JP2024515147A - カスケードされたリタイミングに基づく同期分周器 - Google Patents
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Abstract
時間同期された出力を持つ同期分周器回路。同期分周器回路は、Dフリップフロップ回路及びそれぞれのリタイミング用フリップフロップ回路を各々有する複数の分周器ステージを備え、ここで現分周器ステージの前記リタイミング用フリップフロップ回路の出力端子が次の分周器ステージの前記Dフリップフロップ回路の入力に接続されており、前記現分周器ステージが追加リタイミング用フリップフロップ回路を含み、前記現分周器ステージの前記リタイミング用フリップフロップ回路の前記出力端子が前記現分周器ステージの前記追加リタイミング用フリップフロップ回路の入力端子に接続されており、その結果前記現分周器ステージの前記追加リタイミング用フリップフロップ回路の出力信号及び前記次の分周器ステージの前記リタイミング用フリップフロップ回路の出力端子が互いに対して時間同期されている。
Description
本発明は、概して、時間同期された出力を持つ同期分周器回路に関する。本発明は、さらに、同期分周器回路を組み込み可能であり得る、アナログデジタル変換器、送受信機回路、マルチプレクサ及び位相同期ループ(PLL)プリスケーラ回路に関する。
コンピュータ及び関連するコントローラシステムのクロック速度が高まるにつれ、高速でより良い電子カウンタ及び/又は分周器システム及び/又は回路の必要性が高まってきた。そのような電子回路は、無線又は有線高速通信環境並びに有線ベースの高速通信リンクのような広範な応用範囲で用いられ得る。別の応用範囲は、量子コンピューティングの文脈における、オンチップフォトニックリンク及びオンチップフォトニックセンサであり得る。
周波数分周器又はカウンタは、その出力が反転されそのデータ入力へとフィードバックされるフリップフロップである。このフリップフロップへ印加されたクロック信号は、2で分周される。なぜならそれは、まず1つのクロックエッジ(例えば立ち上がりエッジ)でデータ入力を一次ラッチにラッチし、そして次のクロックエッジ(例えば立ち下がりエッジ)によって二次ラッチへ一次ラッチデータをコピーするからである。出力が反転され入力へとフィードバックされるので、同じ出力データが再び得られるまで、2つの出力クロックサイクルが必要となる。こうして、そのような回路は、入力周波数を2で分周する。これらの分周器回路は、様々な半導体技術においても実装され得る。
時間同期された出力を持つ分周器回路に関する複数の開示がある。公知の解決策の欠点は、しばしば、優れた技術が非同期のカウンタ/分周器では存在するが、高速同期カウンタ/分周器では欠けていることであり得る。したがって、この制限を克服し、その出力信号が同時に利用可能な高速同期分周器を提供する必要性があり得る。
本発明の一態様によれば、ソフトウェア開発へのグラフィカルユーザインターフェイスを維持する段階を含むコンピュータ実装方法が提供される。
本発明の一態様によれば、時間同期された出力を持つ同期分周器回路が提供され得る。同期分周器回路は、Dフリップフロップ回路及びそれぞれのリタイミング用フリップフロップ回路を各々有する複数の分周器ステージを備えてよく、ここで現分周器ステージ(current divider stage)の前記リタイミング用フリップフロップ回路の出力端子が次の分周器ステージの前記Dフリップフロップ回路の入力に接続されており、前記現分周器ステージが追加リタイミング用フリップフロップ回路を含み、前記現分周器ステージの前記リタイミング用フリップフロップ回路の前記出力端子が前記現分周器ステージの前記追加リタイミング用フリップフロップ回路の入力端子に接続されており、その結果前記現分周器ステージの前記追加リタイミング用フリップフロップ回路の出力信号及び前記次の分周器ステージの前記リタイミング用フリップフロップ回路の出力端子が互いに対して時間同期されてよい。
提案する時間同期された出力を持つ同期分周器回路は、複数の利点、技術的効果、貢献及び/又は改善をもたらし得る。
一態様によれば、カウンタには非常に高い周波数(例えば、>20GHz)の実時間同期された出力値が提供され得、すなわち、出力端子における複数の信号は、従来の非同期カウンタと同様に、同時にかつ遅延なく利用可能である。この有利な概念は、リップルカウンタを同期カウンタに変換するという適用された原理に基づく。さらに、提案する概念は任意の数のカウンタビット又は周波数分周比に適用され得る。実用的な実装においては、追加的に用いられるリタイミングステージに起因して高まる入力クロック負荷によってのみ、制限が与えられ得、その結果より強力なドライバが必要とされ得る。現在のステージにリタイミング用フリップフロップを加えることでも、その次の分周器ステージからその内部遅延に起因して起こる極小の遅延を補償し得る。
この概念に基づき、分周器ステージの出力の同期が有利に達成され、最高の動作周波数は分周比(例えば2^N)に対し独立であることも当業者には理解可能になる。実用的な実装に対する制限は、例えば入力クロックが駆動させる必要のある既に言及された追加の負荷に関する内在する容量性寄生効果に関し得る。しかしながら、これはより強力なクロックドライバ回路又はより大きなクロックバッファによって対処され得る。
下記にて、本発明概念の追加実施形態が説明される。
同期分周器回路の有利な一実施形態によれば、入力クロック信号は全ての残りのフリップフロップのクロック入力端子に接続されてよい。しかしながら、それは、次のステージの分周器フリップフロップには接続されなくてよい。なぜなら、これは、前のステージのフリップフロップの出力に接続されてよいからである。
同期分周器回路の別の有利な実施形態によれば、前記複数の分周器ステージの数が2よりも大きい場合には、現分周器ステージのリタイミング用フリップフロップのそれぞれの出力信号は前記同期分周器回路を通ってカスケードされてよい。このようにして、任意の長さのカウンタを提供するために任意の数の分周器ステージが直列に接続されてよい。
