JP3492402B2 - 高周波電圧制御発振器 - Google Patents

高周波電圧制御発振器

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、一般に電圧制御発振器
に関し、さらに詳しくは、高周波電圧制御発振器に関す
る。
【0002】
【従来の技術】従来の位相ロック・ループ(PLL:pha
se lock loop)は一般に、電圧制御発振器(VCO:vol
tage controlled oscillator)の入力信号と出力信号と
の位相差を監視するための位相検出器を含む。位相検出
器は、充電ポンプ(charge pump )のためのアップ制御
信号(up control signal )とダウン制御信号(down c
ontrol signal )とを発生して、VCOの入力における
ループ・ノードでループ・フィルタの充電および放電を
行う。ループ・フィルタの両端に発生するループ電圧
が、VCOの出力周波数を決定する。充電ポンプを駆動
するアップおよびダウン制御信号は、VCOの入力で適
切なループ・フィルタ電圧を設定し、周知のように、位
相検出器に印加された信号間の所定の位相関係を維持す
る。
【0003】PLLは、データ通信,コンピュータ用の
局部地域網,マイクロプロセッサおよびデータ記憶装置
などでデータの転送を制御するために広く用いられる。
PLLは、相補型金属酸化膜半導体(CMOS:Comple
mentary Metal Oxide Semiconductor )技術と共に実現
されて、システム設計者が追跡範囲と周波数支援捕捉の
拡大を行うことができるような低価格低電力の動作を行
うことができるようにすることが多い。より高い通信デ
ータ速度に対する需要を満たすためにPLLの動作周波
数は上がり続けているので、システム設計者はPLLの
動作に影響を与える温度と製造過程の変動という問題を
処理しなければならない。VCOは、高周波のPLL動
作に影響を与える一次温度と処理過程とに敏感な部品で
ある。
【0004】従来のVCOの通常の最大動作周波数は、
最悪の場合の処理条件下で100MHzである。動作環
境とウェーハ特性とに基づく最悪の処理および高温条件
下でさえ、VCOはループ・ノード電圧(VDD)が最大
の場合は少なくとも200MHzで動作することが望ま
しい。しかし、最良の温度および処理条件下では、同じ
VCO設計が、ループ・ノード電圧VDDが同じでもはる
かに高い周波数、たとえば860MHzで動作すること
がある。実際は、VCO動作の全体的な周波数−ゲイン
曲線(MHz/ボルト)は、温度および処理条件の影響
を受ける。たとえば、最悪の処理条件下でのVCO周波
数ゲインは200MHzで17MHz/ボルトであるの
に対して、最良の処理条件下では、VCO周波数ゲイン
は365MHz/ボルトである。このため、あるループ
・ノード電圧が与えられた場合の温度およびプロセス・
パラメータの関数としてのVCO出力周波数の不安定性
がPLLの精度,安定性,ジッタおよび同調範囲に影響
を与える。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】それゆえ、高いデータ
速度に対する需要が増大しているために、高出力周波数
で動作するVCOの必要がある。
【0006】
【課題を解決するための手段】簡単に述べると、本発明
は制御信号を受信する制御入力を有する電圧制御発振器
によって構成される。本電圧制御発振器は、リング状に
直列に結合された複数のインバータによって構成され
る。第1電流供給回路には、制御入力と、第1および第
2電流を設ける第1および第2出力とが含まれる。第2
電流供給回路には、制御入力と、第1インバータの第1
導通端子に第3電流を与える出力とが含まれる。これら
の制御入力が制御信号を受信する。第1電流ミラー回路
には、第1電流供給の第1出力に結合された入力と、第
1インバータの第2導通端子に結合された出力とが含ま
れる。第2電流ミラー回路には、第1電流供給回路の第
2出力に結合された入力と、第1インバータの第2導通
端子に結合された出力とが含まれる。
【0007】
【実施例】従来のCMOS集積回路プロセス(処理過
程)を用いた集積回路として製造に適したデジタル位相
ロック・ループ(PLL)10を図1に示す。たとえば
2.0MHzで動作するデジタル入力信号VREF が位相
検出器14の第1入力に印加され、充電ポンプ16のた
めのUP(アップ)制御信号とDOWN(ダウン)制御信号と
を発生する。充電ポンプ16の出力は、ループ・ノード
18を駆動して、ループ・ノード18と接地電位との間
に結合されるコンデンサ(図示せず)によって構成され
るループ・フィルタ20を充電および放電する。ループ
・ノード18のループ電圧はVCO22を制御して、出
力24において発振器信号OSCOUTを発生させる。OSCOUT
信号は、対向位相クロック発生器28により対向する位
相クロック信号PX,PY に分割されて、さらにプログラミ
ング可能なN分周回路30により分周されて、位相検出
器14の第2入力に印加されるようなOSCOUT/N信号を設
ける。プログラミング可能なN分周回路30は、外部制
御信号Nを受信して、除数N、たとえばN=100を選
択する。
【0008】UP制御信号はループ電圧を上げて、VCO
22の出力周波数を上げ、DOWN制御信号はループ電圧を
下げて、VCO22の出力周波数を下げる。UPおよびDO
WN制御信号のパルス幅が、ループ・フィルタ20に転送
される電荷量を決める。入力信号VREF とOSCOUT/N信号
との位相差が大きければ大きいほど、UP制御信号または
DOWN制御信号のパルス幅は大きくなり、充電ポンプ16
からの充電電流が、VCO周波数を変化させて位相差を
最小限にする電圧に向かってループ・ノード18を駆動
する時間は長くなる。これにより、互いに排他的なUPお
よびDOWN制御信号がVCO22を駆動して、位相検出器
14の第1および第2入力に印加された信号間の所定の
位相関係を維持する。
【0009】回路32には、ループ・ノード18に結合
された出力が含まれ、入力信号VREF に応答して動作
し、ループ・ノード18をシステム起動時またはシステ
ム・リセット時の正の電源電位VDD( 5.0ボルト)に
初期化する。さらに、N分周回路30も、OSCOUT信号の
1/2の速度で動作するOSCOUT/2信号を周波数レンジ検
出器34に供給して、OSCOUT信号が所定の周波数レンジ
