JP2024032514A - ジッタキャンセル回路 - Google Patents
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Abstract
【課題】クロックの供給先回路でのクロックジッタを低減する。
【解決手段】ジッタキャンセル回路100aは、クロックバッファ110と、電流制御部120とを備える。クロックバッファ110は、電源電圧VDDによって駆動されるクロック伝搬要素50から出力されたクロックCLKINを入力される。更に、クロックバッファ110は、入力されたクロックCLKINに対して、動作電流Iopの増大に応じて減少する一方で、動作電流Iopの減少に応じて増大する遅延時間を付与して、クロックCLKOUTを出力する。電流制御部120は、電源電圧VDDの変動成分の逆位相でクロックバッファ110の動作電流Iopを増減する様に構成される。
【選択図】図4
【解決手段】ジッタキャンセル回路100aは、クロックバッファ110と、電流制御部120とを備える。クロックバッファ110は、電源電圧VDDによって駆動されるクロック伝搬要素50から出力されたクロックCLKINを入力される。更に、クロックバッファ110は、入力されたクロックCLKINに対して、動作電流Iopの増大に応じて減少する一方で、動作電流Iopの減少に応じて増大する遅延時間を付与して、クロックCLKOUTを出力する。電流制御部120は、電源電圧VDDの変動成分の逆位相でクロックバッファ110の動作電流Iopを増減する様に構成される。
【選択図】図4
Description
本開示は、クロックのジッタを抑制する技術に関する。
一定周波数のクロックには、ジッタと呼ばれる、クロック周期の微小な変動が生じることが知られている。ジッタが大きいと、当該クロックの供給を受けて動作する回路群の動作タイミングにずれが生じることが懸念されるため、クロックのジッタを抑制する技術が必要となる。
例えば、下記の非特許文献1には、ADPLL(All-Digital Phase-Locked Loop)の内部に配置されたクロック発生用の発振器において、電源電圧(DC)のノイズ成分(AC成分)の影響で発生するジッタを抑制する構成が記載されている。
具体的には、電源ラインから発振器へ供給される電流(IOSC)をカラントミラーでコピーするとともに、コピーした電流より抽出された交流成分を、上記電流(IOSC)から流出させることで、発振器で生じる遅延時間のばらつきを抑制するための回路構成が示されている。
"A supply-noise-rejection technique in ADPLL with noise-cancelling current source", Y Niki et al. ,2013 Proceedings ESSCIRC, October 2013
実際の回路では、PLL等で生成されたクロックは、当該クロックの供給先回路に対して、CTS(Clock Tree Synthesis)又はリピータ等のクロック伝搬要素を用いて伝達される。しかしながら、これらのクロック伝搬要素においても、電源電圧のノイズ成分の影響で、通過するクロックにジッタを重畳させてしまうことがある。
このため、非特許文献1等によってPLL等から出力されるクロックのジッタが十分に抑制されても、供給先回路に実際に入力されるクロックのジッタの低減が困難になることが懸念される。
本開示は、上記の課題を解決するためのものであって、PLL等から出力されたクロックに対して電源ノイズに起因して発生するジッタを補償することで、クロックの供給先回路でのクロックジッタを低減することが可能なジッタキャンセル回路を提供する。
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。
一実施形態によるジッタキャンセル回路は、クロックバッファと、電流制御部とを備える。クロックバッファは、電源電圧によって駆動されるクロック発生回路又はクロック伝搬要素から出力されたクロックを入力される。更に、クロックバッファは、入力されたクロックに対して、動作電流の増大に応じて減少する一方で動作電流の減少に応じて増大する遅延時間を付与して、クロックを出力する。電流制御部は、電源電圧の変動成分の逆位相でクロックバッファの動作電流を増減する様に構成される。
上記の実施形態によれば、電源ノイズに起因して発生するジッタを補償して、クロックの供給先回路でのクロックジッタを低減することが可能となる。
以下、各実施形態について図面を参照して詳しく説明する。尚、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰返さない。
<第1の実施形態>
(電源ノイズによるクロックジッタ)
本実施の形態の説明の前に、電源ノイズに起因するクロックのジッタについて説明する。
(電源ノイズによるクロックジッタ)
本実施の形態の説明の前に、電源ノイズに起因するクロックのジッタについて説明する。
図1には、一般的なクロックの供給形態を説明するための概念図が示される。
図1を参照して、クロック発生回路10は、代表的には、PLL(Phase-Locked Loop)で構成されて、一定周波数のクロックCLK1を発生する。尚、以下の説明から明らかになる様に、本実施の形態に係るジッタキャンセル回路は、任意の構成のクロック発生回路10から発生されたクロックのジッタ抑制に適用することができる。
図1を参照して、クロック発生回路10は、代表的には、PLL(Phase-Locked Loop)で構成されて、一定周波数のクロックCLK1を発生する。尚、以下の説明から明らかになる様に、本実施の形態に係るジッタキャンセル回路は、任意の構成のクロック発生回路10から発生されたクロックのジッタ抑制に適用することができる。
例えば、クロック発生回路10は、クロックCLK1を発生する内部発振器11と、クロックCLK1のジッタを抑制するためのジッタ抑制回路12とを含んで構成される。上述の様に、非特許文献1では、ジッタ抑制回路12として、内部発振器11に供給される電流のAC成分を抑制するための構成が設けられる。これにより、クロック発生回路10から出力されるクロックCLK1のジッタが抑制される。