同期分周器回路の一実施形態によれば、前記同期分周器回路は下記半導体技術のいずれかによって構築されてよい:CPL技術(相補型パストランジスタ論理)、DPL技術(ダブルパストランジスタ論理)、静的な又は動的なデバイスとして実装され得るCMOSロジック技術(相補型金属酸化膜半導体)又はバイポーラ技術。広範な異なる実装技術がここで提案する概念に用いられ得る。知識技術も、現実の技術制約を受けずに異なる応用範囲で用いられ得る。
同期分周器回路の好適な一実施形態によれば、前記Dフリップフロップの各々が、一次ラッチ、及び前記一次ラッチの入力端子にその出力端子がクロスコネクトされた二次ラッチを含んでよい。そうして、標準技術Dフリップフロップは制限なく用いられ得る。
同期分周器回路の任意選択的な実施形態によれば、前記Dフリップフロップの各々が、シングルエンドの形態で実装されてよく;そのためインバータが前記Dフリップフロップの各々のD入力に接続されてよい。そうして、Dフリップフロップの異なる形態の実装も、本発明で提案する概念のために用いられ得る。同期分周器回路の代替的な実施形態によれば、前記Dフリップフロップの各々が、シングルエンドの形態で実装されてよく;そのためDフリップフロップの反転された出力信号が前記Dフリップフロップの各々のそれぞれの入力に接続されてよい。
同期分周器回路の一実施形態によれば、前記Dフリップフロップの各々は、差動クロック入力である、正のクロック信号及び関連する同期された負のクロック信号を含み、それは様々な異なるDフリップフロップ実装が用いられ得ることを強調し得る。
同期分周器回路のさらなる実施形態によれば、前記Dフリップフロップの各々が、インバータステージと共に実装されたシングルエンドのクロック入力を含んでよい。クロック信号のフィーディング(feeding)は異なる形態で実装されてよい。
同期分周器回路の許容される実施形態によれば、前記リタイミング用フリップフロップの各々がDフリップフロップ又はラッチを含む。後者の場合には、一次-二次アーキテクチャが本発明で提案する概念の機能のための要件ではないことは明らかとなっている。
同期分周器回路の追加的に強化された実施形態によれば、前記リタイミング用フリップフロップ及び前記Dフリップフロップの各々が、リセット入力及び値入力を含む。これは、明確に定められたカウンタ値に対する同期カウンタ、すなわち明確に定められたカウンタステージからカウントを再開し得る同期カウンタの構築を可能にし得る。そうして、同期カウンタがリセット信号を受け取る度に、バイナリフォーマットで定められた値によってそのカウンタステージがプリセットされて、任意の再開値を可能にし得る。
さらに強化された実施形態によれば、前記同期分周器回路は、リセット信号によって制御されるように適合させたクロックゲーティング回路をも含み得る。これは、同期カウンタとしての同期分周器回路、及びリセット信号を受け取った後の制御された値を、操作するのに役立ち得る。
さらなる有利な実施形態によれば、同期分周器回路は、同期分周器回路によってその機能性が改善されるであろう複数のより複雑な回路に組み込まれてもよい。それによって、同期分周器回路はカウンタ又は分周器として実装されてよい。同期分周器回路が組み込まれ得る回路の例は、アナログデジタル変換器回路、高速リンクのための送受信機回路、マルチプレクサ回路、デマルチプレクサ回路、及びPLLプリスケーラ回路を含み得る。
本発明の実施形態は、異なる主題を参照して説明されていることに留意されたい。特に、いくつかの実施形態は方法型請求項を参照して説明されており、一方で他の実施形態は装置型請求項を参照して説明されている。しかしながら、当業者は、別段の記載がない限り、1つの型の主題に属する特徴の任意の組み合わせに加えて、異なる主題に関する特徴の間、特に方法型請求項の特徴及び装置型請求項の特徴の間での任意の組み合わせもが本明細書内で開示されているとみなされると、上記及び下記の説明から推測するだろう。
上記で定義した態様及び本発明のさらなる態様は、この後に説明する実施形態の例から明らかであり、実施形態の例を参照して説明されているが、本発明はこれらに限定されていない。
本発明の好適な実施形態は、単に例示として、下記の図を参照して説明される。
特許請求される構造及び方法の詳細な実施形態が本明細書に開示される;しかしながら、開示される実施形態は、様々な形態で具現化され得る特許請求される構造及び方法の単なる例示であることが理解され得る。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態で具現化されてよく、本明細書に記載される例示的な実施形態に限定されると解釈されるべきではない。説明では、提示された実施形態を不必要に曖昧にすることを回避するために、周知の特徴及び技法の詳細が省略されることがある。
本発明の実施形態は概して、時間同期された出力を持つ同期分周器回路に関する。本発明はさらに、同期分周器回路を組み込み可能であり得る、アナログデジタル変換器、送受信機回路、マルチプレクサ及び位相同期ループ(PLL)プリスケーラ回路に関する。
したがって、本実施形態は、同期分周器回路の技術分野を向上させ、その出力信号が同時に利用可能な高速同期分周器を提供する能力を有する。
超高速同期分周器/カウンタを設計するための方法が提案されている。「超高速」という用語は、単一の1/2分周器ステージの「ホールドタイムを違反しない」ところまでクリティカルタイミングパスが低減されているという事実を指す。これは、蓄積された伝播遅延が分周器のセットアップタイムを違反し得ず、これにより、大幅により低い動作周波数がもたらされる、従来の分周器チェーンに対する改善である。
本発明の進歩性は、分周器チェーンの個々のセクションが互いに独立となるように、カスケードされたリタイミングを入力クロックによって適用し、それによって(最も基本的なビルディングブロックである)単一の1/2分周器ステージのホールドタイムをちょうど違反しないところまでクリティカルタイミングパスを低減することからなる。したがって、フロップ以外の他のコンポーネントは必要なく、これにより、(他のコンポーネントが存在しないので)レイアウト対称性及び隅から隅にわたる均一性が容易になる。
