JP3810408B2 - クロック生成回路 - Google Patents
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Description
この発明は、ディジタル伝送システムにおいて基準信号に同期したクロックを生成するクロック生成回路に関するものである。
背景技術
図9は例えば従来のクロック生成回路の構成図であり、図において1は基準信号、3は複数の基準信号の中から1つを選択する選択信号、4は選択回路、5はPLL回路、6は生成クロックである。また、以下はPLL回路を構成するものであり、21は位相比較器、22はローパスフィルタ、23は増幅器、24は基準電圧源、25は電圧制御発振器、26は分周器である。
次に動作について説明する。複数の基準信号1を入力し、選択信号3により選択回路4で1つの基準信号を選択する。図9においては、説明のため2つの基準信号1aおよび1bを入力する場合を示している。次に、選択した基準信号1と分周器26から出力される信号の位相を位相比較器21で比較する。位相比較器21の出力には、選択された基準信号1と分周器26の出力信号の位相差に対応する信号が出力される。この位相差信号はローパスフィルタ22で平滑化され、基準電圧源24との電位差は増幅器23で増幅される。増幅器23の出力電圧で電圧制御発振器25を動作させ、選択した基準信号1と位相同期したクロック信号6を出力する。分周器26は生成クロック6を分周し、基準信号1と位相比較するための信号を生成する。
図10は、複数の基準信号1と選択信号3により選択された選択回路4の出力と生成クロック6および分周器26の出力信号を示したものである。図10の1001は選択信号3により選択回路4にて基準信号1aが選択されている状態であり、分周器26および生成クロック6も基準信号1aに同期している。
図10の1002は選択信号3により選択回路4が切り替わり、基準信号1bを選択している状態であり、この時点では新たに選択された基準信号1bに対して生成クロック6および分周器26の出力の位相がずれている状態にある。この位相のずれに比例して位相比較器21が位相差信号を出力して、ローパスフィルタ22で平滑化と増幅器23による増幅を行い、電圧制御発振器25の発信周波数を制御して分周器26の出力と選択回路4で選択した基準信号1bとの位相が一致するように動作する。
図10の1003では上記回路動作により、切替後の新たな基準信号1bに対して生成クロック6および分周器26の出力が同期している状態である。
従来回路では、選択した基準信号1と生成クロック6の位相を一致させるために、基準電圧源24の調整が必要であった。定常状態において、選択した基準信号1と生成クロック6の位相差は定常位相誤差と呼ばれ、PLL回路5のループゲインを大きくすることで位相差を小さくすることができるが、基準信号1を切り替えた場合に基準信号1の位相変化に追随するため、生成クロック6の過渡的な位相変動が大きくなる欠点があり、定常位相誤差と基準信号1を切り替えた場合に発生する生成クロック6の位相変動量はトレードオフの関係にある。
さらに、通常ローパスフィルタ22は抵抗やコンデンサ等で構成されているため、フィルタ性能の精度をあげようとすると集積化が困難であった。電圧制御発振器25には水晶を用いたVCXO(Voltage Controlled Xtal Oscillator)や、コイルやコンデンサを用いたVCO(Voltage Controlled Oscillator)があるが、VCXOは集積化が困難であり、VCOは変調感度が非常に大きいためPLL回路のループゲインが大きくなってしまうことから基準信号切替時の生成クロックの位相変動が大きくなる問題点があった。
従来のクロック生成回路は以上のように構成されているので、基準信号と生成クロックの位相を一致させるためには基準電圧源の調整が必要である。そして、定常位相誤差や基準信号切替時の過渡応答制御を高精度に制御する場合には、ローパスフィルタや電圧制御発振器の集積化が困難であること、及び基準信号切替時の過渡応答はPLL回路のループゲインやローパスフィルタの時定数に依存することから設計自由度が高くないなどの問題点があった。
この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、基準信号と生成クロックの位相を一致させるための調整が不要であり、回路内の構成要素の全てを集積可能とすると共に、基準信号切替時の過渡応答を高精度に制御可能とし、かつ高い設計自由度を提供することを目的とする。