クロック発生回路10からクロックの供給先回路20までの、クロックCLK1の伝搬経路内には、電源電圧によって駆動されるクロック伝搬要素50が配置される。クロック伝搬要素50は、リピータやCTS(Clock Tree Synthesis)に含まれるバッファ(クロックバッファ)及びインバータ等を含む、電源電圧によって駆動されてクロックを入出力する回路要素を意味する。従って、インバータの他、NAND(否定論理積)ゲート等の論理回路についても、クロックを入出力に含むものであれば、クロック伝搬要素50に含まれる。
クロック伝搬要素50の電源電圧は、理想的には一定レベルのDC電圧であるが、実際には、交流的なノイズ成分が重畳されている。これにより、電源電圧が上昇及び低下する電源ノイズに起因して、図2に説明する様に、クロックにジッタが生じる。
図2に示される様に、クロック伝搬要素50の電源電圧VDDは、平均値Vmに対する変動成分(電源ノイズ)を有する。クロック伝搬要素50において、入出力間で生じる遅延時間は、電源電圧VDDに依存して変動する。クロック伝搬要素50が出力信号を駆動する際の動作電流が、電源電圧VDDの高低に従って増減するためである。
図2では、時刻t1~t4の各々において、クロック伝搬要素50にクロックCLK1の立上がりエッジが入力される例が示される。この際に、クロック伝搬要素50では、電源電圧VDDに応じた遅延時間Td1~Td4が付与される。電源電圧VDDが高いときには、クロック伝搬要素50の動作電流が大きくなることで、遅延時間は短くなる。反対に、電源電圧VDDが低いときには、クロック伝搬要素50の動作電流が小さくなることで、遅延時間は長くなる。
図2の例では、電源電圧VDDがVm(平均値)である時刻t2では、クロック伝搬要素50は、クロックCLK1及びCLK2の立上がりエッジ間に遅延時間Td2を付与する。一方で、電源電圧VDDがVmよりも高い時刻t1及びt4では、クロック伝搬要素50で生じる遅延時間Td1及びTd4は、時刻t2での遅延時間Td2よりも短くなる。
これに対して、電源電圧VDDがVmよりも低い時刻t3では、クロック伝搬要素50で生じる遅延時間Td3は、時刻t2での遅延時間Td2よりも長くなる。
この結果、図3に示される様に、一定周期のクロックCLK1がクロック伝搬要素50に入力されても、クロックCLK2のエッジが立ち上がる時刻には、当該時点での電源電圧VDDの高低に応じて、ヒストグラム30に示す様な分布が生じる。この結果、図1に示される様に、クロックCLK1が一定周期のクリーンなものであっても、クロック伝搬要素50から出力されて、供給先回路20へ供給されるクロックCLK2にはジッタが発生してしまう。
本実施の形態では、クロック発生回路(PLL)10から出力されたクロックに対して、当該クロックの供給先までの伝搬経路で重畳されるジッタをキャンセルするための技術について説明する。
(実施の形態1に係るジッタキャンセル回路)
図4は、実施の形態1に係るジッタキャンセル回路の構成を説明するブロック図である。
図4は、実施の形態1に係るジッタキャンセル回路の構成を説明するブロック図である。
図4に示される様に、実施の形態1に係るジッタキャンセル回路100aは、クロックバッファ110と、電流制御部120とを備える。クロックバッファ110には、クロック伝搬要素50から出力されたクロックCLKINが入力される。以下、クロックCLKINを入力クロックCLKINとも称する。
クロック伝搬要素50は、クロックCLK1を受けて、図1でのクロックCLK2に相当する、入力クロックCLKINを出力する。電源電圧VDDに変動成分(電源ノイズ)が存在すると、クロックCLK1がクリーンであっても、電源ノイズに起因するジッタが入力クロックCLKINには重畳されている。
電流制御部120は、電源電圧VDDの変動成分の逆位相でクロックバッファ110の動作電流Iopを増減する。例えば、電流制御部120は、電源電圧VDDの変動成分を反転増幅する増幅部130と、クロックバッファ110に動作電流Iopを供給する可変電流源回路140とを含む。可変電流源回路140の出力電流は、増幅部130の出力に応じて増減される。
図5には、増幅部130の基本構成図が示される。
図5に示される様に、増幅部130は、例えば、負電極が接地されたトランジスタTRによる反転増幅器によって構成することができる。以下では、トランジスタTRは、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)等の電界効果トランジスタで構成される例を説明する。トランジスタTRのソース(負電極)は、接地配線NLと接続され、ゲート(制御電極)には、電源電圧VDDが入力される。更に、トランジスタTRのドレイン(正電極)と電源配線PLとの間には、抵抗素子Rが接続される。以下では、抵抗素子Rの電気抵抗値もRと表記する。
図5に示される様に、増幅部130は、例えば、負電極が接地されたトランジスタTRによる反転増幅器によって構成することができる。以下では、トランジスタTRは、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)等の電界効果トランジスタで構成される例を説明する。トランジスタTRのソース(負電極)は、接地配線NLと接続され、ゲート(制御電極)には、電源電圧VDDが入力される。更に、トランジスタTRのドレイン(正電極)と電源配線PLとの間には、抵抗素子Rが接続される。以下では、抵抗素子Rの電気抵抗値もRと表記する。
尚、トランジスタTRは、負電極であるエミッタ、正電極であるコレクタ、及び、制御電極であるベースを有するバイポーラトランジスタによって構成することも可能である。
図5において、トランジスタTRのドレイン(正電極)と抵抗素子Rとの接続点に相当する出力ノードNoには、図6に示される電圧信号VOUTが出力される。トランジスタTRを流れる電流Iは、電源電圧VDDの増減に応じて変化する。
公知の様に、図5に示された増幅部130による、電源電圧VDDの変動分ΔVDDに対する電圧信号VOUTの変動分ΔVOUTの比であるゲインGは、下記の式(1)で示される。
G=ΔVOUT/ΔVDD=ro・(1-gm・R)/(ro+R) …(1)
式(1)において、roは、増幅部130の出力抵抗であり、gmは、トランジスタTRのトランスコンダクタンスである。式(1)より、G<0として反転増幅による逆位相の信号を得るためには、1-rm・R<0、即ち、rm・R>1となる様に、電気抵抗値R(抵抗素子R)を定めればよい。又、G<0において、電気抵抗値Rが大きくなる程、ゲインの絶対値|G|が大きくなることが理解される。