方法は、分周器チェーンの末尾から先頭へ連続的にリタイミングすることを含む。これは、次の分周器ステージの入力クロックが前の分周器ステージの第1のリタイミングステージから取得され、かつ入力クロックに対して同期を維持するために分周器ステージごとのリタイミングステージがカスケードされる分周器によって実行される。
この説明の文脈では、下記の慣習、用語及び/又は表現が用いられ得る。
「同期分周器回路」という用語は、複数のフリップフロップを含む集積電子回路を示し得る。集積電子回路における複数のフリップフロップのうちの選択されたものの出力端子では、分周された入力信号が同時に存在し得る。代替的には、「カウンタ回路」という用語が用いられ得る。なぜなら、分周器回路はカウントされた予め定められたクロックサイクル数の信号を出力することになるためである。カウンタは、選択された極性変換に応じて上向きに又は下向きにカウントし得る。
「時間同期された出力」という用語は、所与の電子回路の出力端子が同じ時点で利用可能であり得るという効果を示し得る。
「分周器ステージ」という用語は、電子分周器回路の複数のユニットのうちの1つを示し得る。各ステージで、数学的に2で除算することが実行され得る。
「Dフリップフロップ回路」という用語は、集積電子分周器フリップフロップ、すなわち、遷移が入力信号によってトリガされ得る2つの安定したステータスを有する電子回路を示し得る。使用されるDフリップフロップは、一次-二次アーキテクチャを用いて実装され得る。したがって、各Dフリップフロップは、2つのラッチ(例えば、単純なフリップフロップ)を含み得る。
「リタイミング用フリップフロップ回路」という用語は、順次接続された回路のパフォーマンスを向上させるための公知の順序回路最適化技法を示し得る。概して、リタイミング回路はカスケードされた電子回路でのクリティカルパス遅延を最適化するのに用いられ得る。それは、連続した回路の間で容量性負荷をデカップリングするためにも用いられ得る。
「時間同期された」(特に時間同期された信号)という用語は、所与の動作周波数との関係においてほぼ同時という意味で同じ時点で生じる電気的インパルス(例えば、立ち上がり又は立ち下がりエッジ)を示し得る。
「アナログデジタル変換器回路」という用語は、アナログ信号をそのデジタルの同等物へと変換する集積電子回路を示し得る。
「送受信機回路」という用語は、少なくとも2つのコンポーネント、すなわち、(ほとんどの場合)シリアル通信リンクを介して信号を送信及び受信するための送信機及び受信機を含む集積電子回路を示し得る。
「マルチプレクサ回路」という用語は、複数のアナログ又はデジタル入力信号間で選択をし、選択された入力を単一の出力ラインに転送する(データセレクタとしても知られている)集積電子回路を示し得る。
「デマルチプレクサ回路」という用語は、入来するデータストリームを、複数のより低いデータレートのデータストリームへと分解することを可能にする電子集積回路を示し得る。それは、典型的には高速シリアル通信リンクにおいて使用される逆マルチプレクサとしても示され得る。
「PLL(位相同期ループ)プリスケーラ回路」という用語は、入来する高周波電気信号を整数除算によってより低い周波数へと低減するのに用いる電子計数回路をその入力側に含み得る位相同期ループアーキテクチャの形式の集積電子回路を示し得る。それによって、PLL回路及び関連するタイマにフィードされる周波数は、それがPLL回路の仕様に適合するように、いかにプリスケーラレジスタが構成されるのかに従って低減される。
下記において、図の詳細な説明が与えられる。図中の全ての命令は、模式的なものである。まず、本発明の時間同期された出力を持つ同期分周器回路の一実施形態のブロック図が与えられている。
図1は、一実施形態に係る、時間同期された出力を持つ同期分周器回路の好適な実施形態のブロック図を示している。カウンタの形式でも実装され得る同期分周器回路100は、各Dフリップフロップ回路102、106及びそれぞれのリタイミング用フリップフロップ回路104、108を含む複数の分周器ステージを含む。最小の実装は、2つの現分周器ステージ118、120を含むことになる。それによって、従来技術のDフリップフロップは分周器回路並びにリタイミング用フリップフロップの広範な異なる実装技術において基本的なビルディングブロックとして用いられ得る。
現分周器ステージ118のリタイミング用フリップフロップ回路104の出力端子は、次の現分周器ステージ120、すなわち現分周器ステージ118の後の分周器ステージのDフリップフロップ回路106の入力に接続されている。現分周器ステージ118は追加リタイミング用フリップフロップ回路110を含み、現分周器ステージ118の関連するリタイミング用フリップフロップ回路104の出力端子は現分周器ステージ118の追加リタイミング用フリップフロップ回路110の入力端子に接続されている。
結果的に、現分周器ステージ118の追加リタイミング用フリップフロップ回路110の出力信号114及び次の現分周器ステージ120のリタイミング用フリップフロップ回路108の出力端子116は、互いに対して時間同期されている、すなわちそれらの出力信号は同時に存在する。追加的に、出力信号114、116の両方は入力クロック信号112に対して予め定められた遅延を有する。
フリップフロップの異なるレイヤ122、124、126にはより理解しやすいように異なるフリップフロップが割り当てられているということも留意され得る。例えば、実際の周波数分周を構成するフリップフロップがレイヤ122に属し、関連するリタイミング用フリップフロップはレイヤ124に属し、追加リタイミング用フリップフロップ110はレイヤ126に属する。このようにして、より複雑な回路においてさえ、個々のフリップフロップがそれらのそれぞれのステージ及びレイヤによって識別され得る。