発明の開示
本発明に係るクロック生成回路は、
複数の基準信号のうち1つを選択し、選択した基準信号に同期したクロックを生成するクロック生成回路であって、以下の要素を有することを特徴とする
(1)前記複数の基準信号毎に設けられ、それぞれの基準信号に同期する出力を生成する複数の前段PLL回路
(2)複数の前記前段PLL回路出力のうち1つを選択する選択回路
(3)前記複数の前段PLL回路と従属接続し、選択した前記出力を入力し、前記クロックを生成する後段PLL回路。
前記クロック生成回路は、更に、前記複数の前段PLL回路の出力毎に設けられ、前記選択した基準信号に対応する前段PLL回路の出力の位相に、他の前段PLL回路の出力の位相を一致させる複数の位相調整回路を有することを特徴とする。
前記位相調整回路は、リングカウンタと、前記リングカウンタの多相出力から1つを選択する選択回路とを有することを特徴とする。
前記複数の前段PLL回路は、前記それぞれの基準信号との周波数同期を行い、
前記後段PLL回路は、前記選択した基準信号との位相同期を行い、
クロック生成回路は、更に、前記複数の前段PLL回路の出力毎に設けられた複数の位相調整回路を有し、前記選択した基準信号の位相に、生成した前記クロックを分周した信号の位相を一致させるように、前記選択した基準信号に対応した位相調整回路を制御し、
前記複数の位相調整回路は、前記選択した基準信号に対応する前段PLL回路の出力の位相に、他の前段PLL回路の出力の位相を一致させることを特徴とする。
本発明に係るクロック生成回路は、
前記選択した基準信号の周期に比例して、前記位相調整回路を制御することを特徴とする。
本発明に係るクロック生成回路は、
前記生成クロックの分周周期に比例して、前記位相調整回路を制御することを特徴とする。
発明を実施するための最良の形態
実施の形態1.
以下、この実施の形態1について、図1を用いて説明する。図1において、1は基準信号、2はPLL回路、3は選択信号、4は選択回路、5はPLL回路、6は生成クロックである。図2は、図1における各部の波形を示したものである。
図1に示すように、基準信号1はそれぞれPLL回路2に入力される。すなわち、基準信号1aはPLL回路2aに、基準信号1bはPLL回路2bに入力される。PLL回路2aおよびPLL回路2bでは、それぞれ入力した基準信号1aおよび基準信号1bに同期した1次クロックを出力する。
次に、選択回路4は、選択信号3によりそれぞれのPLL回路2から出力される基準信号に同期した1次クロックの中から1つを選択し、次段のPLL回路5に入力する。PLL回路5は選択した1次クロックに同期した生成クロック6を出力する。
図2の201および202は、選択信号3にて基準信号1aが選択されている場合の各部の波形を示したものである。図2の201に示すように、PLL回路2aの出力は基準信号1aに、PLL回路2bの出力は基準信号1bにそれぞれ同期しており、選択信号3により選択回路4では基準信号1aを選択している。そのため、生成クロック6は基準信号1aに位相同期している。図2の202に示すように、選択回路4は、選択信号3により基準信号1aを選択している状態である。そのため、生成クロック6は、基準信号1bとは位相同期していない。
図2の203では、選択信号3により選択回路4で選択する基準信号を基準信号1bに切り替えた直後の各部の波形を示したものである。この状態では選択回路4の出力は基準信号1bに同期しているが、PLL回路5は切替後の基準信号1bへ同期する過渡状態にあり、生成クロック6はまだ基準信号1bに位相同期していない。
図2の204は時間が経過して定常状態になった場合の各部の波形を示したものであり、生成クロック6は選択信号3により選択回路4で選択された基準信号1bに位相同期している。
実施の形態1では、基準信号1にそれぞれPLL回路2を設けて、それぞれの基準信号1に同期した1次クロックを生成し、これらの1次クロックの中から1つを選択して次段のPLL回路5へ入力して生成クロック6を得る構成としたので、従来技術では選択信号3に基づいて基準信号1を切り替えた場合に、切替前の基準信号1と切替後の基準信号1の間の位相差がクロックを生成するPLL回路5に直接入力されていたのに対して,本形態ではPLL回路2から出力される1次クロックの切替前と切替後の位相差が、クロックを生成するPLL回路5に入力されることになる。図2に示すように、基準信号1より高速の1次クロックを生成することで、基準信号1を切り替えた場合にPLL回路5に入力される位相差を大幅に小さくすることが可能となり、結果としてPLL回路5から出力する生成クロック6の位相変動も大幅に小さくすることができ、システムとして安定なクロックを供給することができる。
