JP3191212B2 - 周波数倍加回路 - Google Patents

周波数倍加回路

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JP3191212B2
JP3191212B2 JP03917698A JP3917698A JP3191212B2 JP 3191212 B2 JP3191212 B2 JP 3191212B2 JP 03917698 A JP03917698 A JP 03917698A JP 3917698 A JP3917698 A JP 3917698A JP 3191212 B2 JP3191212 B2 JP 3191212B2
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    • HELECTRICITY
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    • H03L7/06Automatic control of frequency or phase; Synchronisation using a reference signal applied to a frequency- or phase-locked loop
    • H03L7/08Details of the phase-locked loop
    • H03L7/081Details of the phase-locked loop provided with an additional controlled phase shifter
    • H03L7/0812Details of the phase-locked loop provided with an additional controlled phase shifter and where no voltage or current controlled oscillator is used
    • H03L7/0814Details of the phase-locked loop provided with an additional controlled phase shifter and where no voltage or current controlled oscillator is used the phase shifting device being digitally controlled

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  • Nonlinear Science (AREA)
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  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高周波クロック信
号を発生させる周波数倍加回路に係るもので、特に、D
LL(Delay Locked Loop)を用いて構造を簡素化し、動
作の安定性を図り得る周波数倍加回路に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、技術の発展に伴って高周波回路が
多く使用されるようになり、これに伴い、高い周波数の
クロック信号が必要となったが、この高い周波数を水晶
振動方式により発生させると、ジッタ(jitter)が甚だ
しくなるため、通常、中間周波数を生成した後、該中間
周波数を倍加させる方式が広く用いられている。
【0003】中間周波数を倍加させる装置として周波数
倍加回路がある。この周波数倍加回路は、メモリ、マイ
クロプロセッサ、ビデオ、及びオーディオなどに用いら
れる高周波のクロック信号を生成するために、クロック
復旧回路としてチップ上に形成されて用いられる。この
ため、周波数倍加回路は構造の簡素化及び動作の安定性
が非常に重要な要素となっている。
【0004】周波数倍加回路は、PLL(Phase Locked
Loop)を用いた周波数倍加回路と、DLL(Delay Lock
ed Loop)を用いた周波数倍加回路とに大別される。PL
Lを用いた従来の周波数倍加回路の一例を図4に示す。
この周波数倍加回路は、入力信号の周波数f1と該入力