式(1)において、roは、増幅部130の出力抵抗であり、gmは、トランジスタTRのトランスコンダクタンスである。式(1)より、G<0として反転増幅による逆位相の信号を得るためには、1-rm・R<0、即ち、rm・R>1となる様に、電気抵抗値R(抵抗素子R)を定めればよい。又、G<0において、電気抵抗値Rが大きくなる程、ゲインの絶対値|G|が大きくなることが理解される。
この結果、図6に示される様に、電源電圧VDDの変動分ΔVDDが反転増幅された電圧信号VOUTを、増幅部130から出力することができる。具体的には、平均値Vm(点線)に変動分ΔVDDが重畳された電源電圧VDDに対して、ΔVDDを反転増幅した変動分ΔVOUTが平均値(点線)に対して重畳された電圧信号VOUTを得ることができる。電源電圧VDDと電圧信号VOUTとの間の平均値(DC成分)の差は、I・Rに相当する。
図7には、実施の形態1に係るジッタキャンセル回路の構成例を説明する回路図が示される。
図7を参照して、クロックバッファ110は、直列接続されたN個(N:2以上の整数)のインバータIV1~IVNを有する。初段のインバータIV1には、クロック伝搬要素50からの入力クロックCLKINが入力される、最終段のインバータIVNは、ジッタキャンセル回路100aの出力クロックCLKOUTを生成する。インバータIV1~IVNの段数Nは、通常、偶数であるが、逆相のクロックを得る目的で、Nを奇数とすることも可能である。
可変電流源回路140は、P型トランジスタTP0~TPNと、N型トランジスタTN0~TNNとを有する。P型トランジスタTP0及びN型トランジスタTN0は、電源配線PL(VDD)及び接地配線NL(VSS)の間に直列接続される。P型トランジスタTP0はダイオード接続される。N型トランジスタTN0のゲートには、増幅部130から出力された電圧信号VOUTが入力される。
P型トランジスタTP1~TPNは、電源配線PLとインバータIV1~IVNとの間にそれぞれ接続される。同様に、N型トランジスタTN1~TNNは、接地配線NLとインバータIV1~IVNとの間にそれぞれ接続される。P型トランジスタTP1~TPNのゲートは、P型トランジスタTP0のゲートと接続される。N型トランジスタTN1~TNNのゲートは、N型トランジスタTN0のゲートと接続される。N個のP型トランジスタ(TP1~TPN)及びN型トランジスタ(TN1~TNN)のペアによって、インバータIV1~IVNの動作電流Iopがそれぞれ供給される。
可変電流源回路140では、直列接続されたP型トランジスタTP0及びN型トランジスタTN0を流れる電流Ivは、増幅部130からの電圧信号VOUTに応じて変化する。具体的には、電圧信号VOUTの電位が上昇すると電流Ivが大きくなり、反対に、電圧信号VOUTの電位が低下すると電流Ivは小さくなる。
P型トランジスタTP1~TPNは、P型トランジスタTP0とカレントミラーを構成し、N型トランジスタTN1~TNNは、N型トランジスタTN0とカレントミラーを構成する。従って、インバータIV1~IVNの動作電流Iopは、電圧信号VOUTに応じて変化する電流Ivに比例する。代表的には、動作電流Iopと電流Ivとは、1:1である。
図7の例では、増幅部130は、図5で説明した基本構成に加えて、分圧回路132を更に有する様に構成される。具体的には、増幅部130は、抵抗素子133,134,136と、トランジスタ135とを含んで構成される。
抵抗素子133(電気抵抗値R0)及び134(電気抵抗値R1)は、電源配線PL(VDD)及び接地配線NL(VSS)の間に直列接続されて分圧回路132を構成する。トランジスタ135は、図5のトランジスタTRに対応し、抵抗素子136(電気抵抗値R2)は、図5の抵抗素子Rに対応する。
分圧回路132は、分圧比R0/(R0+R1)による電源電圧VDDの分圧電圧を、トランジスタ135のゲート(制御電極)に入力する。従って、電気抵抗値R1が高くなる程、分圧比が小さくなってトランジスタ135のゲートへの入力電圧も低下する。
図7の構成において、増幅部130における増幅特性、具体的には、電源電圧VDDの変動成分ΔVDDに対する電圧信号VOUTの変動分ΔVOUTの特性は、式(1)において、電気抵抗値RをR2に置換することで得られる。即ち、抵抗素子136の電気抵抗値R2は、式(1)のゲインG<0となる様に定められる。
分圧回路132によって、増幅部130のDC動作点を調整することができる。図6に示される様に、増幅部130での反転増幅ゲインを大きくするために、抵抗素子136の電気抵抗値R2を増大すると、電源電圧VDDに対する電圧信号VOUTの電圧降下(図6中のI・R)が大きくなって、電圧信号VOUTのレベルが低下する。従って、電気抵抗値R2の変化に連動させて、分圧回路132による分圧比を調整することで、ゲインを変化させても、増幅部130のDC動作点を一定に維持することができる。
図7の構成例においても、電圧信号VOUTは、式(1)による変動成分ΔVOUTを有することで、電源電圧VDDの変動成分ΔVDD(電源ノイズ)を反転増幅する様に生成される。従って、可変電流源回路140によってインバータIV1~IVNの各々に供給される動作電流Iopは、電源電圧VDDの上昇に応じて減少する一方で、電源電圧VDDの低下に応じて増加する。即ち、動作電流Iopは、電源電圧VDDの変動成分と逆位相で増減する様に制御される。
これにより、ジッタキャンセル回路は、図8に示す様に動作することで、出力クロックCLKOUTのジッタを抑制することができる。
図8には、図2と同様の電源電圧VDD波形の下で、クロック伝搬要素50及びジッタキャンセル回路100aで付与される遅延時間が示される。
クロックCLK1は、図2と同様にクリーンな波形として示されており、入力クロックCLKINは、図2でのクロックCLK2に相当する。即ち、時刻t1~t3でのクロックCLK1の立上がりエッジに対して、クロック伝搬要素50で付与される遅延時間Td1~Td3は、図2と同様である。具体的には、電源電圧VDDが平均値Vmである時刻t2での遅延時間Td2に対して、VDD>Vmの時刻t1での遅延時間Td1は短い。そして、VDD<Vmの時刻t3での遅延時間Td3はTd2よりも長い。この結果、入力クロックCLKINには、クロック周期のヒストグラム31によって示されるジッタが発生する。