さらに、それぞれの基準信号1に対してPLL回路2を設ける構成としたことで、それぞれのPLL回路2については切替による入力信号の位相跳躍が発生しない。そのため、従来技術では入力信号の位相跳躍による過渡応答とのトレードオフであったPLL回路のループゲイン設定の課題について、本発明の場合にはPLL回路2のループゲインを大きく設定することができる。これにより、従来技術で必要であった位相調整を不要とすることができる。PLL回路5についても同様に、入力信号の位相跳躍が大幅に小さくなるためループゲインを大きくすることができ、位相調整を不要とすることができる。
上述のようにPLL回路2およびPLL回路5の両方について入力信号の位相跳躍が大幅に小さくなることは、上述のようにループゲインを大きく設定できることに加えて、過渡応答の制御精度を緩和できることにつながる。従って、電圧制御発振器25やローパスフィルタ22の集積化が可能となり、装置の小型化、低消費電力化が可能となる。
実施の形態1では、入力する基準信号1が2種類の例を示したが、さらに多数の基準信号1を入力する場合にも本発明は有効である。また、2段のPLL回路が従属接続する場合を示したが、この例によらず多段のPLL回路を従属接続する構成にしてもよい。
実施の形態2.
実施の形態2について図を用いて説明する。図3において、1は基準信号、2は(前段)PLL回路、3は選択信号、4は選択回路、5は(後段)PLL回路、6は生成クロック、7は位相調整回路、8は位相比較回路、9は制御回路である。
実施の形態2では、基準信号1を入力するPLL回路2の出力にそれぞれ位相調整回路7を設け、選択信号3により選択回路4で選択した基準信号1に対応するPLL回路2を介して位相調整回路7から出力される1次クロックの位相に、その他の基準信号1に対応するPLL回路2を介して位相調整回路7から出力される1次クロックの位相を一致させるようにしたものである。選択された1次クロックとその他の1次クロックの位相を位相比較回路8で比較し、制御回路9は両者の位相が一致するように、選択されていない1次クロックを出力する位相調整回路を制御する。
上述のように、選択されている1次クロックの位相と一致するように、その他の選択されていない1次クロックの位相を制御するようにしたので、選択信号3に基づいて選択回路4による切替が行われても、PLL回路5に入力される信号に位相跳躍が発生しないため、実施の形態1に示した無調整化と集積化の利点を継承した上で、さらに安定したクロックを供給できる。
実施の形態3.
実施の形態3は、実施の形態2における位相調整回路7をリングカウンタおよび選択回路で構成するものである。
図4において、1は基準信号、2は(前段)PLL回路、7は位相調整回路、10はフリップフロップ、11はNOR回路、12は選択回路、13は制御信号、14は位相調整回路の出力である。図5は、図4における各部の波形を示したものである。
PLL回路2から出力される1次クロックにより、フリップフロップ10およびNOR回路11で構成されるリングカウンタを駆動する。図5に示すように、フリップフロップ10a〜フリップフロップ10yの出力はリングカウンタの段数に応じた多相信号となる。これら多相信号の中から、選択回路12を用いて1つを選択することで位相調整回路7を構成するものである。フリップフロップ10a〜フリップフロップ10yの出力は周期性がある。位相調整制御において、フリップフロップ10yの出力を選択回路12で選択している状態からさらに位相を遅らせる制御が必要な場合には、選択回路12にてフリップフロップ10aの出力を選択すればよい。微少な位相を順次増減する位相調整の制御方法として、選択回路12にて選択するフリップフロップ10の出力を周回的に選択する。これにより、位相調整回路7における位相調整範囲は無限大とすることができる。
位相調整回路7におけるリングカウンタを構成するフリップフロップ10の段数は、PLL回路2より出力される1次クロックの速度とあわせて決定される。具体的には、選択回路4で切り替えを行った場合にPLL回路5から出力される生成クロック6に位相跳躍が発生しないように、位相調整制御に必要な分解能としてフリップフロップ10の段数が決定される。
上述のように位相調整回路7を構成することにより、位相調整範囲を無限大とすることができ、位相調整の制御分解能を自由に設定できる。
実施の形態4.