内にあるか否かを検出する。周波数レンジ検出器34
は、制御信号を負荷制御回路36に送り、デジタル制御
された負荷38に関して負荷制御信号DL0 ないしDL5 を
発生する。VCO22の出力周波数を監視することによ
り、周波数レンジ検出器34と負荷制御回路36とは、
VCO22の容量性負荷すなわち動作速度を調整して、
特定のループ・ノード電圧が与えられたときに所定の出
力周波数を得る。これにより、VCO22は、その出力
周波数に対してデジタル制御負荷によりなされた調整に
よって、温度とプロセスからは独立して動作する。
【0010】図2には、VDDへの初期化回路32がさら
に詳細に示され、出力がループ・ノード18に結合され
て、ループ・ノード18を正の最大電源電位VDDに設定
することにより、VCO22をシステム起動時またはシ
ステム・リセット時に最大動作周波数に初期化する。最
悪の場合の処理と最良の場合の処理との間のVCO周波
数の広がりが最大となり、ループ・ノード電圧がVDD
とき200MHzないし860MHzで可変する。VC
O周波数を温度および処理から独立して200MHzレ
ンジまで減らすために必要な負荷数を決定する際には、
広い周波数の広がりが重要である。デジタル負荷制御
は、より低速の動作周波数に向かってVCO22を調整
するだけでよいので、この初期化の過程により全体の設
計が簡素になる。
【0011】システム・リセット時には、能動論理1の
RESET (リセット)信号がトランジスタ40をオンにし
て、接地電位で動作する電源導体44からノード42を
論理0にする。トランジスタ46,48,50,52,
54,56は、ヒステリシス(シュミット・トリガ)を
もつインバータとして動作し、それによりシュミット・
トリガ46〜56(1.6ボルト)の下の閾値より低い
ノード42の低レベル信号がトランジスタ46,48を
オンにして、インバータ60の入力のノード58を論理
1にし、インバータ60の出力を論理0にする。トラン
ジスタ50,52は、このときは導通しない。
【0012】能動論理1のRESET 信号は、インバータ6
1により反転されて、ANDゲート62の出力を論理0
に駆動し、トランジスタ64をオンにする。しかし、イ
ンバータ60の出力の論理0と論理0のRESET 信号とが
合成されて、NORゲート66の出力で論理0を生成し
て、トランジスタ68をオフにして、RESET が能動状態
のときノード42をVDDから分離する。論理1RESET 信
号もまた、トランジスタ70,72,74,76,78
とインバータ80,82,84,86,88,90とに
よって構成される遅延回路を初期化する。トランジスタ
92,94,96,98,100のゲートの論理1は、
電源導体44からインバータ80,84,88の入力で
論理0を生成し、VDDなどの正の電位で動作する電源導
体102からインバータ82,86の入力で論理1を生
成する。VDD_DETECT(VDD検出)信号は、インバータ
88の入力が能動RESET 信号の間に論理0に設定される
と、インバータ60の出力からの偶数回の反転に従い論
理0になる。論理0のVDD_DETECT信号は、ANDゲート
103により周波数検出器34からの被反転HIGH_FREQ2
(高周波2)信号で「論理積(AND)処理」されて、
図1に示されるように充電ポンプ16を動作不能にす
る。動作不能機能をもつ充電ポンプ回路は、PLL技術
では周知であり、たとえば、ANDゲート103の出力
信号をUP制御信号とDOWN制御信号で別々に「論理積処
理」して、充電ポンプ16の充電/放電トランジスタを
駆動するなどの方法がある。
【0013】2.0MHzの入力信号VREF は、N分周
回路104により125KHzに分割され、その後対向
位相クロック発生器回路108が対向位相クロック信号
X_CLK とY_CLK とを生成する。N=16のN分周回路
は、当技術では周知である。図3に対向位相クロック発
生器28,108の実施例を示すが、ここではVCO2
2からのOSCOUT信号がインバータ126,128,13
0,132を通じてANDゲート134の第1入力に印
加される。インバータ126の出力は、インバータ13
6,138を通じてANDゲート140の第1入力に結
合される。ANDゲート134の出力は、インバータ1
42を通じて印加されたPXクロック信号をANDゲート
140の第2入力に供給する。同様に、ANDゲート1
40の出力は、インバータ144を通じて印加されたPY
クロック信号をANDゲート134の第2入力に供給す
る。ノード146のインバータ130の出力は、インバ
ータ147を通じてインバータ138の入力に結合さ
れ、ノード148のインバータ136の出力は、インバ
ータ149を通じてインバータ132の入力に結合され
る。
【0014】OSCOUT信号が論理0に切り替わると、イン
バータ126の出力は論理1になる。インバータ136
は、ノード146が論理1に切り替わる前にノード14
8を論理0に切り換えようとするが、これはノード14
8がOSCOUT信号から2インバータ遅延だけ離れているだ
けなのに、ノード146は3インバータ遅延離れている
ためである。しかし、ノード148の論理0への移行
は、インバータ147により遅くなるが、これはノード
146が依然として、OSCOUT信号が論理0に変わった後
も論理0の2インバータ遅延であるためである。インバ
ータ147はインバータ130の出力が状態を変えるま
で、ノード148を論理1に保持するように動作する。
OSCOUT信号が論理1に切り替わると、同様のことが起こ
る。このためインバータ132,138の移行は、18
0度ずれた位相で重複して、ほぼ50%のマークにおい
て交差し、それによりOSCOUT信号とノード146,14
8との間のインバータの数が等しくないために起こる遅
延差を克服する。
【0015】インバータ132の出力が論理0のとき、
ANDゲート134の出力のPXクロック信号は論理0に
なる。ANDゲート140は、インバータ142,13
8の出力から論理1を受け取り、論理1のPYクロック信
号を設ける。インバータ138の出力が論理0になる
と、PYクロック信号は論理0になる。ANDゲート13
4は、インバータ132,144の出力から論理1を受
け取り、論理1のPXクロック信号を設ける。そのため、
PXおよびPYクロック信号は位相が逆になり、実質的に5
0%のマークで切り替わり、OSCOUT信号の周波数で動作