これに対して、ジッタキャンセル回路100aにおいて、VDD>Vmの時刻t1におけるクロックバッファ110の動作電流Iopは、電流制御部120を構成する増幅部130及び可変電流源回路140により、VDD=Vmの時刻t2よりも小さく制御される。この結果、クロックバッファ110において、入力クロックCLKIN及び出力クロックCLKOUTの間に付加される遅延時間Td1xは、時刻t2におけるクロックバッファ110の遅延時間Td2xよりも長くなる。
反対に、VDD<Vmの時刻t3におけるクロックバッファ110の動作電流Iopは、VDD=Vmの時刻t2よりも大きく制御される。この結果、時刻t3でのクロックバッファ110による遅延時間Td3xは、時刻t2におけるクロックバッファ110の遅延時間Td2xよりも短くなる。
ジッタキャンセル回路100aの出力クロックCLKOUTの各立上がりエッジには、クロックCLK1に対して、クロック伝搬要素50による遅延時間と、ジッタキャンセル回路100aによる遅延時間との和が作用する。この結果、図8に示された、時刻t1~t3において、クロックCLK1と出力クロックCLKOUTとの間に生じる遅延時間は、T1=Td1+Td1x、T2=Td2+Td2x、及び、T3=Td3+Td3xとなる。これらの遅延時間T1~T3の間の差は、上述した遅延時間Td1~Td3の大小関係、及び、遅延時間Td1x~Tdx3の大小関係から、クロック伝搬要素50による遅延時間Td1~Td3の間の差よりも小さくなることが理解される。
この結果、ヒストグラム32によって示される出力クロックCLKOUTのジッタを、ヒストグラム31によって示される入力クロックCLKINのジッタよりも小さくすることができる。
この様に、実施の形態1に係るジッタキャンセル回路100aによれば、クロック伝搬要素50を駆動する電源電圧VDDの変動成分の逆位相でクロックバッファ110の動作電流Iopを増減する制御が可能である。これにより、クロック伝搬要素50から出力された入力クロックCLKINに対して、クロック伝搬要素50とは逆の特性で、電源電圧VDDの増減に応じた遅延時間を付与することができる。この結果、電源ノイズに起因して発生するジッタを補償して、クロックの供給先回路でのクロックジッタを低減することが可能となる。
尚、実施の形態1に係る図7の構成例において、抵抗素子134は「第1抵抗素子」の一実施例に対応し、電気抵抗値R1は「第1電気抵抗値」に対応する。同様に、抵抗素子136は「第2抵抗素子」の一実施例に対応し、電気抵抗値R2は「第2電気抵抗値」に対応する。
<第1の実施形態の変形例>
上述の様に、ジッタキャンセル回路におけるジッタ補償特性は、増幅部130での電源電圧VDDに対する電圧信号VOUTの入出力特性(増幅特性)に依存する。従って、実施の形態1の変形例では、増幅部130の増幅特性を容易に調整可能とするための構成例を説明する。
上述の様に、ジッタキャンセル回路におけるジッタ補償特性は、増幅部130での電源電圧VDDに対する電圧信号VOUTの入出力特性(増幅特性)に依存する。従って、実施の形態1の変形例では、増幅部130の増幅特性を容易に調整可能とするための構成例を説明する。
図9は、実施の形態1の変形例に係るジッタキャンセル回路の構成を説明するブロック図である。
図9を参照して、実施の形態1の変形例に係るジッタキャンセル回路100bは、実施の形態1に係るジッタキャンセル回路100a(図4)と比較して、レジスタ150を更に備える点で異なる。レジスタ150は、増幅部130の増幅特性を調整するための入力信号DINを受ける。入力信号DINがジッタキャンセル回路100bの外部からも入力することができる様に、レジスタ150は配置される。
入力信号DINは、レジスタ150に記憶されて、増幅部130の制御信号S1及びS2として、増幅部130へ入力される。例えば、複数ビットの入力信号DINの一部ビットずつが、制御信号S1及びS2としてレジスタ150から出力されて、増幅部130へ入力される。
図10には、図9に示されたジッタキャンセル回路100bの構成例を説明する回路図が示される。
図10を参照して、実施の形態1の変形例では、増幅部130の抵抗素子134及び136が可変抵抗素子で構成される点が、実施の形態1(図7)から異なる。抵抗素子134の電気抵抗値R1は、制御信号S1に可変設定される。同様に、抵抗素子136の電気抵抗値R2は、制御信号S2によって可変設定される。図10のその他の部分の構成は、図7と同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。
この結果、実施の形態1の変形例に係るジッタキャンセル回路100bでは、増幅部130の増幅特性を決める電気抵抗値R1,R2を、入力信号DINをジッタキャンセル回路100bの外部から150への入力信号DINによって可変に調整することができる。この点を除くと、実施の形態1の変形例に係るジッタキャンセル回路100bの構成及び動作は、実施の形態1に係るジッタキャンセル回路100aと同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。
これにより、増幅部130の増幅特性、即ち、電源電圧VDDの変動成分に対する動作電流Iopの増減の特性を、入力信号DINによって任意に変化させることができる。レジスタ150への入力信号DINは、ジッタキャンセル回路100bの外部から異なる値を与えることができるので、この様な特性をテスト的に容易に調整することが可能である。この様に、入力信号DINは「調整信号」の一実施例に対応し、レジスタ150は「調整入力部」の一実施例に対応する。
従って、実施の形態1の変形例によれば、実施の形態1で説明した効果に加えて、ジッタキャンセル回路を最適点で動作させるための、増幅部130の特性の調整が容易になる。より具体的には、増幅部130の反転増幅ゲイン及びDC動作点を調整するための電気抵抗値R1及びR2の最適値の探索を、入力信号DINを変化させる下での解析によって容易に実行することが可能となる。
<第2の実施形態>
実施の形態2では、ジッタキャンセル回路の出力フィードバック制御について更に説明する。
実施の形態2では、ジッタキャンセル回路の出力フィードバック制御について更に説明する。
図11は、実施の形態2に係るジッタキャンセル回路の構成を説明するブロック図である。