実施の形態4は、実施の形態1に示した基準信号1毎のPLL回路2にて基準信号との周波数同期を行い、これら周波数同期した信号の中から1つを選択回路4により選択し、選択した信号を次段のPLL回路5に入力し、次段のPLL回路5において、選択した基準信号1との位相同期を行うものである。
図6において、1は基準信号、2は(前段)PLL回路、3は選択信号、4は選択回路、5は(後段)PLL回路、6は生成クロック、7は位相調整回路、8は位相比較回路、9は制御回路、15は選択回路、16は位相比較回路、17は制御回路、18は分周回路、19は選択回路、20は選択回路である。
入力する複数の基準信号1はそれぞれPLL回路2に入力される。PLL回路2からはそれぞれ入力した基準信号1に周波数同期した1次クロックが出力され、1次クロックは、それぞれ位相調整回路7を経て選択回路4に入力され、選択信号3により入力された1次クロックのうち1つが選択されてPLL回路5に入力される。PLL回路5からは生成クロック6が出力される。
更に、基準信号1は選択回路15に入力され、選択信号3により1つの基準信号1が選択される。この選択回路15と前記選択回路4は同じ系統の基準信号1および周波数同期した1次クロックを選択する。位相比較回路16は、選択回路15で選択された基準信号1と生成クロック6を分周回路18で分周した信号との位相比較を行う。位相比較結果は制御回路17に入力され、選択した基準信号1に対応する位相調整回路7の制御に用いられる。位相調整回路7は、基準信号1と分周回路18から出力される分周信号との位相を一致させる動作を行う。
位相比較回路8は選択された基準信号1を入力したPLL回路2から出力される1次クロックの位相と、他の基準信号1を入力したPLL回路2から出力される1次クロックの位相を比較する。位相比較結果は制御回路9に入力され、他の基準信号1に対応する位相調整回路7の制御に用いられる。位相調整回路7は、選択した基準信号1に対応する1次クロックと他の基準信号に1に対応する1次クロックとの位相を一致させる動作を行う。選択回路19および選択回路20は、選択された基準信号1に対応する位相調整回路7に対する制御と他の基準信号に対応する位相調整回路7に対する制御を、選択信号3に対応して選択する。
上述のように、初段のPLL回路2で基準信号1との周波数同期を行い、次段のPLL回路5で選択した基準信号1との位相同期を行う構成としたので、システムに対して選択した基準信号1に周波数同期した生成クロック6を供給するだけでなく、選択した基準信号1に一致した位相を再生することができる。これは、例えばフレーム位相信号に用いることができる。また、選択した基準信号1に対応する1次クロックの位相に対して、その他の基準信号1に対応する1次クロックの位相を一致させるようにしたので、選択信号3に基づいて選択回路4にて基準信号1の切替が行なわれた場合にPLL回路5に入力される信号に位相跳躍が発生しないため、安定したクロックを供給できる。
実施の形態5.