する。クロック発生器108により発生されたX_CLK お
よびY_CLK クロック信号も同様に位相が逆で、実質的に
50%のマークで切り替わり、VREF 信号を16で割っ
た信号の周波数で動作する。
【0016】システムのリセット後、RESET 信号は論理
0になり、図2のトランジスタ40をオフにしてノード
42を解放する。トランジスタ92ないし100は、も
う導通していない。インバータ110は、ANDゲート
112,114の第1入力に論理1を与え、同ゲートの
第2入力は、それぞれX_CLK およびY_CLK 信号を受信す
る。X_CLK 信号が論理1の間は、トランジスタ70,7
4,78が導通して前のインバータからの論理状態を伝
える。Y_CLK 信号が論理1の間は、トランジスタ72,
76が導通して前のインバータからの論理状態を伝え
る。このようにシステム・リセット後のインバータ60
の出力における論理0状態は、3クロック期間のX_CLK
およびY_CLK 信号の後でトランジスタ70ないし78お
よびインバータ80ないし90を通過する。VDD_DETECT
信号は、論理0のままになる。
【0017】インバータ116の入力ではHIGH_FREQ1
(高周波1)が論理1であるとする。論理0のVDD_DETE
CTおよびHIGH_FREQ1信号は、RESET 信号が非能動になる
と、ANDゲート62の出力を論理0に保ち、トランジ
スタ64を導通状態に保つ。トランジスタ64は、ルー
プ・ノード18に電流を送り込み、その電位を導体10
2からの電源電位VDDに向かって充電する。論理0のRE
SET 信号は、NORゲート66の出力を論理1に駆動
し、トランジスタ68をオンにする。トランジスタ11
8,120は、そのドレーンとゲートが共に結合され
て、トランジスタ68のドレーン−ソース電位を無視す
ると、ノード42の電位はループ・ノード18より2ゲ
ート−ソース接合電位(VGS=0.8ボルト)低くなる
ように設定されている。ループ・ノード18の電圧がた
とえば4.0ボルトになり、ノード42はシュミット・
トリガ46〜56の上限ヒステリシス閾値、たとえば
2.4ボルト(4.0ボルト−2VGS)になると、トラ
ンジスタ50,52が導通してノード58を論理0にす
る。インバータ60の出力は論理1に切り替わる。
【0018】ノード58の論理0によりトランジスタ5
4がオンになり、トランジスタ48のソースにおけるシ
ュミット・トリガ46〜56の下限ヒステリシス閾値を
設定する。すなわち、ノード58を論理1に戻すために
は、ノード42は1.6ボルト未満に下がらなければな
らない。トランジスタ124も導通して、ノード42を
DDから論理1にする。インバータ60の出力の論理1
は、3期間のX_CLK およびY_CLK 信号の間トランジスタ
70ないし78を通じてクロックして、VDD_DETECT信号
を論理1に切り換え、これによってループ・ノード18
が実質的にVDDで動作することを示す。トランジスタ1
22はフィードバック信号を与えて、連続的に論理1の
VDD_DETECT信号に関して、ノード42を論理1に、イン
バータ60の出力を論理1に維持する。トランジスタ7
0ないし78の遅延により、ループ・ノード18には
4.0ボルトから実質的に5.0ボルトまで増加するた
めの追加時間が与えられる。この遅延は、特定の用途の
必要に応じて増加することも減少することもあるが、こ
れは70ないし78のようなトランジスタと80ないし
88のようなインバータとを追加または削除することに
より行う。
【0019】PLL10の初期化プロセスの第1段階
は、ループ・ノード18がVDDに達すると完了する。第
2段階には、VCO22の負荷を調整して、最大ループ
・ノード電圧VDDが与えられたときに、既知の最大出力
周波数、たとえば200MHzを発生する段階が含まれ
る。ループ・ノード電圧がVDDのときに、VCO22が
200MHzで発振するように適切に負荷が印加される
と、PLL10は通常の動作を始めることができる。必
要に応じて、別のRESET 信号が初期化プロセス全体をも
う一度開始する。
【0020】図4には、VCO22が3個の電流−ゲイ
ン可制御インバータ・ステージと各インバータ・ステー
ジの出力におけるデジタル制御負荷38とをもつリング
発振器として図示されている。ループ・ノード18のル
ープ・ノード電圧が、電流−ソース・トランジスタ15
0,152,154,156,158,160のゲート
に印加される。トランジスタ162は、第1電流ミラー
回路の入力として動作し、それぞれノード168,17
0,172に接続されたトランジスタ164,165,
166のドレーンに3個の等しい出力を有する。トラン
ジスタ150,162を流れる電流は、トランジスタ1
64ないし166に関してVGSを設定し、それぞれが同
じ電流を導通する。同様にトランジスタ174は第2電
流ミラー回路の入力として動作して、それぞれがノード
168,170,172に接続されたトランジスタ17
6,178,180のドレーンに3個の等しい出力を有
する。トランジスタ152,174を流れる電流は、ト
ランジスタ176ないし180に関してVGSを設定し、
それぞれが同じ電流を導通する。トランジスタ182
は、第3電流ミラー回路の入力として動作し、それぞれ
がノード168,170,172に接続されたトランジ
スタ184,186,188のドレーンで3個の等しい
出力を有する。トランジスタ154,182を流れる電
流は、トランジスタ184ないし188に関してVGS
設定し、それぞれが同じ電流を導通する。
【0021】トランジスタ190,192は、第1イン
バータを形成して、トランジスタ190のソースがノー
ド168に結合された第1導通端子として動作し、トラ
ンジスタ192のソースはトランジスタ156のドレー
ンに結合された第2導通端子となる。トランジスタ19
0,192のドレーンは、ノード196で共にデジタル
負荷194に結合されて、デジタル負荷制御信号DL0,DL
1 に応答して容量性負荷を与える。トランジスタ20
0,202は、ノード170とトランジスタ158のド
レーンとの間に結合された第2インバータを形成する。
トランジスタ200,202のドレーンは、ノード20
6で共にデジタル負荷204に結合されて、デジタル負
荷制御信号DL2,DL3 に応答して容量性負荷を与える。ト
ランジスタ208,210は、ノード172とトランジ
スタ160のドレーンとの間に第3インバータを形成す