図11を参照して、実施の形態2に係るジッタキャンセル回路100cは、実施の形態1係るジッタキャンセル回路100a(図4)と比較して、フィードバック制御部160を更に備える点で異なる。フィードバック制御部160は、ジッタキャンセル回路100cからの出力クロックCLKOUTに基づいて、実施の形態1の変形例と同様の制御信号S1,S2を生成する。
図12には、図11に示されたジッタキャンセル回路100cの構成例を説明する回路図が示される。
図12を参照して、実施の形態2に係るジッタキャンセル回路100cにおいて、増幅部130では、実施の形態1の変形例(図10)と同様に、抵抗素子134(電気抵抗値R1)及び抵抗素子136(電気抵抗値R2)の各々が可変抵抗素子で構成される。実施の形態2では、電気抵抗値R1及びR2の制御信号S1及びS2は、フィードバック制御部160によって生成される。
フィードバック制御部160は、出力クロックCLKOUTの周期を計測するためのTDC(Time to Digital Converter)回路170と、平均値算出部180と、制御演算部200とを有する。後述する様に、制御演算部200は、増幅部130を構成するアナログ素子の定数制御器、ここでは、出力クロックCLKOUTのフィードバックによる、抵抗素子134の電気抵抗値R1及び抵抗素子136の電気抵抗値R2の制御器として機能する。
図13には、フィードバック制御部160の動作例を説明するフローチャートが示される。
図13を参照して、フィードバック制御部160は、ステップ(以下、単に「S」と表記する)110より、出力クロックCLKOUTの周期計測値を求める。S110の処理は、図12のTDC回路170によって実現される。
図14には、TDC回路170の構成例が示される。TDC回路170は、遅延素子172と、M個(M:2以上の整数)の遅延素子DL1~DLMと、M個のフリップフロップFF1~FFMとを有する。
遅延素子172と、遅延素子DL1~DLMとは直列接続される。遅延素子172は、出力クロックCLKOUTの1周期(規格値)に対応させて予め定められた遅延時間Txを付与する。これに対して、遅延素子DL1~DLMの各々は、遅延時間τを付与する。
遅延素子172には出力クロックCLKOUTが入力され、M個の初段の遅延素子DL1には、1周期遅延された出力クロックCLKOUT′が入力される。このCLKOUT′は、遅延素子DL1~DLMの各々により、遅延時間τが順次付与される。
遅延素子DL1~DLMの入力は、フリップフロップFF1~FFMのそれぞれのD端子に入力される。一方で、フリップフロップFF1~FFMの各々のCLK端子には、出力クロックCLKOUTが入力される。フリップフロップFF1~FFMの出力(Q端子)は、デコーダ175に入力される。
この様な構成により、M個のフリップフロップFF1~FFMからは、出力クロックCLKOUTと遅延されたCLKOUT′との時間差を、遅延時間τを分解能として計測したMビットのデジタル値DTcが、デコーダ175に対して出力される。
例えば、Txを、出力クロックCLKOUTの1周期相当と、τ・(M/2)との和とすると、出力クロックCLKOUTの各立上がりエッジと、1周期後の次の立上がりエッジとの時間差を、0±τ・(M/2)の範囲内で測定することができる。この様に、デコーダ175は、立上がりエッジの入力毎に、デジタル値DTcに基づいて、出力クロックCLKOUTの周期計測値Tcを出力することができる。
再び図13を参照して、フィードバック制御部160は、S120では、TDC回路170からの周期計測値Tcの平均値である周期平均値Tmeanを算出する。例えば、S120では、予め定められたH個(H:2以上の整数)の周期計測値Tcの移動平均値が算出される。図12の平均値算出部180は、出力クロックCLKOUTの周期毎に求められる周期計測値Tcを入力として、上述の移動平均演算を実行する様に構成することができる。
次に、フィードバック制御部160は、S130により、S120で算出された周期平均値TmeanとS110で求められた周期計測値Tcとの差分に相当するクロック周期偏差ΔTc(ΔTc=Tc-Tmean)を算出する。更に、フィードバック制御部160は、S140により、クロック周期偏差ΔTcをゼロに近付けるための制御演算によって、増幅部130の制御信号S1,S2を生成する。これにより、出力クロックCLKOUTの周期計測値に基づいて、増幅部130の増幅特性、即ち、電源電圧VDDの変動成分に対する動作電流Iopの増減の特性を調整するフィードバック制御が実現される。
図15には、図14のS130,S140の処理を実現するための、図12の制御演算部200の構成例が示される。
図15に示される様に、制御演算部200は、偏差演算部201と、絶対値演算部202と、ユニット切替スイッチ205と、制御信号S1を生成する演算ユニット210と、制御信号S2を生成する演算ユニット220とを有する。
偏差演算部201は、TDC回路170の周期計測値Tcから平均値算出部180の周期平均値Tmeanを減算する演算によって、出力クロックCLKOUTの周期毎にクロック周期偏差ΔTcを出力する。クロック周期偏差ΔTcは、積分制御部191及び192の各々に入力される。絶対値演算部202は、偏差演算部201によって算出されたクロック周期偏差ΔTcの絶対値|ΔTc|を出力する。ユニット切替スイッチ205は、絶対値演算部202の出力側を、演算ユニット210の入力側(ph1)、又は、演算ユニット220の入力側(ph2)と接続する。例えば、出力クロックCLKOUTの所定の複数周期毎に、ph1側との接続及びph2側との接続が切り替えられる。これにより、当該複数周期分のクロック周期偏差の絶対値|ΔTc|は、演算ユニット210及び220に対して交互に入力される。
演算ユニット210は、乗算部211と、加算部212と、z変換の遅延素子213と、符号制御部214と、符号設定部215とを有する。乗算部211は、ユニット切替スイッチ205によって伝達されたクロック周期偏差の絶対値|ΔTc|と、符号設定部215によって「+(正)」又は「-(負)」に設定された符号sgn1が付された調整係数ku1とを乗算する。即ち、乗算部211は、符号sgn1に従って、ku1・|ΔTc|、又は、-ku1・|ΔTc|を出力する。