さらに、フリップフロップ106の内部信号遅延によって引き起こされる出力端子116での信号遅延は追加リタイミング用フリップフロップ110によって補償され得ることが留意され得る。したがって、これらの2つのフリップフロップ106,110は、互いに対応している。したがって、2つより多くの分周器ステージ118、120が実装され得る場合、先ほど述べたフリップフロップペア106、110のようなフリップフロップのペアが常にある。
図2は、一実施形態に係る、提案するアーキテクチャに用いる基本的なビルディングブロックの一実施形態、すなわちDフリップフロップ200のブロック図を示している。それぞれのDフリップフロップ記号202が図2の上部領域に示されている。関連する模式的な回路204が図2の下側部分に示されている。Dフリップフロップは、その左側に例えばCPL技術(相補型パストランジスタ論理ラッチ)において実装された一次ラッチ206を含む。差動クロック信号CKP、CKNが用いられ、一次ラッチ206の入力端子にフィードされる。残りの配線及び使用されているコンポーネントは従来技法から公知のはずである。一次ラッチ206の出力端子QN及びQPは、それぞれ入力DP及びDNという名称で、一次ラッチ206と基本的に同じコンポーネント及び配線を有する二次ラッチ208にクロスコネクトされている。ここでも、二次ラッチ208の出力端子QN、QPは一次ラッチ206の同じ極性の入力端子DN、DPにそれぞれ接続されている。Dフリップフロップ200は2で分周する分周器を実装する。これが発生するのは、まず1つのクロックエッジ(例えば立ち上がり信号エッジ)によって入力データが一次ラッチ206にラッチされ、そして次のクロックエッジ(例えば次の信号エッジ)によって二次ラッチ208へ一次ラッチデータをコピーするからである。出力が反転され入力へとフィードバックされるので、同じ出力データが再び得られるまで、2つの入力クロックサイクルが必要となる。そうして、入力周波数が2で分周される。
図3は、一実施形態に係る、レイヤ318のリタイミング用フリップフロップを用いた従来のカウンタ300のブロック図を示している。レイヤ316のフリップフロップは、リップルカウンタ(ここでは4ビット)から得られた同期分周器を実装する。レイヤ316の各DFF(Dフリップフロップ)の出力は、カウントに影響するリップルをもたらす次のDFFの入力に接続されている。レイヤ316の各DFFの出力はそれ自身の入力にも接続されている。この反転されたフィードバックが周波数を2で分周することを実行する。各DFFの出力は、カウンタの各重みのためのレイヤ318のそれぞれのサンプリングDFFにも接続されている。これは、連続する回路、すなわち連続する分周器ステージからカウンタ負荷をデカップリングするために行われている。
チェーン内の各DFFの出力が次のDFFの入力にその値を渡すことが必要なので、クロックの次のサイクルによってトリガされるカウンタのアップデートがDFFのチェーン全体を通ってトラバースするまで全体のカウンタの値は有効である。クロック入力信号が参照数字C4を持ち、レイヤ318の各DFFの端子の出力ラインがそれぞれ、C8、C16、C32、C64として示されていることが留意され得る。したがって、レイヤ318のリタイミング用DFFは、エッジアライナ、すなわち出力信号C8、C16、C32、C64を後続の分周器ステージ308、310、312、314のDFF間での接続からデカップリングするものとしても示され得る。レイヤ318のDFFは、エッジアライナ306を表す。したがって、レイヤ316のDFFは分周器チェーン304を表す。DFFのチェーンを通るリップリングによって、このタイプのカウンタに対する名前、すなわち「リップルカウンタ」が与えられている。代替的には、クロックはC1としても示され得、出力端子はそれぞれ、C2、C4、C8、C16として示され得た。
カウンタは、カウンタ出力の重みによって入力周波数(ここではC4クロック)が分周されるので、周波数分周器とみなされ得る。重みは特定の出力に到達するまで、1/2分周器の数に対応している。例えば、出力C64における信号は、カウンタ300の重み2^4=16に対応し、したがって、それはC4/16の信号比の割合で変化する。同様に、出力C32ではカウンタ重み2^3=8に対応し、したがってC4/8の信号比でトグルする。図は1/4周期クロックC4に基づいているが、それは任意の種類のクロックであり得る。例えば、入力クロックとしてC2が用いられている場合、出力クロックのラベル付けが2xの分シフトすることになる(すなわち、C8はC4になり、C16はC8になる、など)。なぜなら分周係数はクロック間の比(例えば、C8/C4は2での除算である)によって定められるためである。リップリング効果のために図3に係るカウンタは同期カウンタではなく、そのため本発明で提案する概念の一実施形態ではないことも留意され得る。
図4は、図3に係る従来のカウンタのタイミング図400を示している。クロック信号C4、及びダイレクト出力信号C8、C16、C32、C64(カウンタDFFの出力)並びにリタイミング用DFFの出力信号C8retimed、C16retimed、C32retimed、C64retimedの間の関係は明確に識別され得る。周波数分周フリップフロップを通した伝播遅延tpgは、この例では4*tpgがTcycle-tsetup未満に留まるように分周器チェーンを通して合計され、ここで、Tcycle(=1/C4)は入力クロック(ここではC4)のサイクルタイムであり、tsetupはレイヤ316上のリップルカウンタの出力をリタイムするリタイミングラッチのセットアップタイムである。リタイミングは、レイヤ316のリップルカウンタの出力の同期した動作を確立するために必要である。レイヤ318上のリタイムされた出力は互いに対して及びまた入力クロックに対して(ただしリタイミングラッチを通した伝播遅延に起因する固定オフセットを持つが)同期されている。この種類の同期は、条件4tpg+tsetup<Tcycleが満たされているために機能するというだけであり、したがって、レイヤ316上の全てのリップルカウンタ出力は、入力クロックC4の同じ半サイクル内で、ずれた状態で、生じる。増加した入力周波数C4又は過度に長いtpgのいずれもタイミングに違反することになり、同期の失敗をもたらし得る。なぜならいくつかのリップルカウンタ出力が入力クロックの他方の半サイクル内で生じ得、リタイミングラッチによって正しく捕捉されないであろうためである。