信号のフィードバック信号の周波数との差を検出する位
相周波数検出器(Phase Frequency Detector:PFD)
10と、該位相周波数検出器10で検出された周波数の
差に応じた制御信号を出力するループフィルター(Loop
Filter ;LF)11と、該ループフィルター11から
出力される制御信号により発振され、入力する制御信号
に応じた周波数の信号を出力する電圧制御発振器(Volt
age controlled Oscillator ;VCO)12と、該電圧
制御発振器12から出力された信号の周波数を1/2分
周して前記位相周波数検出器10にフィードバックさせ
る分周器13と、から構成されていた。
【0005】入力信号とフィードバック信号の位相差を
検出する位相検出器(Phase Detector;PD)として
は、排他的ORゲートを用いることが最も構造を簡略化
することができる。排他的ORゲートは入力信号の持続
時間(duration)内の情報から位相を検出するものであ
るが、入力信号のデューティ比が50%であることが要
求される。しかしながら、通常、入力信号として用いら
れる信号の大部分は持続時間のデューティ(duty)比が
50%にならないため、該排他的ORゲートのデューテ
ィ比に合わないという不都合があった。そこで、このよ
うな不都合を解消するために、持続時間のデューティ比
が合わない場合であっても、各上昇エッジ間又は下降エ
ッジ間の持続時間が同様であるエッジトリガー(edge t
riggered)方式の位相検出器PDが使用され、その中で
も前記位相周波数検出器10が主に使用されていた。
【0006】更に、前記ループフィルター11は、MO
SFETゲートのキャパシタと、n−ウェルの抵抗と、
を備えており、ジッタの問題を解決するため、容量の大
きいキャパシタを用いていた。そして、前記分周器13
としては、簡単なTフリップフロップが用いられてい
た。
【0007】以下、このように構成されたPLLを用い
た周波数倍加回路の動作について説明する。先ず、周波
数f1を有する信号が入力されると、位相周波数検出器
10は入力信号の周波数f1と該入力信号のフィードバ
ック信号の周波数との差を検出してループフィルタ11
に出力し、該ループフィルター11は、検出された周波
数の差に応じた制御信号を出力する。このとき、前記ル
ープフィルタ11はローパスフィルタとして機能し、回
路の安定性を保障する役割をする。
【0008】次いで、電圧制御発振器12は前記ループ
フィルタ11が出力した制御信号により発振され、前記
制御信号に応じた周波数を有する信号を出力する。分周
器13は前記電圧制御発振器12から出力された信号の
周波数を1/2分周して位相周波数検出器10にフィー
ドバックさせる動作を反復する。その後、入力信号及び
フィードバックされた信号が正確にロッキングされる
と、前記電圧制御発振器12から出力された信号は入力
信号に比べ2倍の周波数2f1を有するようになる。
【0009】しかし、このような従来のPLLを用いた
周波数倍加回路においては、PLL回路自体を安定化さ
せるため、ループフィルタ11内に容量の大きいキャパ
シタを取付ける必要があったため、この容量が大きいキ
ャパシタがレイアウト上広い面積を占めて、小型の周波
数倍加回路を設計するときに不利な点となっていた。ま
た、従来のPLLを用いた周波数倍加回路には、必ず電
圧制御発振器VCOが使われていた。該電圧制御発振器
VCOとしては、主に、電流抑制リング発振器(Curren
t starved ring oscillator)や可変キャパシタリング
発振器(Variable capacitor ring oscillator)等が用
いられる。前記電流抑制リング発振器は、動作範囲は広
いが、ブーストアップ(boost-up) 回路を必要とし、線
形性が劣る。又、前記可変キャパシタリング発振器は、
雑音の除去効果を有するが、付加的な回路(バイアスレ
プリカ回路;bias replca circuit、供給独立回路;su
pply independent circuit等)を必要とする。
【0010】即ち、前記電圧制御発振器VCOは、安定
的な動作を行うために多様な付加的回路を必要とし、そ
のために、構造が複雑となり、かつ、雑音が発生すると
いう問題点があった。そこで、このような従来のPLL