遅延素子213及び加算部212によって乗算部211の出力値(±ku1・|ΔTc|)が積分されて、積分値val1が算出される。即ち、+ku1,-ku1は、遅延素子213及び加算部212による積分制御の積分ゲインに相当する。符号制御部214は、クロック周期偏差の絶対値|ΔTc|及び積分値val1の挙動(変化方向)に基づいて、符号sgn1を設定する。デコーダ217は、予め定められたデコード条件に従って、積分値val1を制御信号S1に変換する。
同様に、演算ユニット220は、乗算部221と、加算部222と、z変換の遅延素子223と、符号制御部224と、符号設定部225とを有する。乗算部221は、ユニット切替スイッチ205によって伝達されたクロック周期偏差の絶対値|ΔTc|と、符号設定部225によって「+(正)」又は「-(負)」に設定された符号sgn2が付された調整係数ku2とを乗算する。即ち、乗算部221は、符号sgn2に従って、ku2・|ΔTc|、又は、-ku2・|ΔTc|を出力する。
遅延素子223及び加算部222によって乗算部221の出力値(±ku2・|ΔTc|)が積分されて、積分値val2が算出される。即ち、+ku2,-ku2は、遅延素子223及び加算部222による積分制御の積分ゲインに相当する。符号制御部224は、クロック周期偏差の絶対値|ΔTc|及び積分値val2の挙動(変化方向)に基づいて、符号sgn2を設定する。デコーダ227は、予め定められたデコード条件に従って、積分値val2を制御信号S2に変換する。例えば、デコーダ217,227のデコード条件は、積分値val1,val2の上昇に応じて電気抵抗値R1,R2が高くなり、反対に、積分値val1,val2の低下に応じて電気抵抗値R1,R2が低くなる様に設定することができる。この結果、積分値val1,val2に対応させて、増幅部130での電気抵抗値R1,R2の値が変化する。
次に、図16を用いて、図15に示された制御演算部200の動作例を説明する。
図15において、期間TT1~TT11の各々の時間長は、出力クロックCLKOUTのL個(L:2以上の整数)の周期に相当する。ユニット切替スイッチ205の出力先は、上記期間毎に切り替えられる。例えば、期間TT1,TT3,TT5,TT7,TT9,TT11(奇数番目)では、ユニット切替スイッチ205はph1側(図15)に制御されて、クロック周期偏差の絶対値|ΔTc|を、出力クロックCLKOUTの各周期で演算ユニット210へ入力する。一方で、これらの期間では、演算ユニット220には、絶対値演算部202から出力されたクロック周期偏差の絶対値|ΔTc|は伝達されない。
図15において、期間TT1~TT11の各々の時間長は、出力クロックCLKOUTのL個(L:2以上の整数)の周期に相当する。ユニット切替スイッチ205の出力先は、上記期間毎に切り替えられる。例えば、期間TT1,TT3,TT5,TT7,TT9,TT11(奇数番目)では、ユニット切替スイッチ205はph1側(図15)に制御されて、クロック周期偏差の絶対値|ΔTc|を、出力クロックCLKOUTの各周期で演算ユニット210へ入力する。一方で、これらの期間では、演算ユニット220には、絶対値演算部202から出力されたクロック周期偏差の絶対値|ΔTc|は伝達されない。
反対に、期間TT2,TT4,TT6,TT8,TT10(偶数番目)では、ユニット切替スイッチ205はph2側(図15)に制御されて、クロック周期偏差の絶対値|ΔTc|を、出力クロックCLKOUTの各周期で演算ユニット220へ入力する。一方で、これらの期間では、演算ユニット210には、絶対値演算部202から出力されたクロック周期偏差の絶対値|ΔTc|は伝達されない。
演算ユニット210において、符号制御部214は、ユニット切替スイッチ205から入力されたクロック周期偏差の絶対値|ΔTc|の変化方向に応じて、次の期間での符号sgn1を設定する。具体的には、期間内においてクロック周期偏差の絶対値|ΔTc|が減少しているときには、積分値val1の現在の変化方向、即ち、符号sgn1の現在の設定は正しいと認識して、符号sgn1の設定を維持する。反対に、期間内においてクロック周期偏差の絶対値|ΔTc|が増加しているときには、積分値val1の現在の変化方向、即ち、符号sgn1の現在の設定が誤っていると認識して、符号sgn1の設定を反転する。
例えば、図16の例では、期間TT1では、積分値val1が増加方向に変化しており、符号sgn1が「+」に設定されている下で、クロック周期偏差の絶対値|ΔTc|は増加している。従って、期間TT1の次に、演算ユニット210に対してクロック周期偏差の絶対値|ΔTc|が入力される期間TT3では、符号sgn1は、積分値val1の変化方向を反転させるために、期間TT1から反転されて「-」に設定される。これにより、期間TT1内では増加していた積分値val1は、期間TT3では減少に転じる。尚、演算ユニット210に|ΔTc|が入力されない期間(図16中では、期間TT2,TT4,TT6,TT8,TT10)の各々では、積分値val1は変化せず、符号sgn1の設定は直前の期間と同じに維持される。
以降の期間TT3,TT5,TT7,TT9,TT11では、クロック周期偏差の絶対値|ΔTc|が減少している。このため、符号sgn1の設定は「-」に維持され、この下で、|ΔTc|はゼロに向けて減少する。
同様に、演算ユニット220において、符号制御部224は、ユニット切替スイッチ205から入力されたクロック周期偏差の絶対値|ΔTc|の変化方向に応じて、次の期間での符号sgn2を設定する。即ち、ある期間内においてクロック周期偏差の絶対値|ΔT|が減少しているときには、積分値val2の現在の変化方向を維持するために、符号sgn2の設定を維持する一方で、|ΔTc|が増加しているときには、積分値val2の現在の変化方向を反転するために、次の期間での符号sgn2の設定を反転する。
例えば、図16の例では、期間TT2では、積分値val2が増加方向に変化しており、符号sgn2が「+」に設定されている下で、クロック周期偏差の絶対値|ΔTc|が減少している。このため、次に演算ユニット220に|ΔTc|が入力される期間TT4での符号sgn2は、積分値val2の変化方向を維持するべく期間TT2と同様の「+」に維持される。しかしながら、期間TT4では符号sgn2が「+」に設定された下で、クロック周期偏差の絶対値|ΔTc|が増加する。従って、次に演算ユニット220に|ΔTc|が入力される期間TT6での符号sgn2は、積分値val2の変化方向を反転するために期間TT4とは反対に「-」に設定される。