時間tpgは、ステージごとに追加され、クロック信号周波数C4から独立してカスケードされるステージ数が制限される。それらはすぐにそれぞれのリタイミングラッチのセットアップタイムに重複する、又は入力クロックの次の半サイクルに入りさえし、その結果リタイミングラッチが正しくそれらをリタイムしないということになり得る。
図5は、提案する方法においてステージ312、314の2つが接続されているカウンタ回路500の一実施形態を示している。これは同期カウンタに向けた第1の段階を表している。このカウンタは、ステージ312の出力がステージ314の分周器フリップフロップの入力に直接接続されているというアーキテクチャ上の変化を有する。特に、レイヤ318のリタイミング用フリップフロップが、フリップフロップのカウンタレイヤ316の分周器フリップフロップに接続されている(504)。加えて、レイヤ318内のステージ312のリタイミング用DFFの出力が、レイヤ502内の同じステージ312の別のリタイミング用DFFの入力に接続されている。
これら2つの変化(すなわち、分周器チェーン304からのリップル接続を断つこと及びレイヤ502内に別のリタイミングステージを導入すること)の正味は、C32及びC64の出力が互いに同期している(すなわち、それらが同時に状態を変化させる)ことである。
それらが同期されている理由は2重である:リップル接続が断たれており、前の(すなわちステージ312の)リタイムされた分周器の出力を、カウンタ(すなわちレイヤ316の分周器チェーンのFF)の最後の重みの入力へフィードすることによって置き換えられているので、最後の分周器の出力は、最後の分周器(ステージ314、レイヤ316)を通した1つの伝播遅延の分、DFFによってオフセットされている。伝播遅延におけるこの差異を補償するために、1つのカウンタ重みを除いた最後のステージ(312)の既にリタイムされた出力が、ステージ312/レイヤ502のDFFによって、もう一度リタイムされる。そしてこれが、出力C32及びC64を互いに同期させる。なぜなら、DFFステージ312/レイヤ502が最後のステージ(ステージ314/レイヤ316)のリタイミング用DFFと同じタイミングを発生させるので、それらの伝播遅延は同じであるためである。
図5において、下位の重み(C8、C16)のリタイミングも複製され上方(ステージ308、310、レイヤ502)へ移動されているので、カウンタ重みC32及びC64の最後のリタイミング用DFF(ステージ312及び314の最も上のもの)が一種の階段を構築していることが示されている。第1レイヤのリタイミング用DFF(ステージ308,310/レイヤ318)を第2レベルのリタイミング用DFF(レイヤ502)へと複製することは、4b同期カウンタデバイスを導出するこの段階では機能の観点からはC8及びC16にとって必要ない。なぜならそれらの出力C8及びC16は依然第1及び第2ステージ308、310の間でのリップルカウンタ接続に影響されており、かつC32及びC64に同期していないからである。
図6は図5に係るカウンタ回路のタイミング図600を示している。ここでは、状況は図4のものとは異なる。図示のために、C4サイクルタイムは図4と同じく示されているが、伝播遅延が増加されている。これは所与の伝播遅延値に対するデータレートを増加させること(それは実際に発生することだが、図において描写するのはより困難である)と挙動の観点で同じである。分周器のC64が次のC4サイクルに入り、したがって第1レベルのリタイミングが失敗することになることが示されている。リップル接続を断ち、かつさらなる第2レベル(図5、502を比較せよ)のリタイミング用DFFを導入することで、分周されたクロックが第2のリタイミングの後に再び同期されるように、それらが再配列され得る。これは第1伝播遅延の合計が入力クロックサイクルタイムよりも小さいということによってのみ可能である。もう一度データレートを増加させれば、(又は極端には、図で示されているように、同じC4の入力周波数で伝播遅延を増加させれば、)同期を崩すであろう。図6の上付き文字「1」は図3の分周器チェーン304を指し、一方で上付き文字「2」は図5の分周器チェーン304を指す。
図7は、本発明で提案する方法においてステージのうちの3つが接続されているカウンタ回路700の一実施形態を示している。ここで、カウンタ入力C16は、既に同期されたC32及びC64に同期されている。分周器ステージ308及び310のために、レイヤ702においてリタイミング用DFFの別のレイヤが導入されている。上記で説明されたものと同じ原理が、ステージ310及びステージ312の間のリップルカウンタ接続を断つことで用いられている。それはリタイミングレイヤ318/ステージ310からステージ312への接続704によって置き換えられている。
図8は図7に係るカウンタ回路のタイミング図800を示している。ここでは、リタイミング深度がレイヤ702における追加のDFFによって増加している。上付き文字「3」は図7の回路を指す。このリタイミングは「C64retimed1」及び「C32retimed2」を「C16retimed3」及び「C8retimed3」と再配列している。このリタイミングがなければ、C64及びC32はC16とは異なるC4の半サイクルにあり、したがって適切な同期が可能ではないであろうことに留意されたい。図5及び図7のそれぞれの回路は、伝播遅延が、C8及びC16が同じC4の半サイクルにあるようなものであることによってのみ完全に同期されることが可能である。