構造の採用に伴う構造の複雑性及び雑音発生を克服する
ため、以下に説明するDLLを用いた周波数倍加回路が
開発され、用いられていた。
【0011】DLLを用いた従来の周波数倍加回路の一
例を図5に示す。この周波数倍加回路は、入力信号f1
とフィードバックされた信号との位相差を検出する位相
周波数検出器20と、該位相周波数検出器20で検出さ
れた位相差に応じた制御信号を出力するループフィルタ
21と、該ループフィルタ21からの制御信号に応じて
入力信号の遅延率を可変させて該位相周波数検出器20
にフィードバックさせる電圧制御遅延器(voltage cont
rolled delay;VCD)22と、排他的ORゲート23
と、から構成されていた。
【0012】電圧制御遅延器22は、インバーターの役
割をする4個の単位遅延セルDC1〜DC4を直列に備
えていた。以下、このように構成されたDLLを用いた
従来の周波数倍加回路の動作について説明する。先ず、
周波数f1を有する信号が入力されると、位相周波数検
出器20は入力信号f1とフィードバックされた信号
(電圧制御遅延器22の単位遅延セルDC4の出力)と
の位相差を検出してループフィルタ21に出力し、ルー
プフィルタ21は検出された位相差に応じた制御信号を
電圧制御遅延器22に出力する。
【0013】次いで、電圧制御遅延器22を構成する4
個の単位遅延セルDC1〜DC4は、前記ループフィル
タ21から出力された制御信号に応じて、前記入力信号
f1の遅延率を調整して位相に変化を与える。即ち、4
個の単位遅延セルDC1〜DC4は入力信号の1周期を
四つに分周した位相信号を夫々出力し、前記入力信号f
1と1/4周期の差を表す単位遅延セルDC1の出力と
を排他的ORゲート23で排他的論理和演算して、2倍
の周波数2f1を有する信号を得る。このとき、前記排
他的ORゲート23の入力は入力信号f1と単位遅延セ
ルDC1の出力とに限定されず、1/4周期の差を表す
単位遅延セルDC1〜DC4の何れかの出力を入力に用
いることができる。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】然るに、このようなD
LLを用いた従来の周波数倍加回路は、PLLを用いた
周波数倍加回路と比べ、その構造は簡単であるが、排他
的ORゲート23を備えているため、先に述べたような
デューティ比の問題点を解決することができず、また、
ジッタが発生するため、周波数倍加回路の性能に大きな
支障をもたらしていた。このジッタを除去するためには
別の回路を必要とするという問題点があった。
【0015】本発明の目的は、以上のような従来の周波
数倍加回路の問題点に鑑みて、DLLの構造が有する構
造上の単純性及び動作の安定性を損なうことなく、デュ
ーティ比の問題を解決し、簡単で信頼性のある周波数倍
加回路を提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るため、請求項1の発明に係る周波数倍加回路において
は、入力信号(f1)とフィードバック信号との位相差
を検出する位相差検出器(30)と、該位相差検出器
(30)で検出された位相差に応じた制御信号を出力す
るループフィルタ(31)と、第1及び第2の差動遅延
セル(DDC1,DDC2)を従属接続して形成され、
前記ループフィルタ(31)から出力された制御信号に
より前記入力信号(f1)の遅延率を変化させて前記フ
ィードバック信号を生成し、当該フィードバック信号を
前記位相差検出器(30)に出力する電圧制御遅延器
(32)と、該電圧制御遅延器(32)から順次出力さ
れる4つの分周信号のうちの1番目と2番目の一対の出
力信号を受けて25%のデューティ比信号を出力する第
1SRフリップフロップ(33)と、前記電圧制御遅延
器(32)から順次出力される4つの分周信号のうちの
3番目と4番目の一対の出力信号を受けて25%のデュ
ーティ比信号を出力する第2SRフリップフロップ(3
4)と、前記第1及び第2SRフリップフロップ(3
3、34)の各出力を論理和演算して50%のデューテ
ィ比信号を出力するORゲート(35)と、から構成さ
れている。
【0017】請求項2に記載の発明のように、前記第1
差動遅延セル(DDC1)は、前記1番目と3番目の分
周信号を発生し、前記第2差動遅延セル(DDC2)
は、前記2番目と4番目の分周信号を発生する構成であ
