JP3600208B2 - クロック/データ・リカバリ回路 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、入力データ信号からクロック信号と該クロックに同期したデータ信号を再生するクロック/データ・リカバリ回路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
クロック/データ・リカバリ回路は、光通信システムのSDH/SONET(基幹網)、point to point伝送、GbE/10GbE、Fibre Channelのルータやクロスコネクト部における光フロントエンド回路レシーバ部等に適用されている。
【0003】
図7に従来のクロック/データ・リカバリ回路の構成を示す。図7において、51は入力データ信号DINを90度遅延させる遅延回路、52は入力データ信号DINをクロック信号CLKにより識別するD型フリップフロップ回路、53は入力データ信号DINと遅延回路51の出力データ信号DYとD型フリップフロップ回路52の出力データ信号DFとを入力して位相比較する位相比較器、54は位相比較器53の出力信号PCから直流成分を取り出すローパスフィルタ(LPF)、55はローパスフィルタ53の出力電圧によりクロック信号CLKの周波数を制御する電圧制御発振器(VCO)である。
【0004】
ここでは、位相比較器53において識別データ信号DF(クロック信号CLK)の入力データ信号DINに対する位相の進み遅れに応じて、+1(ハイレベル)、−1(ロウレベル)の信号を出力し、あるいは位相比較情報が無いときは中間値0を出力し、この信号をローパスフィルタ54に入力して直流成分を抽出し、この直流成分を電圧制御発振器55に周波数制御信号として帰還する(特開平6−252654)。同期状態でない場合には位相比較器53の出力信号CPが+1あるいは−1に固定されず、中間値0にあるため、同期範囲の広いPLL動作を実現できる。さらに、入力データ信号DINに対する同符号連続耐性も有する。図8にこの図7のクロック/データ・リカバリ回路のタイミングチャートを示した。ここでは、立上り時間、立ち下がり時間が0の理想状態の波形を示した。このとき、クロック信号CLKの位相余裕は±180度である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、実際に位相比較器53に入力する信号は、立上りや立ち下がりにある時間を有する。完全なデジタルスイッチングを行うには、入力信号振幅はあるレベル以上(ハイレベル)、あるいはあるレベル以下(ロウレベル)である必要があり、ハイレベルとロウレベルの中間値において位相比較動作がなされたとき、その比較動作は不安定となる。
【0006】
図9に立上り時間、立ち下がり時間が0でない場合の信号波形を示す。図9では、信号振幅をA(V)、立上り時間=立ち下がり時間=t(s)、不定領域の割合を1−x(0≦x≦1)としている。ハイレベル領域およびロウレベル領域はA・x/2、不定領域はA(1−x)、不定領域の時間はt(1−x)で表される。
【0007】
図10に図7の回路の位相比較器53への立上り、立ち下がりに時間を有する入力信号のタイミングチャートを示した。入力信号が完全なハイレベルである領域(時間)をHT、ロウレベルである領域(時間)をLTで示した。図10において、3つの信号の立上りエッジ部に注目すると、クロック信号CLKの進み状態では信号DFのロウレベルのエッジLEは図の▲1▼〜▲2▼の範囲内で、遅れ状態では信号DFのポイントは図の▲3▼〜▲4▼の範囲内で変動可能である。すなわち、位相変動余裕は、中間レベルの時間をTとすると、
位相変動余裕=±360[T/2−t(1−x)]/T (1)
と表すことができる。一方、位相比較器としてEXOR型回路を使用したときは、データ信号DINとDFの波形は図11に示すようになり、
位相変動余裕=±360[T/2−t(1−x)/2]/T (2)
と表すことができる。このように、位相比較器としてEXOR型回路を用いた場合に対し、従来の3値出力型回路を用いた場合は、位相マージンが小さく、クロック/データ・リカバリ回路の同期動作が不安定になるという問題があった。
【0008】
本発明の目的は、位相マージンを拡大し、安定した同期動作を実現することができるようにしたクロック/データ・リカバリ回路を提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