図9は、提案する方法において4つ全ての分周器ステージが接続されている時間同期された出力を持つ同期分周器回路900の一実施形態を示している。図7と比較して、上記でC16、C32、C64に適用された段階が繰り返され、そして、これにより図9に示されているアーキテクチャを生ずる。リタイミングレベル702及び902に分周器ステージ308の最終リタイミングステージが追加されており、その結果今や階段状の設計が明らかとなっている。ここで、ステージ308及び310も前述した方法で接続されている(904)。
リップルカウンタを非同期カウンタに変換するという適用された原理は、任意の数のカウンタビット又は周波数分周比に適用することができる。実用的な実装においては、追加的に導入されたリタイミングステージに起因して高まる入力クロック負荷によって制限が与えられ得る。しかしながら、その潜在的な弱点をそれぞれのドライバが対処し得る。
図10は、図9に係るカウンタ回路のタイミング図1000を示している。図9に係るカウンタは、最大のリタイミング深度を用いており、その結果C4の半サイクルが単一の分周器の伝播遅延と同じ短さであることが可能なので、最高の入力周波数で動作させることが可能である。前のリタイミングのアプローチとは対照的に、それは異なるリタイミングステージ(レイヤ902)で実装されており、タイミング図中で上付き文字「4」で示されており、図9の一番上のDFF(リタイミングレイヤ902)に対応している。
図9及び図10のタイミング図に係る最終4ビットの同期された分周器は、1/(tpg+tsetup)付近の周波数で動作させることができ、ここで、tpgはDFFの伝播遅延であり、tsetupは次のカウンタ重みすなわち次の分周器ステージのDFFのセットアップタイムである。
同期が構築される方法により、最高の動作周波数は分周比(例えば、2^N)に対し独立であり、実際には入力クロックが駆動する必要のある負荷によってのみ制限されることが明らかになる。
図11は、同期カウンタのさらに発展した形態で用いられる強化Dフリップフロップの一実施形態1100を示している。フリップフロップ1108は図2より既知である。それは一次ラッチ1114及び二次ラッチ1116を示している。しかしながら、ここでは、リセット信号の放出後にDフリップフロップがそのカウント又は分周を再開できるように、差動リセット信号入力RST_N及びRST_P並びにリセット後にセットされる値のための値入力がある。リセット入力RST_N及びRST_P、並びに差動値入力RST_VN及びRST_VPが、それぞれ示されているように、パスゲートトランジスタ1110及び1112にフィードされている。
これには、二次ラッチ1116がトランスペアレントになる立ち下がり入力クロックエッジで、リセット信号が生じる必要がある。立ち下がりクロックエッジがゲーティングされ(すなわち一次ラッチの出力を二次ラッチの入力へと伝達するパスゲートがオフになり導電しない)、(制御信号RST_N及びRST_Pによってイネーブルされる)リセット信号の印加に属する関係するパスゲートがイネーブルされ、かつ二次ラッチ1116のクロックに属する他のパスゲートがクロックゲーティングによって無効化されるので、値RST_VP及びRST_VNが二次ラッチのデータを上書きする。リセット機能性が一次ラッチ1114に適用され、かつリセット信号が立ち上がりクロックエッジで生じる場合、類似の実装が着想され得る。
さらに、Dフリップフロップで用いられた記号の回路同等物が示されている:その通常の出力Qを持ち、1/2周波数分周器、そのリセット入力R及びそのリセット値入力RVとして構成されている、CPLロジックにおける完全なDフリップフロップ1102の記号。追加的に、用いられているインバータが回路同等物1104並びに差動制御入力がゲートに接続されている2つのトランジスタを基本的に含むパスゲート1106、として示されている。
図12は、図11に係る修正されたDフリップフロップを用いた3ビット同期カウンタのカウンタ1200の一実施形態を示している。基本の構成はステージ310、312、314を持つ図7から既知である。しかしながら、ここではフリップフロップは図11の形式で示されている。記号的には、そしてこの図中の全てのDフリップフロップに当てはまるのだが、一番上のDFFは、リセット入力Rに1204、リセット値入力1208、及びクロック入力D1206の参照数字を用いて示されている。この図中の全てのDFFがセット値RV1、RV2、...RV9のための追加の値を有することにも留意されたい。したがって、カウンタ1200へのリセット後に、DFFの各々がカウンタ値について必要に応じて「0」又は「1」にセットされ得る。
図12のこの実施形態は、明確に定められたカウンタの状態からカウントを再開するためにリセット機能性が必要となる同期カウンタのための応用に役立ち得る。図12はそのようなリセット機能性を持つ同期3ビットカウンタの例示的拡張を示している。高次の観点から見れば、リセットは、入力クロックのゲーティング後に、同期カウンタの個々のDフリップフロップにリセット状態を適用し、リセット信号がデアサートされるとその明確に定められたリセット状態からカウントが再開されるようにすることによって実装されている。ゲーティング回路は、入力値としてクロックCK_IN及びリセット信号RSTを有し、CK信号をこの図の全てのDFFに出力するインバータが後に続く、1202として示されている。
図12に係る、リセット可能DFFを用いた例示的なリセット可能3ビットカウンタ1200が次に説明される。カウンタ1200のトポロジー及び相互接続はリセット可能でない同期3ビットカウンタと同一である。唯一の相違点は、クロックゲーティング回路(ここではNANDゲートを用いて実装されている)、及び、個々のDフリップフロップのR及びRVx入力である。Rはリセット信号を表し、RVxはRが1204でアサートされたときに、「x」で示されているDフリップフロップがリセット状態でとる値を表している。信号RV1、...RV9は各々互いに独立であり、それぞれ論理0又は論理1のいずれかであり、RST信号がアサートされた場合にエンコードされたリセット状態を表す。信号RV1、...、RV9は、リセット信号RST(図11に係る差動Dフリップフロップ中のRST_N、RST_Pで示されている)がデアサートされると、そこからカウンタ1200がカウントを再開するはずのDフリップフロップの論理状態を表している。