る。
【0018】具体的には、請求項3に記載のように、前
記第1及び第2差動遅延セル(DDC1、DDC2)
は、それぞれ、2個のNMOSトランジスタ(1、2)
が、一端が接地された電流源の他端に対称に接続され、
電源電圧(Vcc)端子とそれら2個のNMOSトラン
ジスタ(1、2)の間に前記ループフィルタ(31)か
らの制御信号によりスイッチングされる2個のPMOS
トランジスタ(3、4)がそれぞれ接続され、第1差動
遅延セル(DDC1)は、一方のNMOSトランジスタ
(1)のゲートに前記入力信号(f1)が印加され、他
方のNMOSトランジスタ(2)のゲートに第2差動遅
延セル(DDC2)の前記2番目の分周信号が印加さ
れ、NMOSトランジスタ(1)とPMOSトランジス
タ(3)の接続点から前記1番目の分周信号を発生し、
NMOSトランジスタ(2)とPMOSトランジスタ
(4)の接続点から前記3番目の分周信号を発生する構
成であり、第2差動遅延セル(DDC2)は、一方のN
MOSトランジスタ(1)のゲートに第1差動遅延セル
(DDC1)の前記1番目の分周信号が印加され、他方
のNMOSトランジスタ(2)のゲートに第1差動遅延
セル(DDC1)の前記2番目の分周信号が印加され、
NMOSトランジスタ(1)とPMOSトランジスタ
(3)の接続点から前記2番目の分周信号を発生し、N
MOSトランジスタ(2)とPMOSトランジスタ
(4)の接続点から前記4番目の分周信号を前記フィー
ドバック信号として発生する構成である
【0019】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を説明
する。本実施形態に係る周波数倍加回路は、図1に示す
ように、入力信号f1と後述する電圧制御遅延器32か
らフィードバックされた信号との位相差を検出する位相
差検出器としての位相周波数検出器30と、該位相周波
数検出器30で検出された位相差に応じた制御信号を出
力するループフィルタ31と、該ループフィルタ31か
らの制御信号に応じて入力信号の遅延率を変え、位相周
波数検出器30にフィードバックさせる前述の電圧制御
遅延器32と、該電圧制御遅延器32から順次出力され
る4つに分周された信号のうちの一対の出力信号を受け
て25%のデューティ比の信号を出力する第1SRフリ
ップフロップ33と、前記電圧制御遅延器32から順次
出力される4つに分周された信号のうちの一対の出力信
号を受けて25%のデューティ比の信号を出力する第2
SRフリップフロップ34と、それら第1及び第2SR
フリップフロップ33、34の各出力を論理和演算して
50%のデューティ比の信号を出力するORゲート35
と、から構成されている。
【0020】前記電圧制御遅延器32は、2個の第1及
び第2差動遅延セルDDC1、DDC2を従属接続して
形成され、各差動遅延セルDDC1、DDC2は、入出
力が異なるだけで同様の構成であり、図2に示すよう
に、2個のNMOSトランジスタ1、2が、一端が接地
された電流源の他端に対称に接続され、電源電圧Vcc
端子と2個のNMOSトランジスタ1、2との間に夫々
ループフィルタ31からの制御信号によりスイッチング
される2個のPMOSトランジスタ3、4が接続されて
構成されている。このように、差動遅延セルを用いるこ
とにより、図5に示した従来の周波数倍加回路において
用いられていた単位遅延セルDC1〜DC4よりも遅延
セルの個数を減らすことができる。
【0021】各作動遅延セルDDC1、DDC2の構成
を更に具体的に説明する。前段側の第1差動遅延セルD
DC1は、NMOSトランジスタ1のゲートに入力信号
f1が信号Aとして印加し、NMOSトランジスタ2の
ゲートに後段側の第2差動遅延セルDDC2からの2番
目の分周信号A″が信号Bとして印加する。そして、N
MOSトランジスタ1とPMOSトランジスタ3の間の
接続点と、NMOSトランジスタ2とPMOSトランジ
スタ4の間の接続点とからそれぞれ1番目の分周信号
A′及び3番目の分周信号B′を出力する。後段側の第
2差動遅延セルDDC2は、図示しないが、第1差動遅
延セルDDC1の前記1番目の分周信号A′がNMOS
トランジスタ1のゲートに印加し、3番目の分周信号
B′がNMOSトランジスタ2に印加する。そして、N
MOSトランジスタ1とPMOSトランジスタ3の間の