る。トランジスタ208,210のドレーンは、出力2
4で共にデジタル負荷212に結合されて、デジタル負
荷制御信号DL4,DL5 に応答して容量性負荷を与える。
【0022】3個のインバータ・リング発振器の動作
は、当技術では周知のものである。簡単にいうと、第3
インバータ208ないし210の出力が第1インバータ
190ないし192の入力に帰還されて、回路全体を発
振させて、各インバータ・ステージが180度の移相を
設ける。トランジスタ218,220は、電源導体10
2,44の間に結合されて、トランジスタ208ないし
210のようなインバータとして動作し、pチャンネル
・トランジスタ190,200,208とnチャンネル
・トランジスタ192,202,210との間の不一致
を補償する。トランジスタの不一致を減らすことは、OS
COUT信号に50%のデューティ・サイクルを与える助け
となる。トランジスタ218,220の動作の詳細は、
米国特許第5,081,428号に開示されており、本
件に参考として含まれている。
【0023】VCO22においては、電流−ソース・ト
ランジスタ150および156ないし160が電流ミラ
ー・トランジスタ162ないし166を通じて反転トラ
ンジスタ190ないし192,200ないし202およ
び208ないし210の切り替え速度を制御する。ルー
プ・ノード電圧が上がると、トランジスタ150および
156ないし162は、より多くの電流を導通する。ト
ランジスタ150,162を通る電流が、トランジスタ
164を通じて反射される。このため、反転トランジス
タ190ないし192は、ループ・ノード電圧の上昇に
伴ってより多くの電流を導通して、トランジスタ200
ないし202のゲートの容量を充電および放電し、後者
をより高い周波数で切り替えるようにする。トランジス
タ165,158もトランジスタ200ないし202
に、より多くの電流を導通して、トランジスタ208な
いし210のゲートの容量を充電および放電し、後者を
より高い周波数で切り替えるようにする。同様にトラン
ジスタ166,160は低くなり、トランジスタ208
ないし210により多くの電流を送り、トランジスタ1
90ないし192がより高い周波数で切り替わるように
する。全体の効果は、ループ・ノード電圧の上昇に伴
い、VCOがより高い出力周波数OSCOUTを発生すること
である。ループ・ノード電圧が低いと、トランジスタ1
50および156ないし166とそれぞれの反転トラン
ジスタ・ステージを流れる電流が小さくなるために、V
CO22の出力周波数が低くなる。
【0024】VCO22の最大出力周波数を大きくする
方法の1つとして、190ないし192,200ないし
202および208ないし210などの反転トランジス
タのゲート幅を広げ、さらに/あるいはそのゲート長を
短くして、それによりそれぞれのトランジスタが一定の
ゲート電圧に関してより多くの電流を導通するようにす
る方法がある。別の方法としては、150および156
ないし166などの電流−ソース・トランジスタのゲー
ト幅を広げ、さらに/あるいはそのゲート長を短くする
方法がある。ループ・ノード電圧によるトランジスタ1
50,162の電流変化に対して迅速に応答するために
は、トランジスタ164ないし166のゲートの負荷を
最小限に抑えることが重要である。ゲートの形状を大き
くすることにより、前のインバータ・ステージに見られ
たようにゲート容量と拡散容量が増加するので、この方
法には上限がある。容量が加わると、発振の速度が遅く
なる傾向がある。CMOSデバイスの実際的な上限は、
最悪の処理条件下で約100MHzである。
【0025】VCO22の主要な特徴は、追加の電流ミ
ラー回路を用いて、トランジスタ164ないし166の
ゲートの容量性負荷を減らし、反転トランジスタ190
ないし192,200ないし202および208ないし
210を流れる電流を増やすことである。従って、電流
−ソース・トランジスタ152は、電流ミラー・トラン
ジスタ174ないし180を通じて反転トランジスタ1
90ないし192,200ないし202および208な
いし210の切り替え速度の制御を助ける。ループ・ノ
ード電圧が上がると、トランジスタ152,174は、
より多くの電流を導通し、この電流はトランジスタ17
6ないし180を通じて反射される。同様に、電流−ソ
ース・トランジスタ154は、電流ミラー・トランジス
タ182ないし188を通じて反転トランジスタ190
ないし192,200ないし202および208ないし
210の切り替え速度の制御を助ける。ループ・ノード
電圧が上がると、トランジスタ154,182はより多
くの電流を導通し、この電流はトランジスタ184ない
し188を通じて反射される。
【0026】トランジスタ164,176,184から
ノード168に流れる総合電流により、反転トランジス
タ190ないし192に3倍の電流を導通させて、トラ
ンジスタ164,176,184のゲートの容量を増加
させずにトランジスタ200ないし202のゲートの容
量を充電および放電する。同様に、トランジスタ16
5,178,186からノード170に流れる総合電流
により、反転トランジスタ200ないし202に3倍の
電流を導通させて、トランジスタ165,178,18
6のゲートの容量を増加させずにトランジスタ208な
いし210のゲートの容量を充電および放電する。最後
に、トランジスタ166,180,188からノード1
72に流れる総合電流により、反転トランジスタ208
ないし210に3倍の電流を導通させて、トランジスタ
166,180,188のゲートの容量を増加させずに
トランジスタ190ないし192のゲートの容量を充電
および放電する。トランジスタ150ないし154およ
び162ないし188は、同じ形状に構築され、ある値
のループ・ノード電圧を与えらえると、それぞれが同様
の電流を導通するようになっている。トランジスタ15
6ないし160は、トランジスタ150ないし154の
3倍の幅/長さの比に作成されて、ノード168,17
0,172にそれぞれ流れる総合電流を下げる。
【0027】各電流ミラー回路には、別々の電流−ソー
ス・トランジスタ150ないし154をもつ入力があ
る。たとえば、トランジスタ176,184は、トラン
ジスタ164のゲートには負荷を与えない。同様にトラ
ンジスタ164,184は、トランジスタ176のゲー
トには負荷を与えず、トランジスタ164,176はト
ランジスタ184のゲートには負荷を与えない。それで