実施の形態5は、実施の形態4において位相調整回路7を制御する制御回路17および制御回路9を、選択した基準信号1の周期に比例して制御するものである。
図7において、1は基準信号、2は(前段)PLL回路、3は選択信号、4は選択回路、5は(後段)PLL回路、6は生成クロック、7は位相調整回路、8は位相比較回路、9は制御回路、15は選択回路、16は位相比較回路、17は制御回路、18は分周回路、19は選択回路、20は選択回路である。
制御を行う周期は、選択信号3で選択する基準信号1の切替を行った場合の過渡応答を決定するものである。従来技術のようにローパスフィルタの周波数特性にて過渡応答を制御する場合に比較して、実施の形態5は、高精度に制御することが可能となる。また、従来技術ではローパスフィルタの周波数応答の実現性の理由により、基準信号1を切り替えた場合の過渡応答の設計自由度に制約があったが、実施の形態5では論理回路処理に基づく制御が行なわれるので、設計の自由度が高い利点がある。
実施の形態6.
実施の形態6は、実施の形態4において位相調整回路7を制御する制御回路17および制御回路9を、生成クロック6を分周回路18で分周した信号の周期に比例して制御するものである。
図8において、1は基準信号、2は(前段)PLL回路、3は選択信号、4は選択回路、5は(後段)PLL回路、6は生成クロック、7は位相調整回路、8は位相比較回路、9は制御回路、15は選択回路、16は位相比較回路、17は制御回路、18は分周回路、19は選択回路、20は選択回路である。
制御を行う周期は、選択信号3で選択する基準信号1の切替を行った場合の過渡応答を決定するものである。従来技術のようにローパスフィルタの周波数特性にて過渡応答を制御する場合に比較して、実施の形態6は高精度に制御することが可能となる。また、従来技術ではローパスフィルタの周波数応答の実現性の理由により、基準信号1を切り替えた場合の過渡応答の設計自由度に制約があったが、実施の形態6では論理回路処理に基づく制御が行なわれるので、設計の自由度が高い利点がある。
以上のように、この発明に係るクロック生成回路は、入力する基準信号毎にPLL回路を設け、基準信号毎に設けたPLL回路の出力から1つを選択し、次段のPLL回路へ入力する構成を取り、複数段のPLL回路を従属接続するようにしたものである。さらに基準信号毎に設けたPLL回路の出力に位相調整回路を設け、位相調整回路を用いて、選択されている基準信号を入力するPLL回路の出力位相と、他の基準信号を入力したPLL回路の出力の位相を一致させるようにし、位相調整回路をリングカウンタと、リングカウンタの多相出力から1つを選択する選択回路とで構成したものである。また、基準信号毎に設けたPLL回路で基準信号との周波数同期を行い、この中の1つを選択して次段のPLL回路で基準信号との位相同期を行うようにし、位相調整回路の制御を基準信号または生成したクロック信号の周期に比例して制御すようにしたものである。
産業上の利用可能性
基準信号1より高速の1次クロックを生成することで、基準信号1を切り替えた場合にPLL回路5に入力される位相差を大幅に小さくすることが可能となり、結果としてPLL回路5から出力する生成クロック6の位相変動も大幅に小さくすることができ、システムとして安定なクロックを供給することができる。
さらに、それぞれの基準信号1に対してPLL回路2を設ける構成としたことで、それぞれのPLL回路2については切替による入力信号の位相跳躍が発生しない。そのため、従来技術では入力信号の位相跳躍による過渡応答とのトレードオフであったPLL回路のループゲイン設定の課題について、本発明の場合にはPLL回路2のループゲインを大きく設定することができる。これにより、従来技術で必要であった位相調整を不要とすることができる。PLL回路5についても同様に、入力信号の位相跳躍が大幅に小さくなるためループゲインを大きくすることができ、位相調整を不要とすることができる。
上述のように、PLL回路2およびPLL回路5の両方について入力信号の位相跳躍が大幅に小さくなることは、上述のようにループゲインを大きく設定できることに加えて、過渡応答の制御精度を緩和できることにつながる。従って、電圧制御発振器25やローパスフィルタ22の集積化が可能となり、装置の小型化、低消費電力化が可能となる。