接続点と、NMOSトランジスタ2とPMOSトランジ
スタ4の間の接続点とから、それぞれ2番目の分周信号
A″及び4番目の分周信号分B″を出力する。そして、
第2差動遅延セルDDC2の4番目の分周信号B″は、
フィードバック信号として位相周波数検出器30に出力
される。また、前段の差動遅延セルDDC1の分周信号
A′、B′は、第1SRフリップフロップ33と第2S
Rフリップフロップ34のR端子にそれぞれ入力し、後
段の差動遅延セルDDC2の分周信号A″、B″は、第
1SRフリップフロップ33と第2SRフリップフロッ
プ34のS端子にそれぞれ入力するよう構成されてい
る。
【0022】ループフィルタ31としては簡単なキャパ
シタを使用することができる。このように構成された本
実施形態に係る周波数倍加回路の動作を説明する。先
ず、周波数f1を有する信号が入力されると、位相周波
数検出器30はこの入力信号f1と電圧制御遅延器32
を介してフィードバックした信号との位相差を検出して
ループフィルタ31に出力し、該ループフィルタ31は
検出された位相差に応じた制御信号CSを電圧制御遅延
器32に出力する。
【0023】次いで、電圧制御遅延器32の2個の差動
遅延セルDDC1、DDC2は、ループフィルタ31か
ら出力された制御信号CSにより動作電圧を調節してP
MOSトランジスタ3,4のターンオン程度が調節され
て基本遅延量を調節する。このように、周波数が全体的
に調節された後に電圧制御遅延器32から出力される信
号、即ち、差動遅延セルDDC2から出力される4番目
の分周信号B″が、フィードバック信号として位相周波
数検出器30に入力される。この過程は、全体のループ
がロッキングされるまで反復される。
【0024】このとき、入力信号f1とフィードバック
された信号、即ち、差動遅延セルDDC1の入力信号と
電圧制御遅延器32の出力信号がロッキングされると、
電圧制御遅延器32は1周期の信号が4つに分周された
信号を順次出力する。即ち、差動遅延セルDDC1は1
周期を4つに分周した1/4周期信号のうちの1番目の
1/4周期信号(信号A′)を第1SRフリップフロッ
プ33のR端子に、3番目の1/4周期信号(信号
B′)を第2SRフリップフロップ34のR端子にそれ
ぞれ出力する。また、差動遅延セルDDC2は1周期を
四つに分周した1/4周期信号のうちの2番目の1/4
周期信号(信号A″)を第1SRフリップフロップ33
のS端子に、4番目の1/4周期信号(信号B″)を第
2SRフリップフロップ34のS端子にそれぞれ出力す
る。
【0025】このように、第1SRフリップフロップ3
3は、電圧制御遅延器32の差動遅延セルDDC1から
の出力信号をうけて、図3(A)に示すように、25%
のデューティ比を有する信号を出力し、第2SRフリッ
プフロップ34は電圧制御遅延器32の差動遅延セルD
DC2からの出力信号を受けて、図3(B)に示すよう
に25%のデューティ比を有する信号を出力する。
【0026】次いで、ORゲート35は25%のデュー
ティ比を有する、第1及び第2SRフリップフロップ3
3、34からの出力信号を論理和演算して、図3(C)
に示すように、50%のデューティ比を有する倍加され
た信号2f1を生成する。本実施形態に係る周波数倍加
回路によれば、図5に示した従来の周波数倍加回路とは
異なり、電圧制御発振器を用いていないため、雑音の発
生を減少させることができる。また、SRフリップフロ
ップを用いているため、DLL周波数倍加回路に特有の
デューティ比の問題を解消することができる。
【0027】
【発明の効果】以上説明したように、請求項1〜3に記
載の本発明に係る周波数倍加回路においては、電圧制御
発振器のないDLL構造を有しているため、構造が簡単
で、回路の安定性(PLLに比べPoleが小さい)を
図ることができる。また、ループフィルタとして簡単な
キャパシタを用いることができるため、レイアウト上占
有面積を減らし得るという効果がある。
【0028】又、電圧制御発振器を使用しないため、雑
音の発生が減少する。更に、SRフリップフロップを用
いるため、DLL周波数倍加回路のデューティ比問題を
解決し得るという効果がある。更に、遅延セルを差動的
に構成して遅延セルの数を減らし、差動方式の回路が有
する電源雑音の除去効率を最大に発揮して性能の向上を