請求項1に係る発明は、入力データ信号を遅延させる第1の遅延回路と、前記入力データ信号をクロック信号で識別する第1のD型フリップフロップ回路と、前記第1の遅延回路の出力信号を前記第1のD型フリップフロップ回路の出力データ信号で識別する第2のD型フリップフロップ回路と、前記第1の遅延回路の出力信号と前記第1のD型フリップフロップ回路の出力信号の位相比較を行うEXOR型の位相比較器と、該位相比較器の出力信号を遅延させる第2の遅延回路と、該第2の遅延回路の出力信号と前記2のD型フリップフロップ回路の出力信号を入力して両信号の位相の差分に応じたパルス幅で+1、−1、又は0のいずれかの信号を出力する合成回路と、該合成回路の出力信号から直流成分を取り出すローパスフィルタと、前記ローパスフィルタ7から出力する電圧信号によって前記クロック信号の周波数を制御する電圧制御発振器とを具備することを特徴とするクロック/データ・リカバリ回路とした。
【0010】
請求項2に係る発明は、請求項1に係る発明において、前記ローパスフィルタと前記電圧制御発振器との間に外部からゲインが調整可能なゲインコントロールアンプを挿入したことを特徴とするクロック/データ・リカバリ回路とした。
【0011】
請求項3に係る発明は、請求項1又は2に係る発明において、前記合成回路は、第1のECL回路を構成する第1、第2のトランジスタと、第2のECL回路を構成する第3、第4のトランジスタと、第3のECL回路を構成する第5、第6のトランジスタと、前記第1、第2のトランジスタの共通エミッタに接続された第1の電流源と、前記5、第6のトランジスタの共通エミッタに接続された第2の電流源と、前記第1、第3のトランジスタのコレクタに共通接続された第1の負荷抵抗と、前記第2、第4のトランジスタのコレクタに共通接続された第2の負荷抵抗とを具備し、前記第5のトランジスタのコレクタは前記第1、第2のトランジスタの共通エミッタに接続され、前記第6のトランジスタのコレクタは前記第3、第4のトランジスタの共通エミッタに接続され、前記第2のD型フリップフロップ回路の出力信号の正相信号は前記第1、第4のトランジスタのベースに接続され、逆相信号は前記第2、第3のトランジスタのベースに接続され、前記第2の遅延回路の出力信号の正相信号は前記第5のトランジスタのベースに接続され、逆相信号は前記6のトランジスタのベースに接続される、ことを特徴とするクロック/データ・リカバリ回路とした。
【0012】
請求項4に係る発明は、請求項1、2又は3に係る発明において、前記第1のD型フリップフロップ回路を、前記入力データ信号を1:N(Nは2以上の整数)多重分離する多重分離回路と、該多重分離回路で多重分離されたN個の信号をN:1に多重化する多重化回路とで構成される回路に置換し、前記多重分離回路および多重化回路の同期信号として前記クロック信号を入力させるようにしたことを特徴とするクロック/データ・リカバリ回路とした。
【0013】
【発明の実施の形態】
[第1の実施の形態]
図1は本発明の第1の実施の形態のクロック/データ・リカバリ回路の構成を示すブロック図である。1は入力データ信号DINを90度遅延させる第1の遅延回路、2は入力データ信号DINをクロック信号CLKで識別する第1のD型フリップフロップ回路、3は遅延回路1の出力データ信号DY1をD型フリップフロップ回路2の出力データ信号DF1で識別する第2のD型フリップフロップ回路、4は遅延回路1の出力データ信号DY1とD型フリップフロップ回路2の出力データ信号DF1の位相比較を行うEXOR型の位相比較器、5はその位相比較器4の出力信号PC1を遅延させる第2の遅延回路、6はその遅延回路5の出力信号DY2とD型フリップフロップ回路3の出力データ信号DF2を入力して+1、−1、又は0のパルス信号COM1(3値)を出力する合成回路、7はその合成回路6の出力信号COM1から直流成分を取り出すローパスフィルタ(LPF)、8は発振するクロック信号CLKの周波数がそのローパスフィルタ7から出力する電圧信号によって制御される電圧制御発振器(VCO)である。
【0014】
本実施形態では、位相比較器4において、D型フリップフロップ回路2で識別したデータDF1(つまりクロック信号CLK)と遅延回路1の出力データDY1の位相差に相当するパルス幅の信号PC1が出力する。また、D型フリップフロップ回路3では、遅延回路1の出力信号DY1に対してD型フリップフロップ回路2の出力信号DF1が進んでいれば0の信号が出力し、遅れていれば1の信号が出力する。すなわち、位相の進み遅れの判定をD型フリップフロップ回路3で行い、位相の進み遅れの量の検出を位相比較器4で行っている。
【0015】