期間TT6では、符号sgn2が「-」の下でクロック周期偏差の絶対値|ΔTc|が減少するので、期間TT8では符号sgn2は「-」に維持される。しかしながら、期間TT8では、符号sgn2が「-」に設定された下で、クロック周期偏差の絶対値|ΔTc|が増加する。このため、期間TT10では、積分値val2の変化方向を反転するために符号sgn2は「+」に反転される。
尚、演算ユニット220に|ΔTc|が入力されない期間(図16中では、期間TT1,TT3,TT5,TT7,TT9,TT11)の各々では、積分値val1は変化せず、符号sgn2の設定は、直前の期間と同じに維持される。
この様に、演算ユニット210,220において、クロック周期偏差の絶対値|ΔTc|が減少しているか否かを監視して符号sgn1,sgn2を切替えることで、ゲインの符号(正/負)を切替えて積分制御が行われる。この結果、演算ユニット210の積分値val1及び演算ユニット220の積分値val2の各々を、クロック周期偏差の絶対値|ΔTc|をゼロにするための定常値Val1*及びVal2*に収束することができる。この定常値Val1*及びVal2*は、クロック周期偏差ΔTc(|ΔTc|)をゼロにするための増幅部130の特性、具体的には、電気抵抗値R1及びR2に対応することが理解される。
この様に、フィードバック制御部160により、クロック偏差ΔTcをゼロに近付ける様に、増幅部130の増幅特性、具体的には、電気抵抗値R2に依存する反転増幅ゲイン、及び、DC動作点を一定に維持するための電気抵抗値R1を、適切に設定することができる。
例えば、フィードバック制御部160は、デジタル演算要素によって構成することができる。更に、平均値算出部180及び制御演算部200の機能については、ソフトウェアによって実現することも可能である。又、図15に示された制御演算部200の構成は一例であり、クロック周期偏差ΔTcをゼロに近付けるための任意の制御演算に従って、制御演算部200を構成することが可能である。
以上説明した様に、実施の形態2によれば、実施の形態1で説明した効果に加えて、出力クロックCLKOUTのフィードバック制御によって、ジッタキャンセル回路を最適点で動作させるために増幅部130の特性を自動的に調整することができる。これにより、クロックのジッタ抑制効果を更に高めることができる。
尚、実施の形態1の変形例と実施の形態2とを組み合わせることも可能である。この場合には、ジッタキャンセル回路を搭載したシステムにおいて、オフライン中にレジスタ150を用いて増幅部130の特性を調整して電気抵抗値R1,R2の基準値(デフォルト値)を決定した後に、オンライン中にはフィードバック制御部160によって電気抵抗値R1,R2を自動的に可変調整する構成とすることができる。
実施の形態2で説明した図14及び図15において、TDC170は「第1演算部」の一実施例に対応する。同様に、偏差演算部201及び絶対値演算部202(図15)は「第2演算部」の一実施例に対応する。更に、演算ユニット210(図15)は「第3演算部」の一実施例に対応し、積分値val1は「第1積分値」に対応し、調整係数kc1及び符号sgn1の乗算値は「第1の積分制御のゲイン」に対応する。同様に、演算ユニット220(図15)は「第4演算部」の一実施例に対応し、積分値val2は「第2積分値」に対応し、調整係数kc2及び符号sgn2の乗算値は「第2の積分制御のゲイン」に対応する。又、図16での期間TT1,TT3,TT5,TT7,TT9,TT11の各々は「第1の期間」の一例に対応し、期間TT2,TT4,TT6,TT8,TT10の各々は「第2の期間」の一例に対応する。
<第3の実施形態>
実施の形態3では、実施の形態1から2で説明したジッタキャンセル回路の配置例について説明する。
実施の形態3では、実施の形態1から2で説明したジッタキャンセル回路の配置例について説明する。
図17は、実施の形態3に係るジッタキャンセル回路の配置例を説明するブロック図である。
図17を参照して、クロック発生回路(PLL)10から出力されたクロックCLK1は、クロック伝搬要素50が配置されたクロック伝搬経路によって、クロックの供給先回路20、例えば、物理層(PHY)を構成するモジュールに対して供給される。クロック発生回路10及び複数のクロック伝搬要素50は、電源配線PLから共通の電源電圧VDDの供給を受けて動作する。
図17中のジッタキャンセル回路100は、実施の形態1及びその変形例、並びに、実施の形態2で説明したジッタキャンセル回路100a~100cを包括するものである。
例えば、ジッタキャンセル回路100は、クロック発生回路10と共通の電源電圧VDDを供給されるとともに、クロック発生回路10からのクロックCLK1がCLKINとして入力される様に配置することができる。この様にすると、クロック発生回路10の内部において、電源ノイズに起因するジッタ抑制のための構成を省略又は簡素化しても、クロックCLK1に重畳されたジッタを補償して、クロックをクリーン化することが期待できる。
或いは、クロックの供給先回路20に対して、ジッタキャンセル回路100の出力クロックCLKOUTが供給される様に、ジッタキャンセル回路100を配置することも可能である。ジッタキャンセル回路100には、クロック伝搬要素50と共通の電源電圧VDDが供給される。この様にすると、供給先回路20が、ジッタが抑制されたクリーンなクロックを用いて動作することができる。
この様に、本実施の形態に係るジッタキャンセル回路100は、クロック発生回路10から任意の供給先回路20までの間のクロック伝搬経路において、クロック発生回路10又はクロック伝搬要素50と共通の電源電圧VDDの供給を受ける限り、当該クロック伝搬経路の任意の個所に、任意の個数配置することができる。
以上で説明した複数の実施の形態について、明細書内で言及されていない組み合わせを含めて、不整合や矛盾が生じない範囲内で、各実施の形態で説明された構成を適宜組合わせることは出願当初から予定されている点についても、確認的に記載する。
以上、本開示を実施形態に基づき具体的に説明したが、本開示は、実施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。