リセット可能な同期された3ビットカウンタ1200の模式図は左上側に破線ボックスを含む。このボックスは、冗長であり得かつ省略され得る回路部分を識別している。ボックスがLSB(最下位ビット)パイプライン(すなわち、カウンタのLSB重みが図12の図中で上向きに伝播している分周器ステージ)の列で生じているのが、その理由である。LSBは2の周期を有するので、LSB列中のカウンタ1200の状態は、2LSBクロックサイクル(すなわち、4入力クロックサイクル)の後に繰り返す。そのため、出力DOUT<0>は、図中でボックスの真下に位置するそれぞれのDフリップフロップ出力から、情報を失うことなく既に取得されていることができる。カウンタ1200のより高い重みに対しては、LSB+1の周期は4LSBクロックサイクル(すなわち、8入力クロックサイクル)である等となる。省略され得る冗長な部分に関するこの言明は、リセット可能でないカウンタにもまた当てはまることにも留意されたい。
図13は、図12に係る、3ビット同期カウンタの選択された信号のタイミング/タイミング図を示している。波形図1300は、リセット信号RSTのアサーションが入来するクロックCK_INのゲーティングをもたらし、カウンタ出力DOUT<0>、DOUT<1>、及びDOUT<2>がゼロにリセットされる一方、RSTのデアサーションがクロックを再びイネーブルし、その結果RV1、...、RV9のリセット値がリセット段階の間にカウンタの状態をセットしたところから、カウンタがカウントを再開することを示している。
本発明で提案する時間同期された出力を持つ同期分周器回路は広範な異なるより複雑な回路、数例を挙げるとすなわち、高速通信リンクのシリアライザ/デシリアライザ(SERDES)、送受信機(例えば5G通信規格における送信機/受信機)、マルチプレクサ及びデマルチプレクサ並びにPLLプリスケーラ回路、でも用いられ得るということにも留意されたい。
本発明の様々な実施形態の記載は、図示の目的で提示されてきたが、網羅的であること、又は、開示される実施形態に限定されることを意図するものではない。説明された実施形態の範囲及び趣旨から逸脱することなく、多くの修正及び変形が、当業者には明らかになるであろう。本明細書において用いられる用語は、実施形態の原理、実用的な応用又は市場で見られる技術に対する技術的改善を最も良好に説明し、又は本明細書において開示される実施形態を他の当業者が理解することを可能にするように選択されている。
本発明の態様は、本発明の実施形態に係る方法、装置(システム)、及びコンピュータプログラム製品のフローチャート図及び/又はブロック図を参照して、本明細書で説明されている。フローチャート図及び/又はブロック図の各ブロック、及び、フローチャート図及び/又はブロック図におけるブロックの組み合わせは、コンピュータ可読プログラム命令によって実装可能であることが理解されるであろう。
本明細書で用いられている用語は特定の実施形態を説明することのみを目的としており、本発明を制限することを意図するものではない。本明細書で用いられている場合、そうでないと明確に文脈が明示していない限りは、単数形の「a」、「an」及び「the」は複数形も含むことを意図している。「備える、有する、含む(comprises)」及び/又は「備える、有する、含む(comprising)」という用語は、本明細書において用いられている場合、言及された特徴、整数、段階、操作、要素及び/又はコンポーネントの存在を指定するが、1又は複数の他の特徴、整数、段階、操作、要素、コンポーネント及び/又はそれらの群の存在又は追加を排除するものではない、ということがさらに理解されるであろう。
下記の特許請求の範囲中の対応する構造、素材、アクション、及び全てのミーンズプラスファンクション要素又はステッププラスファンクション要素の均等物は、他の特許請求されている要素との組み合わせにおいて機能を実行するための任意の構造、素材、又はアクションを、具体的に特許請求されているものとして、含むことが意図されている。本発明の説明は、図示及び説明の目的で提示されてきたが、網羅的であること、又は開示された形態の発明に限定されることを意図するものではない。多くの修正及び変形は、本発明の範囲及び趣旨から逸脱することなく、当業者にとっては明らかであろう。実施形態は、本発明の原理及び実用的な応用を最も良好に説明し、他の当業者が、想起される特定の用途に適するように様々な修正が加えられた様々な実施形態に関して、本発明を理解することを可能とするために、選択及び説明されている。
まとめると、本発明概念は下記によって要約され得る。
Dフリップフロップ回路及びそれぞれのリタイミング用フリップフロップ回路を各々有する複数の分周器ステージを備え、ここで現分周器ステージの前記リタイミング用フリップフロップ回路の出力端子が次の分周器ステージの前記Dフリップフロップ回路の入力に接続されており、前記現分周器ステージが追加リタイミング用フリップフロップ回路を含み、前記現分周器ステージの前記リタイミング用フリップフロップ回路の前記出力端子が前記現分周器ステージの前記追加リタイミング用フリップフロップ回路の入力端子に接続されており、その結果前記現分周器ステージの前記追加リタイミング用フリップフロップ回路の出力信号及び前記次の分周器ステージの前記リタイミング用フリップフロップ回路の出力端子が互いに対して時間同期されている、時間同期された出力を持つ同期分周器回路。