そして、位相比較器4の出力信号PC1を遅延回路5で遅延した信号DY2とD型フリップフロップ回路3の出力信号DF2を、合成回路6で合成するが、この合成回路6では、図2に示すような動作を行い、+1、−1、又は0の3値のパルス信号COM1を出力する。すなわち、合成回路6はクロック信号CLKが入力データ信号DINに対して進んでいるときはその進み量に比例するパルス幅の1の信号を出力し、遅れているときはその遅れ量に比例するパルス幅の−1の信号を出力し、位相比較器4からの出力が0(位相比較情報無し)のときは0の信号を出力する。
【0016】
以上の動作のタイミングチャートを図3に示した。このように本実施形態では、位相の進み遅れの判定と位相の進み遅れの量の検出を別々の回路で行うので、位相マージンが大きくなる。例えば、10Gb/sのデータ信号を入力する場合、入力信号の立上り立ち下がりの時間(図9のt)が40ps、不定領域時間(図9のt(1−x))が20psのとき、図7に示した従来のクロック/データ・リカバリ回路の場合では、式(1)からその位相マージンが±108度であったものが、本実施形態では式(2)から±144度に向上し、位相マージンに1.3倍の余裕ができ、同期動作が安定する。
【0017】
図4は前記した合成回路6の内部構成を示す回路図である。この合成回路6は、第1のECL回路を構成するトランジスタQ1,Q2、第2のECL回路を構成するトランジスタQ3,Q4、第3のECL回路を構成するトランジスタQ5,Q6、トランジスタQ1,Q3に共通の負荷抵抗R1、トランジスタQ2,Q4に共通の負荷抵抗R2、および第1、第2の電流源I1,I2からなる。電流源I1,I2の電流値をI1,I2とすると、I1=I2に設定されている。トランジスタQ1,Q2の共通エミッタはトランジスタQ5のコレクタおよび電流源I1に接続され、トランジスタQ3,Q4の共通エミッタはトランジスタQ6のコレクタに接続され、トランジスタQ5,Q6の共通エミッタは電流源I2に接続されている。D型フリップフロップ回路3の出力信号DF2の正相信号はトランジスタQ1,Q4のベースに、逆相信号はトランジスタQ2,Q3のベースに入力し、遅延回路5の出力信号DY2の正相信号はトランジスタQ5のベースに、逆相信号はトランジスタQ6のベースに入力する。合成回路6をこのように構成にすることにより、入力信号DF2とDY2の論理に応じて、図2に示したような+1、−1、又は0の3値のパルス信号COM1を出力する。
【0018】
[第2の実施形態]
図5は本発明の第2の実施形態のクロック/データ・リカバリ回路の構成を示すブロック図である。前記した図1の回路と同じものには同じ符号を付けた。ここでは、ローパスフィルタ7と電圧制御発振器8との間に、外部からゲイン調整可能なゲインコントロールアンプ(GCA)9を挿入している。
【0019】
このようにゲインコントロールアンプ9を挿入することにより、PLLループのループ帯域が調整可能となり、ジッタトランスファ特性や同期引き込み範囲の調整が可能となる。
【0020】
[第3の実施形態]
図6は本発明の第3の実施形態のクロック/データ・リカバリ回路の構成を示すブロック図である。前記した図5の回路と同じものには同じ符号を付けた。ここでは、図5におけるD型フリップフロップ回路2を、1:2多重分離回路21と2:1多重化回路22とで構成した回路2’(参考:特願2001−063775)としている。1:2多重分離回路21では入力データ信号DINを逆相関係で周期が2倍の2個の多重分離データ信号DX1,DX2に分離し、多重化回路22ではそのデータ信号DX1,DX2を元の周期の1個のデータ信号DF1に多重化する。1:2多重分離回路21と2:1多重化回路22はクロック信号CLKに同期して多重分離や多重化が行われるので、クロック信号CLKは図5におけるクロックCLKの1/2の周波数(入力データ信号DINのビットレートの1/2)となる。すなわち、電圧制御発振器8に要求される動作速度は従来の1/2となり、従来の構成に対し2倍の高速化が可能となる。
【0021】
よって、このような高速化と前記した従来比1.3倍の位相マージンが得られることにより、同期可能範囲(引き込み可能範囲)は従来の約2.1〜2.6倍まで実現が可能となる。従来の10Gb/sの多重分離/多重化回路を具備するクロック/データ・リカバリ回路において、同期範囲を200MHzとすれば、本実施形態では420〜520MHzに拡大可能である。
【0022】
なお、多重分離回路21が1:Nの多重分離を行い、多重化回路22がN:1の多重化を行うよう構成すれば、クロック信号CLKに要求される周波数が1/Nで済むので、さらなる高速化が可能となり、同期可能な入力データ信号の周波数(ビットレート)をさらに高くすることができる。
【0023】
【発明の効果】