10 クロック発生回路、11 内部発振器、12 ジッタ抑制回路、20 供給先回路、30~32 ヒストグラム、50 クロック伝搬要素、100,100a~100c ジッタキャンセル回路、110 クロックバッファ、120 電流制御部、130 増幅部、132 分圧回路、133,134,136,R 抵抗素子、135,TR トランジスタ、140 可変電流源回路、150 レジスタ、160 フィードバック制御部、170 回路、172,195,DL1,DLM 遅延素子、175,217,227 デコーダ、180 平均値算出部、200 制御演算部、201 偏差演算部、202 絶対値演算部、205 ユニット切替スイッチ、210,220 演算ユニット、211,221 乗算部、212,222 加算部、213,223 遅延素子(z変換)、214,224 符号制御部、215,225 符号設定部、CLK,CLK1,CLK2,CLKIN クロック、CLKIN 入力クロック、CLKOUT 出力クロック、DIN 入力信号、DTc デジタル値、IV1~IVN インバータ、Iop 動作電流、NL 接地配線、No 出力ノード、PL 電源配線、S1,S2 制御信号、Td1~Td4,Td1x~Td3x 遅延時間、TN0,TN1~TNN N型トランジスタ、TP0,TP1~TPN P型トランジスタ、Tc 周期計測値、Tmean 周期平均値、VDD 電源電圧、Vm 平均値、ku1,ku2 調整係数、val1,val2 積分値。
Claims (14)
- 電源電圧によって駆動されるクロック発生回路又はクロック伝搬要素から出力されたクロックを入力されるクロックバッファと、
前記電源電圧の変動成分の逆位相で前記クロックバッファの動作電流を増減する電流制御部とを備え、
前記クロックバッファは、入力された前記クロックに対して、前記動作電流の増大に応じて減少する一方で、前記動作電流の減少に応じて増大する遅延時間を付与して、前記クロックを出力する、ジッタキャンセル回路。 - 前記電流制御部における前記変動成分に対する前記動作電流の増減の特性の調整信号を前記ジッタキャンセル回路の外部から入力するための調整入力部を更に備える、請求項1記載のジッタキャンセル回路。
- 前記クロックバッファからの出力クロックの周期計測値に基づいて、前記電流制御部における前記変動成分に対する前記動作電流の増減の特性を調整するフィードバック制御部を更に備える、請求項1記載のジッタキャンセル回路。
- 前記フィードバック制御部は、各前記周期計測値と、過去の複数の前記周期計測値の平均値との偏差をゼロに近付ける様に、前記電流制御部における前記特性を調整する、請求項3記載のジッタキャンセル回路。
- 前記電流制御部は、
入力された前記電源電圧の前記変動成分を反転増幅した電圧信号を出力する増幅部と、
前記電圧信号に応じて増減される出力電流を前記動作電流として前記クロックバッファに供給する可変電流源回路とを含み、
前記可変電流源回路は、前記電圧信号の電圧が高い程前記出力電流が大きくなる様に構成される、請求項1記載のジッタキャンセル回路。 - 前記増幅部における前記変動成分に対する前記電圧信号の増幅特性の調整信号を前記ジッタキャンセル回路の外部から入力するための調整入力部を更に備える、請求項5記載のジッタキャンセル回路。
- 前記クロックバッファからの出力クロックの周期計測値に基づいて、前記増幅部における前記変動成分に対する前記電圧信号の増幅特性を調整するフィードバック制御部を更に備える、請求項5記載のジッタキャンセル回路。
- 前記フィードバック制御部は、各前記周期計測値と、過去の複数の前記周期計測値の平均値との偏差をゼロに近付ける様に、前記増幅部における前記増幅特性を調整する、請求項7記載のジッタキャンセル回路。
- 前記増幅部は、
第1抵抗素子を含んで構成された、前記電源電圧を分圧する分圧回路と、
負電極が接地されるとともに、前記分圧回路の出力電圧を制御電極に受けるトランジスタと、
前記電源電圧の供給ノードと前記トランジスタの正電極との間に接続された第2抵抗素子とを有する、請求項5記載のジッタキャンセル回路。 - 前記第1抵抗素子及び前記第2抵抗素子は、可変抵抗素子で構成され、
前記第1抵抗素子の第1電気抵抗値及び前記第2抵抗素子の第2電気抵抗値を調整するための調整信号を前記ジッタキャンセル回路の外部から入力するための調整入力部を更に備える、請求項9記載のジッタキャンセル回路。 - 前記第1抵抗素子及び前記第2抵抗素子は、可変抵抗素子で構成され、
前記クロックバッファからの出力クロックの周期計測値に基づいて、前記増幅部の前記第1抵抗素子の第1電気抵抗値及び前記第2抵抗素子の第2電気抵抗値を調整するフィードバック制御部を更に備える、請求項9記載のジッタキャンセル回路。 - 前記フィードバック制御部は、
過去の複数の前記周期計測値の平均値を算出する第1演算部と、
前記平均値に対する各前記周期計測値の偏差の絶対値を算出する第2演算部と、
第1の積分制御による前記偏差の絶対値の第1積分値に基づいて、前記偏差をゼロに近付ける様に、前記第1電気抵抗値を調整する第1の制御信号を生成する第3演算部と、
第2の積分制御による前記偏差の絶対値の第2積分値に基づいて、前記偏差をゼロに近付ける様に、前記第2電気抵抗値を調整する第2の制御信号を生成する第4演算部とを有する、請求項11記載のジッタキャンセル回路。 - 前記フィードバック制御部は、前記第2演算部からの前記偏差の絶対値に応じて前記第1積分値が更新される一方で、前記第2積分値が維持される第1の期間と、前記第2演算部からの前記偏差の絶対値に応じて前記第2積分値が更新される一方で、前記第1積分値が維持される第2の期間を交互に設ける様に動作し、
前記第3演算部は、前記第1の期間において前記偏差の絶対値が増加するときに前記第1の積分制御のゲインの正負を切替える様に構成され、
前記第4演算部は、前記第2の期間において前記偏差の絶対値が増加するときに前記第2の積分制御のゲインの正負を切替える様に構成される、請求項12記載のジッタキャンセル回路。 - 前記クロック伝搬要素は、前記クロック発生回路と、当該クロックの供給先との間の経路内に接続され、
前記ジッタキャンセル回路は、前記クロック伝搬要素又は前記クロック発生回路と共通の前記電源電圧を受けて動作する、請求項1記載のジッタキャンセル回路。
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