もノード168に入る総合電流により、反転トランジス
タ190ないし192はノード196の論理状態をより
高速で切り替える。ループ・ノード電圧の変化に対する
応答を遅くする電流ミラー回路の入力に余分な負荷を与
えずに反転トランジスタを流れる電流を増加させること
により、VCO22の最大動作周波数を最悪の場合の処
理条件でも200MHzまで上げるという所望の結果が
得られる。
【0028】追加の電流ミラー回路が、電流ミラー回路
の入力の容量性負荷を増加させずに反転トランジスタ・
ステージを流れる電流をさらに増加させるために加えら
れるということは周知である。各電流ミラー回路は、そ
れぞれノード168ないし172に接続された150お
よび162ないし166のようなトランジスタによっっ
て構成される。さらに拡張する場合には、各電流ミラー
回路からの対応する出力を備えたより多くのインバータ
・ステージを入れてもよい。たとえば、5個の反転トラ
ンジスタ・ステージは、それぞれの電流ミラー回路が、
各インバータ・ステージのpチャンネル・トランジスタ
のソースにそれぞれが結合された5個の出力を有するこ
とを必要とする。別の選択肢としては、電流ミラー回路
の数を最小限の2、たとえばトランジスタ150および
162ないし166と、トランジスタ152および17
4ないし180とに減らす方法がある。
【0029】VCO22の別の特徴は、ノード196,
206と出力24とのデジタル負荷である。周波数レン
ジ検出器34は、VCO22の出力周波数を監視して、
制御信号DL0 ないしDL5 を負荷制御回路36に送り、デ
ジタル負荷194,204,212を起動してVCO2
2を所望の動作周波数まで低速化する。VDDへの初期
化回路32は、ループ・ノード電圧をVDDに設定して、
負荷制御回路36がVCO22を200MHzという所
望の動作周波数まで低速化するための負荷を増加するだ
けですむようにする。VCO22は、最悪の処理条件に
関して200MHzで動作するように設計されているこ
とを思い出してほしい。このため、最悪の条件でも、追
加の負荷は最小限になるか、あるいは全然必要ない。し
かし、より良い条件下では、負荷制御回路36は容量性
負荷を増大させることによりVCOインバータ・ステー
ジの切り替え速度を小さくしなければならない。
【0030】たとえば、VCO22が、システム通電後
400MHzで動作を始めたとする。周波数レンジ検出
器34は、所望の周波数よりも高い周波数を検出して、
負荷制御回路36に対して負荷を増加するように促す。
負荷制御回路36は、DL0 負荷制御信号を論理1にし
て、図5の伝送ゲート224を動作可能にする。伝送ゲ
ート224は、ドレーンとソースとが結合されているp
チャンネルおよびnチャンネル・トランジスタ(図示せ
ず)で構成される。インバータ226は、DL0 信号を補
償して、pチャンネル・トランジスタを動作可能にす
る。伝送ゲート224の第1導通端子はノード196に
結合される。コンデンサ228は、伝送ゲート224の
第2導通端子と電源導体44との間に結合される。ノー
ド196の負荷は、伝送ゲート224を通じコンデンサ
228の値だけ大きくなる。コンデンサ228により追
加の遅延が課されるために、VCO22の出力周波数は
小さくなる。VCO22が所望の200MHz周波数よ
り上で依然として動作している場合は、負荷制御回路3
6はDL1 信号を論理1にして伝送ゲート230を動作可
能にする。インバータ232は伝送ゲート230のpチ
ャンネル側を動作可能にする。伝送ゲート230の第1
導通端子は、ノード196に結合される。コンデンサ2
34は、伝送ゲート230の第2導通端子と、電源導体
44との間に結合される。ノード196の負荷は、伝送
ゲート230を通じてコンデンサ234により増加す
る。コンデンサ228,234の値が、周波数減少のス
テップを決定する。
【0031】デジタル負荷204,212は、図5のデ
ジタル負荷194に関して説明されたのと同様の構造を
もつ。負荷のプロセスは、負荷制御回路36により継続
され、VCO22が所望の200MHzの動作周波数に
減るまで、DL2,DL3,DL4,DL5号を順に起動する。実際に
は、より多くの容量性負荷、たとえば1個のノードにつ
き9個のコンデンサをノード196,206およびVC
O22の出力24に接続することもできる。負荷制御回
路36は、各容量性負荷に対して1個の負荷制御信号を
供給しなければならない;すなわち3個のノードのそれ
ぞれに接続された9個のコンデンサのためには27の信
号を供給しなければならない。それぞれ値が0.1ピコ
ファラドの27個のコンデンサがあると、VCO22の
全体の調整範囲は200ないし860MHzで、600
MHz以上で動作する場合の50MHzから、200M
Hzにより近いところで動作する場合の8.0MHzの
ステップまで、非線形の段階で行われる。最悪の処理条
件と高温環境の場合と、最良の処理条件と低温環境の場
合との間の周波数の広がりによっては、負荷コンデンサ
を追加したり、さらに/あるいは周波数ステップを増や
してもよい。実際には、周波数レンジ検出器34は、2
00MHzより多少高い周波数、たとえば230MHz
を検出するように設計しなければならないが、これはI
Cの温度が通常の動作が始まると高くなるためである。
さらに周波数をより高くすることにより、少なくとも1
個の容量性負荷が起動されてVCO22を低速化する。
【0032】VCO22の出力周波数を監視するため
に、OSCOUT信号はN分周回路30を通じて1/2に分割
され、OSCOUT/2として対向位相クロック発生器240に
印加され図6に示されるようにPX2 およびPY2 クロック
信号を設ける。対向位相クロック発生器240は、図3
に説明されたものと同じ構造である。入力信号VREF
対向位相クロック発生器242に印加され、X_CLK2およ
びY_CLK2クロック信号を設ける。対向位相クロック発生
器242は図7にさらに説明されるが、ここでは入力信
号VREF はインバータ244により反転され、ANDゲ
ート248の第1入力で印加され、ゲート248はその
出力でY_CLK2クロック信号を設ける。入力信号VREF
ANDゲート250の第1入力に印加され、ゲート25
0はその出力でX_CLK2クロック信号を設ける。X_CLK2ク
ロック信号はインバータ252により補償されて、AN
Dゲート248の第2入力に印加される。Y_CLK クロッ