入力クロック信号が全ての残りのフリップフロップのクロック入力端子に接続されている、一実施形態。複数の分周器ステージの数が2よりも大きい場合には、現分周器ステージのリタイミング用フリップフロップのそれぞれの出力信号は同期分周器回路を通ってカスケードされている、一実施形態。前記同期分周器回路がCPL技術、DPL技術、CMOSロジック技術又はバイポーラ技術を含む群から選択された1つの上に構築されている、一実施形態。前記Dフリップフロップの各々が、一次ラッチ、及び出力端子が前記一次ラッチの入力端子に交差するように接続されている二次ラッチを備える、一実施形態。前記Dフリップフロップの各々が、シングルエンドの形態で実装されており、インバータが前記Dフリップフロップの各々のD入力に接続されている、一実施形態。前記Dフリップフロップの各々が、シングルエンドの形態で実装されており、そして前記Dフリップフロップの反転された出力信号が前記Dフリップフロップの各々のそれぞれの入力に接続されている、一実施形態。前記Dフリップフロップの各々が差動クロック入力を含む、一実施形態。前記Dフリップフロップの各々が、インバータステージと共に実装されたシングルエンドのクロック入力を含む、一実施形態。前記リタイミング用フリップフロップの各々がDフリップフロップ又はラッチを含む、一実施形態。前記リタイミング用フリップフロップ及び前記Dフリップフロップの各々が、リセット入力及び値入力を含む、一実施形態。リセット信号によって制御されるように適合されたクロックゲーティング回路もさらに含む、一実施形態。前記同期分周器回路がアナログデジタル変換器回路に組み込まれている、一実施形態。前記同期分周器回路が高速リンクのための送受信機回路に組み込まれている、一実施形態。前記同期分周器回路がマルチプレクサ回路に組み込まれている、一実施形態。前記同期分周器回路がデマルチプレクサ回路に組み込まれている、一実施形態。前記同期分周器回路がPLLプリスケーラ回路に組み込まれている、一実施形態。
本発明の様々な実施形態の記載は、図示の目的で提示されてきたが、網羅的であること、又は、開示される実施形態に限定されることを意図するものではない。説明された実施形態の範囲から逸脱することなく、多くの修正及び変形が、当業者には明らかになるであろう。本明細書において用いられる用語は、実施形態の原理、実用的な応用又は市場で見られる技術に対する技術的改善を最も良好に説明し、又は本明細書において開示される実施形態を他の当業者が理解することを可能にするように選択されている。
Claims (18)
- 複数の分周器ステージ
を備え、前記複数の分周器ステージの各々はDフリップフロップ回路及びそれぞれのリタイミング用フリップフロップ回路を有し、ここで前記複数の分周器ステージのうちの現分周器ステージの前記リタイミング用フリップフロップ回路の出力端子が前記複数の分周器ステージのうちの次の分周器ステージの前記Dフリップフロップ回路の入力に接続されており、
前記複数の分周器ステージのうちの前記現分周器ステージが追加リタイミング用フリップフロップ回路を含み、前記複数の分周器ステージのうちの前記現分周器ステージの前記リタイミング用フリップフロップ回路の前記出力端子が前記複数の分周器ステージのうちの前記現分周器ステージの前記追加リタイミング用フリップフロップ回路の入力端子に接続されており、
前記複数の分周器ステージのうちの前記現分周器ステージの前記追加リタイミング用フリップフロップ回路の出力信号及び前記複数の分周器ステージのうちの前記次の分周器ステージの前記リタイミング用フリップフロップ回路の出力端子が互いに対して時間同期されている、
時間同期された出力を持つ同期分周器回路。 - 入力クロック信号が全てのフリップフロップのクロック入力端子に接続されている、請求項1に記載の同期分周器回路。
- 前記複数の分周器ステージの数が2よりも大きく、現分周器ステージのリタイミング用フリップフロップのそれぞれの出力信号が前記同期分周器回路を通ってカスケードされている、請求項1又は2に記載の同期分周器回路。
- 前記同期分周器回路がCPL(相補型パストランジスタ論理)技術、DPL(ダブルパストランジスタ論理)技術、CMOS(相補型金属酸化膜半導体)ロジック技術及びバイポーラ技術を含む群から選択された1つに基づき構築されている、請求項1又は2に記載の同期分周器回路。
- 前記Dフリップフロップ回路の各々が、一次ラッチ、及び前記それぞれの一次ラッチの入力端子に前記出力端子が交差するように接続されている二次ラッチを備える、請求項1又は2に記載の同期分周器回路。
- 前記Dフリップフロップ回路の各々がシングルエンドの形態で実装されており、インバータが前記Dフリップフロップ回路の各々のD入力に接続されている、請求項1又は2に記載の同期分周器回路。
- 前記Dフリップフロップ回路の各々がシングルエンドの形態で実装されており、前記Dフリップフロップ回路の反転された出力信号が前記Dフリップフロップ回路の各々のそれぞれの入力に接続されている、請求項1又は2に記載の同期分周器回路。
- 前記Dフリップフロップ回路の各々が差動クロック入力を備える、請求項1又は2に記載の同期分周器回路。
- 前記Dフリップフロップ回路の各々が、インバータステージと共に実装されたシングルエンドのクロック入力を備える、請求項1又は2に記載の同期分周器回路。
- 前記リタイミング用フリップフロップ回路の各々がDフリップフロップを備える、請求項1又は2に記載の同期分周器回路。
- 前記リタイミング用フリップフロップ回路の各々がラッチを備える、請求項1又は2に記載の同期分周器回路。
- 前記リタイミング用フリップフロップ回路及び前記Dフリップフロップ回路の各々が、リセット入力及び値入力を備える、請求項1又は2に記載の同期分周器回路。
- リセット信号によって制御されるように適合させたクロックゲーティング回路
をさらに備える、請求項1又は2に記載の同期分周器回路。 - 前記同期分周器回路がアナログデジタル変換器回路に組み込まれている、請求項1又は2に記載の同期分周器回路。
- 前記同期分周器回路が高速リンクのための送受信機回路に組み込まれている、請求項1又は2に記載の同期分周器回路。
- 前記同期分周器回路がマルチプレクサ回路に組み込まれている、請求項1又は2に記載の同期分周器回路。
- 前記同期分周器回路がデマルチプレクサ回路に組み込まれている、請求項1又は2に記載の同期分周器回路。
- 前記同期分周器回路がPLL(位相同期ループ)プリスケーラ回路に組み込まれている、請求項1又は2に記載の同期分周器回路。
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