図り得るという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る周波数倍加回路の構
成図である。
【図2】図1に示した周波数倍加回路において用いられ
る差動遅延セルの回路詳細図である。
【図3】図1に示した周波数倍加回路における各SRフ
リップフロップとORゲートの入出力波形図である。
【図4】PLLを用いた従来の周波数倍加回路のブロッ
ク図である。
【図5】DLLを用いた従来の周波数倍加回路の構成図
である。
【符号の説明】
1、2:NMOSトランジスタ 3、4:PMOSトランジスタ 30:位相周波数検出器 31:ループフィルタ 32:電圧制御遅延器 33:第1SRフリップフロップ 34:第2SRフリップフロップ 35:ORゲート DDC1,DDC2:差動遅延セル

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 入力信号(f1)とフィードバック信号
    との位相差を検出する位相差検出器(30)と、 該位相差検出器(30)で検出された位相差に応じた制
    御信号を出力するループフィルタ(31)と、第1及び第2の差動遅延セル(DDC1,DDC2)を
    従属接続して形成され、前記 ループフィルタ(31)か
    ら出力された制御信号により前記入力信号(f1)の遅
    延率を変化させて前記フィードバック信号を生成し、当
    該フィードバック信号を前記位相差検出器(30)に出
    力する電圧制御遅延器(32)と、 該電圧制御遅延器(32)から順次出力される4つの分
    周信号のうちの1番目と2番目の一対の出力信号を受け
    て25%のデューティ比信号を出力する第1SRフリッ
    プフロップ(33)と、 前記電圧制御遅延器(32)から順次出力される4つの
    分周信号のうちの3番目と4番目の一対の出力信号を受
    けて25%のデューティ比信号を出力する第2SRフリ
    ップフロップ(34)と、 前記第1及び第2SRフリップフロップ(33、34)
    の各出力を論理和演算して50%のデューティ比信号を
    出力するORゲート(35)と、 を備えて構成されたことを特徴とする周波数倍加回路。
  2. 【請求項2】 前記第1差動遅延セル(DDC1)は、
    前記1番目と3番目の分周信号を発生し、前記第2差動
    遅延セル(DDC2)は、前記2番目と4番目の分周信
    号を発生することを特徴とする請求項1記載の周波数倍
    加回路。
  3. 【請求項3】 前記第1及び第2差動遅延セル(DDC
    1、DDC2)は、それぞれ、2個のNMOSトランジ
    スタ(1、2)が、一端が接地された電流源の他端に対
    称に接続され、電源電圧(Vcc)端子と前記各NMO
    Sトランジスタ(1、2)の間に前記ループフィルタ
    (31)からの制御信号によりスイッチングされる2個
    のPMOSトランジスタ(3、4)が接続され、 第1差動遅延セル(DDC1)は、一方のNMOSトラ
    ンジスタ(1)のゲートに前記入力信号(f1)が印加
    され、他方のNMOSトランジスタ(2)のゲートに第
    2差動遅延セル(DDC2)の前記2番目の分周信号が
    印加され、NMOSトランジスタ(1)とPMOSトラ
    ンジスタ(3)の接続点から前記1番目の分周信号を発
    生し、NMOSトランジスタ(2)とPMOSトランジ
    スタ(4)の接続点から前記3番目の分周信号を発生す
    る構成であり、 第2差動遅延セル(DDC2)は、一方のNMOSトラ
    ンジスタ(1)のゲートに第1差動遅延セル(DDC
    1)の前記1番目の分周信号が印加され、他方のNMO
    Sトランジスタ(2)のゲートに第1差動遅延セル(D
    DC1)の前記3番目の分周信号が印加され、NMOS
    トランジスタ(1)とPMOSトランジスタ(3)の接
    続点から前記2番目の分周信号を発生し、NMOSトラ
    ンジスタ(2)とPMOSトランジスタ(4)の接続点
    から前記4番目の分周信号を前記フィードバック信号と
    して発生する構成であることを特徴とする請求項2記載
    の周波数倍加回路。
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