ク信号はインバータ254により補償されて、ANDゲ
ート250の第2入力に印加される。
【0033】入力信号VREF が論理0のとき、ANDゲ
ート250の出力のX_CLK2クロック信号は論理0にな
る。ANDゲート248は、インバータ244,252
の出力から論理1を受け取り、論理1のY_CLK2クロック
信号を設ける。入力信号VREFが論理1になると、Y_CLK
2クロック信号はインバータ244のために論理0にな
る。ANDゲート250は、入力信号V REFとインバー
タ254の出力とから論理1を受け取り、論理1のX_CL
K2クロック信号を設ける。これでX_CLK2およびY_CLK2ク
ロック信号は、入力信号VREF の周波数において動作す
る対向位相となる。
【0034】図6では、X_CLK2およびY_CLK2クロック信
号は2.0MHzで500ナノ秒(ns)の期間で動作
し、PX2 およびPY2 クロック信号は100MHzで10
nsの期間で動作する。ダウン検出回路260は、PX2
およびPY2 クロック信号に応答して動作し、Y_CLK2クロ
ック信号が0になる移行を検出すると10nsの論理1
のDOWN_PULSE(ダウン・パルス)を生成する。ダウン検
出回路260の詳細は図8に示される。Y_CLK2クロック
信号が図9の時間tO において論理1のとき、インバー
タ262の出力は論理0で、ANDゲート264の出力
のDOWN_PULSE信号は論理0である。図8を参照された
い。論理1のY_CLK2クロック信号は、PX2クロック信号
が論理1のときトランジスタ266を通過する。インバ
ータ268はY_CLK2クロック信号を補償し、トランジス
タ270はPY2 クロック信号が論理1になると補償され
たY_CLK2クロック信号を送る。Y_CLK2クロック信号はイ
ンバータ272の出力で論理1に戻り、PX2 クロック信
号のその後の高論理状態の間にトランジスタ274を通
過する。インバータ276,278によるさらに2回の
反転の後で、論理1のY_CLK2クロック信号は、ANDゲ
ート264の第1入力に到達する。DOWN_PULSE信号は、
第2入力が論理0であるために論理0のままとなる。
【0035】図9の時間t1 においてY_CLK2クロック信
号が論理0に移行すると、インバータ262の出力は論
理1となりANDゲート264の出力のDOWN_PULSE信号
は、インバータ278の出力が時間t1 で依然として論
理1であるために論理1に切り替わる。図9を参照のこ
と。PX2 クロック信号が1回完全に終了するまで(論理
1から論理0へ、そして論理1へと)、論理0のY_CLK2
はトランジスタ266,270,274とインバータ2
68,272,276,278を通過し、ANDゲート
264の第1入力に到達する。DOWN_PULSE信号は時間t
2 で論理0に戻る。Y_CLK2クロック信号は論理1に戻っ
て、次の論理1のDOWN_PULSE信号が起こらないうちに、
インバータ278の出力を論理1にあらかじめ設定しな
ければならない。このためDOWN_PULSE信号は、Y_CLK2ク
ロック信号が0に移行するたびに、ほぼ1期間分のPX2
クロック信号の間論理1になる。
【0036】X_CLK2信号は、図6に示されるようにAN
Dゲート280の第1入力に印加される。DOWN_PULSE信
号はインバータ282により反転され、ANDゲート2
80の第2入力に印加される。シフト・レジスタ284
は、ANDゲート280の出力からデータを受け取り、
PX2 およびPY2 クロック信号に応答して、25ビット位
置のシリアル・ストリングに沿ってデータをずらす。A
NDゲート280の出力が論理0のとき、ANDゲート
285はPX2 クロック信号をシフト・レジスタ284に
送り、ANDゲート286はPY2 クロック信号をシフト
・レジスタ284に送る。シフト・レジスタ284の最
終ビット位置はインバータ288,290を通じて緩衝
され、HIGH_FREQ1信号となる。たとえば図9の時間t1
において、論理1のDOWN_PULSEがシフト・レジスタ28
4の25ビットを論理0にする。図9の時間t2 の後
で、X_CLK2クロック信号は論理1となり、インバータ2
82の出力は論理1となって、シフト・レジスタ284
のデータ入力は論理1を受け取ることができる。PX2 お
よびPY2 クロック信号は、X_CLK2クロック信号の高論理
状態の間にシフト・レジスタ284に沿って論理1をず
らし始める。OSCOUT/2信号は、VCO22の出力周波数
の1/2であり、X_CLK2およびY_CLK2クロック信号の期
間は500nsであることを思い出してほしい。X_CLK2
クロック信号の高論理状態は250nsである。OSCOUT
/2周波数が200MHzより高いと、PX2 およびPY2 ク
ロック期間は10nsより短く、論理1は、X_CLK2クロ
ック信号が論理0に戻らないうちに25番目のビット位
置に到達する。HIGH_FREQ1信号は論理1になる。X_CLK2
クロック信号が論理0に切り替わると、ANDゲート2
80の出力は論理0になり、その他のクロックがAND
ゲート285,286を介してシフト・レジスタ284
に到達できないようにする。シフト・レジスタ284の
25番目のビット位置の最終値は、X_CLK2クロック信号
の低論理状態の間はHIGH_FREQ1信号のままになる。ある
いは、OSCOUT/2信号が所望通り100MHzで動作して
いる場合は、PX2 およびPY2 クロック期間は10ns
で、シフト・レジスタ284の25番目のビット位置
は、X_CLK2クロック信号が論理0に戻ると依然として論
理0である。HIGH_FREQ1信号も図2のインバータ116
に入り、図2のトランジスタ64を導通状態に保持し
て、周波数レンジ検出器34と負荷制御回路36とがV
CO22の負荷を調整して所望の動作周波数を得ようと
する間はループ・ノード18にVDDを維持する。VCO
22が200MHzで動作すると、HIGH_FREQ1信号は論
理0になりトランジスタ64をオフにする。
【0037】実際には、VCO22が200MHz未満
に下がらないようにするためには、シフト・レジスタ2
84は29ビットの広さとしてもよい。より長いシフト
・レジスタ284とすることによって、論理1を最終ビ
ット位置にずらさずに、X_CLK2クロック信号が論理1の
間に、より高い周波数のOSCOUT/2信号を得ることができ
る。その結果として、負荷はより小さくなり、それに応
