を停止させる、請求項2に記載の半導体装置。
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KR20170131512A (ko) * | 2015-04-20 | 2017-11-29 | 텔레호낙티에볼라게트 엘엠 에릭슨(피유비엘) | 빠른 시동 스탠바이 모드를 갖는 클록 발생 회로 |
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KR102031710B1 (ko) | 2015-04-20 | 2019-10-14 | 텔레호낙티에볼라게트 엘엠 에릭슨(피유비엘) | 빠른 시동 스탠바이 모드를 갖는 클록 발생 회로 |
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