選択されている1次クロックの位相と一致するように、その他の選択されていない1次クロックの位相を制御するようにしたので、選択信号3に基づいて、選択回路4による切替が行われてもPLL回路5に入力される信号に位相跳躍が発生しないため、実施の形態1に示した無調整化と集積化の利点を継承した上で、さらに安定したクロックを供給できる。
位相調整回路7を構成することにより、位相調整範囲を無限大とすることができ、位相調整の制御分解能を自由に設定できる。
初段のPLL回路2で基準信号1の周波数同期を行い、次段のPLL回路5で選択した基準信号1との位相同期を行う構成としたので、システムに対して選択した基準信号1に周波数同期した生成クロック6を供給するだけでなく、選択した基準信号1に一致した位相を再生することができる。これは、例えばフレーム位相信号に用いることができる。また、選択した基準信号1に対応する1次クロックの位相に対して、その他の基準信号1に対応する1次クロックの位相を一致させるようにしたので、選択信号3に基づいて選択回路4にて基準信号1の切替が行われた場合にPLL回路5に入力される信号に位相跳躍が発生しないため、安定したクロックを供給できる。
従来技術のようにローパスフィルタの周波数特性にて過渡応答を制御する場合に比較して、実施の形態5は、高精度に制御することが可能となる。また、従来技術ではローパスフィルタの周波数応答の実現性の理由により、基準信号1を切り替えた場合の過渡応答の設計自由度に制約があったが、実施の形態5では論理回路処理に基づく制御が行われるので、設計の自由度が高い利点がある。
従来技術のようにローパスフィルタの周波数特性にて過渡応答を制御する場合に比較して、実施の形態6は高精度に制御することが可能となる。また、従来技術ではローパスフィルタの周波数応答の実現性の理由により、基準信号1を切り替えた場合の過渡応答の設計自由度に制約があったが、実施の形態6では論理回路処理に基づく制御が行われるので、設計の自由度が高い利点がある。
【図面の簡単な説明】
図1は、実施の形態1によるクロック生成回路の構成図である。
図2は、実施の形態1によるクロック生成回路の各部の波形である。
図3は、実施の形態2によるクロック生成回路の構成図である。
図4は、実施の形態3による位相調整回路の構成図である。
図5は、実施の形態3による位相調整回路の各部の波形である。
図6は、実施の形態4によるクロック生成回路の構成図である。
図7は、実施の形態5によるクロック生成回路の構成図である。
図8は、実施の形態6によるクロック生成回路の構成図である。
図9は、従来の技術によるクロック生成回路の構成図である。
図10は、従来の技術によるクロック生成回路の各部の波形である。
Claims (5)
- 複数の基準信号のうち1つを選択し、選択した基準信号に同期したクロックを生成するクロック生成回路であって、以下の要素を有することを特徴とするクロック生成回路
(1)前記複数の基準信号毎に設けられ、それぞれの基準信号に同期する出力を生成する複数の前段PLL回路
(2)複数の前記前段PLL回路出力のうち1つを選択する選択回路
(3)前記複数の前段PLL回路と従属接続し、選択した前記出力を入力し、前記クロックを生成する後段PLL回路
(4)前記複数の前段PLL回路の出力毎に設けられ、前記選択した基準信号に対応する前段PLL回路の出力の位相に、他の前段PLL回路の出力の位相を一致させる複数の位相調整回路。 - 前記位相調整回路は、リングカウンタと、前記リングカウンタの多相出力から1つを選択する選択回路とを有することを特徴とする請求項1記載のクロック生成回路。
- 前記複数の前段PLL回路は、前記それぞれの基準信号との周波数同期を行い、
前記後段PLL回路は、前記選択した基準信号との位相同期を行い、
クロック生成回路は、前記選択した基準信号の位相に、生成した前記クロックを分周した信号の位相を一致させるように、前記選択した基準信号に対応した位相調整回路を制御し、
前記複数の位相調整回路は、前記選択した基準信号に対応する前段PLL回路の出力の位相に、他の前段PLL回路の出力の位相を一致させることを特徴とする請求項1記載のクロック生成回路。 - クロック生成回路は、前記選択した基準信号の周期に比例して、前記位相調整回路を制御することを特徴とする請求項3記載のクロック生成回路。
- クロック生成回路は、前記生成クロックの分周周期に比例して、前記位相調整回路を制御することを特徴とする請求項3記載のクロック生成回路。
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