じてVCO22に関してより高い出力周波数が得られ
る。
【0038】VCO22が所望の周波数で動作している
か否かの決定は、実際にはSAMPLE(サンプル)パルスの
発生時のHIGH_FREQ2信号の状態で行われる。Y_CLK2クロ
ック信号は、トランジスタ294,296,298,3
00とインバータ302,304,306,308,3
10とによって構成される遅延回路を通じて遅延され
る。トランジスタ294,298のゲートはPX2 クロッ
ク信号を受信し、トランジスタ296,300のゲート
はPY2 クロック信号を受信する。ダウン検出回路312
は、図8に説明された回路と同様の構造を持ち、Y_CLK2
クロック信号の正の立ち上がり部の所定の遅延の後で1
0nsの論理1パルスを生成する。
【0039】Y_CLK2クロック信号はインバータ302に
より反転されて、PX2 クロック信号の高論理状態の間に
トランジスタ294を通過する。Y_CLK2クロック信号は
インバータ304によりもう一度反転されて、PY2 クロ
ック信号の高論理状態の間にトランジスタ296を通過
する。PX2 およびPY2 クロック信号の次の高論理状態の
間にそれぞれ、インバータ306,308とトランジス
タ298,300とを通じて、二重反転が繰り返され
る。インバータ310は、Y_CLK2クロック信号の奇数回
の反転を行い、それによりダウン検出回路312はY_CL
K2クロック信号の正の立ち上がり部よりPX2 およびPY2
の2クロック期間後に、論理1のパルスを生成する。ダ
ウン検出回路312は、図9の時間t3 において論理1
のSAMPLEパルスを発生させ、トランジスタ316を動作
可能にして、HIGH_FREQ1信号をHIGH_FREQ2信号と同様に
インバータ318,320に通過させる。図9を参照の
こと。HIGH_FREQ2信号がSAMPLEパルスの後で論理1であ
る場合は、負荷制御回路36は次のデジタル負荷信号を
発生して、VCO22の負荷を増分する。HIGH_FREQ2信
号がSAMPLEパルスの後で論理0の場合は、VCO22は
所望の周波数で動作している。
【0040】図10には、X_CLK2およびY_CLK2クロック
信号と、HIGH_FREQ2信号と、VDD_DETECT信号と、RESET
信号とを受信するロード・セル322をもつ負荷制御回
路36が示される。ロード・セル324は、X_CLK2およ
びY_CLK2クロック信号と、HIGH_FREQ2信号と、RESET 信
号と、ロード・セル322からのDL0 制御信号とを受信
する。ロード・セル322には、電源導体102から論
理1を受け取るために結合された入力が含まれる。ロー
ド・セル322の第1出力は、ロード・セル324の入
力に結合され、ロード・セル322の第2出力はデジタ
ル負荷制御信号DL0 を設ける。ロード・セル324の第
1出力は次のロード・セルの入力に結合され、ロード・
セル324の第2出力はデジタル負荷制御信号DL1 を設
ける。負荷制御回路36には、デジタル負荷制御信号DL
2,DL3,DL4,DL5 を生成するための他の4個のロード・セ
ル(図示せず)が含まれる。ロード・セルはそれぞれ、
同様の構造をもつが、ロード・セル322の入力が固定
された論理1を受け取る点が例外である。さらにロード
・セル324と残りのロード・セルとは、VDD_DETECT信
号の代わりに前の負荷制御信号を受け取る。
【0041】図11に図示されるロード・セル322の
動作を考えてみる。論理1のRESET号がトランジスタ3
26をオンにして、ノード328を電源導体44から論
理0にする。論理0はX_CLK2クロック信号の次の高論理
状態でインバータ330,332とトランジスタ334
とを通過する。ロード・セル322の第1出力は、イン
バータ336,338に従い論理0となり、DL0 信号が
論理0になる。論理0のRESET 信号がVDDへの初期化
回路32を通じて初期化のプロセス開始したことを思い
出してほしい。VDD_DETECT信号はループ・ノード18が
DDに到達するまで、論理0のままになる。ANDゲー
ト340の出力は論理0で、トランジスタ342は導通
しない。このため、システム・リセットにより、デジタ
ル負荷制御信号DL0 ないしDL5 は論理0に設定される。
【0042】システム・リセット後、RESET 信号は論理
0になり、トランジスタ326をオフにして、ノード3
28を解放する。VDD_DETECT信号は、ループ・ノード1
8の初期化後に論理1に切り替わる。その後のX_CLK2お
よびY_CLK2クロック信号のサイクルの間に、周波数レン
ジ検出器34はVCO22の出力周波数をチェックし
て、それが200MHzを越える場合には、論理1のHI
GH_FREQ2信号を発生する。VDD_DETECT信号と、HIGH_FRE
Q2信号と、Y_CLK2クロック信号とがすべて論理1の場
合、ANDゲート340は論理1になり、トランジスタ
342をオンにして、電源導体102からノード328
に論理1を送る。インバータ330の出力は、論理0に
切り替わり、インバータ332の出力は論理1になる。
トランジスタ344はインバータ332の出力で、論理
1をインバータ330の入力にラッチして、インバータ
330の出力において論理0を維持する。DLO 信号は、
インバータ346に従い論理1になる。X_CLK2クロック
信号の次の高論理状態の間に、トランジスタ334はオ
ンになり、論理1をインバータ336,338を通じて
ロード・セル324の入力に送る。論理1のDL0 信号は
図5の伝送ゲート224を動作可能にして、前記の説明
により図4のノード196の負荷を増大する。
【0043】X_CLK2およびY_CLK2クロック信号の次のサ
イクルの間に、周波数レンジ検出器34が、VCO22
の出力周波数が高すぎると再び判断すると、論理1のSA
MPLEパルスの後にもう1つ論理1のHIGH_FREQ2信号を発
する。ロード・セル322からのDL0 信号は、ロード・
セル324のANDゲート340に論理1を送り、ロー
ド・セル324のトランジスタ342を動作可能にす
る。もう1つの論理1のY_CLK2クロック信号と論理1の
HIGH_FREQ2信号とは、論理1をロード・セル322のイ
ンバータ338の出力でロード・セル324の342な
どのトランジスタを通して図11に説明されるように内
部でラッチする。DL1 信号は論理1になり、図5の伝送