以上から本発明によれば、位相比較のための位相マージンが拡大しより高い周波数まで同期動作を安定化させることができる。また、多重分離と多重化を適用することにより、さらに高い周波数まで同期動作を安定化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態のクロック/データ・リカバリ回路のブロック図である。
【図2】図1の回路の合成回路の論理動作の説明図である。
【図3】図1の回路のタイミングチャートである。
【図4】図1の回路の合成回路の具体的な回路図である。
【図5】本発明の第2の実施形態のクロック/データ・リカバリ回路のブロック図である。
【図6】本発明の第3の実施形態のクロック/データ・リカバリ回路のブロック図である。
【図7】従来のクロック/データ・リカバリ回路のブロック図である。
【図8】図7の位相比較器の動作のタイミングチャートである。
【図9】立ち上がり立ち下がりに時間を有する波形の説明図である。
【図10】立ち上がり立ち下がりに時間を有する波形の信号を使用したときの位相比較器の動作のタイミングチャートである。
【図11】立ち上がり立ち下がりに時間を有する波形の信号を使用したときのEXOR回路の動作のタイミングチャートである。
【符号の説明】
1:第1の遅延回路、2:第1のD型フリップフロップ回路、21:多重分離回路、22:多重化回路、3:第2のD型フリップフロップ回路、4:EXOR型の位相比較器、5:第2の遅延回路、6:合成回路、7:ローパスフィルタ、8:電圧制御発振器、9:ゲインコントロールアンプ
51:遅延回路、52:D型フリップフロップ回路、53:位相比較器、54:ローパスフィルタ、55:電圧制御発振器
Claims (4)
- 入力データ信号を遅延させる第1の遅延回路と、前記入力データ信号をクロック信号で識別する第1のD型フリップフロップ回路と、前記第1の遅延回路の出力信号を前記第1のD型フリップフロップ回路の出力データ信号で識別する第2のD型フリップフロップ回路と、前記第1の遅延回路の出力信号と前記第1のD型フリップフロップ回路の出力信号の位相比較を行うEXOR型の位相比較器と、該位相比較器の出力信号を遅延させる第2の遅延回路と、該第2の遅延回路の出力信号と前記2のD型フリップフロップ回路の出力信号を入力して両信号の位相の差分に応じたパルス幅で+1、−1、又は0のいずれかの信号を出力する合成回路と、該合成回路の出力信号から直流成分を取り出すローパスフィルタと、前記ローパスフィルタ7から出力する電圧信号によって前記クロック信号の周波数を制御する電圧制御発振器とを具備することを特徴とするクロック/データ・リカバリ回路。
- 請求項1において、
前記ローパスフィルタと前記電圧制御発振器との間に外部からゲインが調整可能なゲインコントロールアンプを挿入したことを特徴とするクロック/データ・リカバリ回路。 - 請求項1又は2において、
前記合成回路は、第1のECL回路を構成する第1、第2のトランジスタと、第2のECL回路を構成する第3、第4のトランジスタと、第3のECL回路を構成する第5、第6のトランジスタと、前記第1、第2のトランジスタの共通エミッタに接続された第1の電流源と、前記5、第6のトランジスタの共通エミッタに接続された第2の電流源と、前記第1、第3のトランジスタのコレクタに共通接続された第1の負荷抵抗と、前記第2、第4のトランジスタのコレクタに共通接続された第2の負荷抵抗とを具備し、
前記第5のトランジスタのコレクタは前記第1、第2のトランジスタの共通エミッタに接続され、前記第6のトランジスタのコレクタは前記第3、第4のトランジスタの共通エミッタに接続され、
前記第2のD型フリップフロップ回路の出力信号の正相信号は前記第1、第4のトランジスタのベースに接続され、逆相信号は前記第2、第3のトランジスタのベースに接続され、
前記第2の遅延回路の出力信号の正相信号は前記第5のトランジスタのベースに接続され、逆相信号は前記6のトランジスタのベースに接続される、
ことを特徴とするクロック/データ・リカバリ回路。 - 請求項1、2又は3において、
前記第1のD型フリップフロップ回路を、前記入力データ信号を1:N(Nは2以上の整数)多重分離する多重分離回路と、該多重分離回路で多重分離されたN個の信号をN:1に多重化する多重化回路とで構成される回路に置換し、前記多重分離回路および多重化回路の同期信号として前記クロック信号を入力させるようにしたことを特徴とするクロック/データ・リカバリ回路。
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JP2001383886A JP3600208B2 (ja) | 2001-12-18 | 2001-12-18 | クロック/データ・リカバリ回路 |
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