ゲート230を起動して、さらにノード196に負荷を
与える。VCO22の出力周波数は、それに従って低速
化する。ロード・セル324による論理1処理は、X_CL
K2クロック信号の次の高論理状態の後でロード・セル3
24の338などのインバータの出力でラッチされ、必
要に応じて次のロード・セルに送る準備をする。
【0044】このプロセスは、X_CLK2およびY_CLK2クロ
ック信号の各サイクルの間継続され、デジタル負荷制御
信号DL2,DL3,DL4,DL5 を順に動作可能にして、これはV
CO22が所望の動作周波数まで低速化されるまで続
く。PX2 およびPY2 クロック信号は適当な期間まで延長
され、シフト・レジスタ284がX_CLK2クロック信号の
高論理状態の間に論理1をその25番目ビットの位置ま
でずらさないようにする。HIGH_FREQ1信号は、論理0の
ままになり、HIGH_FREQ2信号は論理1のSAMPLEパルスで
論理0になる。次のロード・セル内の340などのAN
Dゲートの出力は、論理0になり、342などのトラン
ジスタを動作不能にする。前のロード・セルからの論理
1は、次のロード・セルには伝わらない。VCO22
は、所望の周波数で動作している。
【0045】さらに図2のANDゲート62の3個の入
力がそれぞれ論理1のとき、その出力は論理1になりト
ランジスタ64をオフにして、それによりPLL10か
らVDDへの初期化回路32を効果的に取り除くことが
できる。論理1のVDD_DETECT信号と論理0のHIGH_FREQ2
信号は、充電ポンプ16を動作可能にして、通常動作の
間ループ・ノード18を制御する。
【0046】本発明の特定の実施例が図示および解説さ
れたが、さらなる修正および改良が当業者には可能であ
ろう。本発明は図示された特定の形態に制限されるもの
でないことが理解されよう。また、添付の請求項には本
発明の精神と範囲から逸脱しないすべての修正が含まれ
るものとする。
【図面の簡単な説明】
【図1】PLLを図示するブロック図である。
【図2】図1のVDDへの初期化を行う回路を示す概略
ブロック図である。
【図3】図1の対向位相クロック発生器を示す概略図で
ある。
【図4】図1の高周波VCOを示す概略ブロック図であ
る。
【図5】図4のデジタル負荷を示す概略ブロック図であ
る。
【図6】図1の周波数レンジ検出器を示す概略ブロック
図である。
【図7】図6の対向位相クロック発生器を示す概略図で
ある。
【図8】図6のダウン検出器を示す概略図である。
【図9】図6の周波数レンジ検出器の説明に有用な波形
図である。
【図10】図1の負荷制御回路を示すブロック図であ
る。
【図11】図10のロード・セルを示す概略図である。
【符号の説明】
10 位相ロック・ループ(PLL) 14 位相検出器,アップ/ダウン 16 充電ポンプ 20 ループ・フィルタ 22 電圧制御発振器(VCO) 28 対向位相クロック発生器 30 N分周回路 32 VDDへの初期化回路 34 周波数レンジ検出器 36 負荷制御回路 38 デジタル制御負荷
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−287511(JP,A) 特開 平5−14136(JP,A) 特開 平6−169237(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H03L 7/06 - 7/14 H03K 3/03 H03K 3/354

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 制御信号を受信するための制御入力を有
    する電圧制御発振器であって:リング状に直列に結合さ
    れた複数のインバータ(190〜192,200〜20
    2,208〜210)であって、入力と、出力と、第1
    および第2導通端子とを有する第1インバータ(190
    〜192)を含む前記の複数のインバータ(190〜1
    92,200〜202,208〜210);制御入力
    と、第1および第2電流を発生する第1および第2出力
    とを有して、前記制御入力が制御信号を受信する第1電
    流供給手段(150〜154);制御入力と、前記第1
    インバータの前記第1導通端子に第3電流を供給する出
    力とを有して、前記制御入力が制御信号を受信する第2
    電流供給手段(156〜160);前記第1電流供給手
    段の前記第1出力に結合された入力と、前記第1インバ
    ータの前記第2導通端子に結合された出力とを有する第
    1電流ミラー回路(162〜166);および前記第1
    電流供給手段の前記第2出力に結合された入力と、前記
    第1インバータの前記第2導通端子に結合された出力と
    を有する第2電流ミラー回路(174〜180);によ
    って構成されることを特徴とする電圧制御発振器。
  2. 【請求項2】 制御信号を受信する制御入力を有する電
    圧制御発振器であって:入力と、出力と、第1および第
    2導通端子とを有する第1インバータ(190〜19
    2);前記第1インバータの前記出力に結合された入力
    を有し、出力を有する第2インバータ(200〜20
    2);前記第2インバータの前記出力に結合された入力
    を有し、前記第1インバータの前記入力に結合された出
    力を有する第3インバータ(208〜210);制御入
    力と、第1および第2電流を発生する第1および第2出
    力とを有して、前記制御入力が制御信号を受信する第1
    電流供給手段(150〜154);制御入力と、前記第
    1インバータの前記第1導通端子に第3電流を供給する
    出力とを有して、前記制御入力が制御信号を受信する第
    2電流供給手段(156〜160);前記第1電流供給
    手段の前記第1出力に結合された入力と、前記第1イン
    バータの前記第2導通端子に結合された出力とを有する
    第1電流ミラー回路(162〜166);および前記第
    1電流供給手段の前記第2出力に結合された入力と、前
    記第1インバータの前記第2導通端子に結合された出力
    とを有する第2電流ミラー回路(174〜180);に
    よって構成されることを特徴とする電圧制御発振器。
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