JP3939715B2 - 位相同期ループ回路 - Google Patents

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    • H04L7/0337Selecting between two or more discretely delayed clocks or selecting between two or more discretely delayed received code signals

Description

本発明は、位相同期ループ(PLL:Phase Locked Loop)回路に係り、特にアナログのループフィルタを有するPLL回路に関する。
図5に、アナログのループフィルタを有するディジタル型PLL回路の基本構成を示す。このPLL回路は、クロック入力/アナログ出力型の位相比較器100と、アナログのループフィルタ102と、アナログ入力/クロック出力型の電圧制御発振器(VCO)104とで構成される。
位相比較器100は、入力クロックINCKとVCO104からの出力または帰還クロックPLLCKとを入力し、両クロックINCK,PLLCKの位相誤差を表すアナログの位相誤差信号φerを出力する。ループフィルタ102は、ローパスフィルタからなり、位相比較器100からの位相誤差信号φerを積分する。ループフィルタ102の出力電圧は制御電圧SvとしてVCO104に入力され、VCO104は制御電圧Svに応じた可変周波数のクロックPLLCKを発振出力する。このPLL回路において、入力クロックINCKとVCOクロックPLLCKの位相誤差が零でないときは、その位相誤差が位相誤差信号φerおよび制御電圧Svを通じてVCO104に帰還され、VCO104は位相誤差を零にするようにクロックPLLCKの周波数を変化させる。
一般に、ループフィルタ102は、RC回路で構成される受動型と、演算増幅器を有する能動型とに分類される。図6に能動型の一構成例を示す。この能動型のループフィルタ102は、演算増幅器106と入力抵抗108とRC帰還回路(110、112)とからなる積分器として構成されている。この積分器において、演算増幅器106の反転入力端子(-)には入力抵抗108を介して位相比較器100の出力端子が接続され、非反転入力端子(+)には基準電圧VREFが与えられ、反転入力端子(-)と出力端子との間に抵抗110とコンデンサ112とが直列に接続される。このループフィルタ102の伝達関数または積分定数は、入力抵抗108、帰還抵抗110の抵抗値とコンデンサ112のキャパシタンスとで決まる。
位相比較器100は、両クロックINCK,PLLCKの位相誤差に応じてアップ信号UPまたはダウン信号DWを出力する比較部(図示せず)を有する場合は、出力段または後段にチャージポンプ回路114を備える。このタイプでは、PLLクロックPLLCKの位相が入力クロックINCKの位相よりも進んでいるときは、該比較部よりアップ信号UPが出力され、このアップ信号UPが出ている期間中はチャージポンプ回路114の正極側電源電圧Vdd側のスイッチ116がオンする。そうすると、位相誤差信号φerが増大してループフィルタ102の出力電圧Svが減少し、PLLクロックPLLCKの周波数が下がる方向に変化する。PLLクロックPLLCKの位相が入力クロックINCKの位相よりも遅れているときは、該比較部よりダウン信号DWが出力され、このダウン信号DWが出ている期間中はチャージポンプ回路114の負極側電源電圧Vss側のスイッチ118がオンする。これにより、位相誤差信号φerが減少してループフィルタ102の出力電圧Svが上昇し、PLLクロックPLLCKの周波数が上がる方向に変化する。
演算増幅器106の非反転入力端子(+)に与えられる基準電圧VREFは任意の電圧値に設定可能であるが、位相比較器100の出力段に上記のようなチャージポンプ回路114が設けられている場合は、電源電圧の中心レベル(Vdd/2)に設定されてよい。また、チャージポンプ回路114においては、正極側電源電圧端子とスイッチ116との間にソース電流用の定電流源(図示せず)が設けられるとともに、スイッチ118と負極側電源電圧端子との間にシンク電流用の定電流源(図示せず)が設けられてもよい。スイッチ116,118は通常はトランジスタで構成される。
このように、ループフィルタ102を能動型に構成すると、受動型の場合と比較して、より大きなゲインが得られるだけでなく、ループフィルタ102の出力つまり制御電圧Svの変化がループフィルタ102の入力つまり位相比較器100の出力に影響するのを防止できるという利点がある。特に、CD(Compact Disc)やDVD(Digital Versatile Disc)などの光ディスク再生においてクロックデータリカバリー(CDR:Clock Data Recovery)に用いられるPLL回路では、再生速度に応じて制御電圧が変化するので、能動型が有利である。受動型は、制御電圧の変化がループフィルタを介して位相比較器の出力に伝わって、チャージポンプ回路におけるソース電流/シンク電流のバランスに悪影響を与え、信号再生の同期化ポイントがずれやすい。その点、能動型は、再生速度に応じて制御電圧が変化しても、その電圧変化が位相比較器の出力に伝わらないので、チャージポンプ回路におけるソース電流/シンク電流のバランスが崩れることがなく、信号再生の同期化ポイントを広帯域にわたって安定良好に保つことができる。
しかしながら、能動型のループフィルタは演算増幅器を用いるため、演算増幅器に付物のオフセットが当該PLL回路の諸特性に悪影響を及ぼすという問題がある。
たとえば、上記のような光ディスク再生用のPLL回路では、入力信号がクロックそのものではなく、複数種類のパルス幅を有する二値のパルス列信号またはシリアル・データ・ストリームとして与えられ、PLL回路側でシリアル・データ・ストリームの規則性を検出し、各パルスのエッジからチャネル・クロック情報を読み取る(抽出する)機能をもたなければならない。このため、同期範囲を広げるうえで、位相比較器100内に、あるいはそれと並列に周波数比較器を備え、該周波数比較器とループフィルタ102とVCO104とで周波数同期ループを形成できるようになっている。
この種のアプリケーションで問題になるのは、光ディスクの表面に付着した指紋の跡やゴミ、傷などによって再生時にシリアル・データ・ストリームが一瞬途切れる場合である。この場合は、再生RF信号の欠落を検出する前段回路または制御回路からデフェクト信号DFが発せられ、このデフェクト信号DFに応じてPLL回路がVCO発振周波数をホールドするようになっている。たとえば、図6の構成では、デフェクト信号DFがアクティブ(ON)になると、チャージポンプ回路114の両スイッチ116,118を強制的に同時オフ状態にする。これにより、チャージポンプ回路114の出力は入力抵抗108側からみると高インピーダンスになる。この時、チャージポンプ回路114の出力から入力抵抗108までの経路は演算増幅器106の反転入力(-)に対して入力抵抗108の抵抗値が無視できるくらいに高い(理想的には無限大の)インピーダンスとなるため、積分速度は限りなく遅くなり、見掛け上、演算増幅器106の出力電圧つまりVCO制御電圧Svをホールドする状態となる。これによって、VCO104は、シリアル・データ・ストリームが途切れる直前の発振周波数を維持したまま自走することができる。
ところが、演算増幅器106にオフセットがあると、上記のようなホールド状態に対してオフセット電圧がDC的に関わることになり、デフェクト信号DFがONになっているのにも拘わらずVCO制御電圧Svを変化させ、それによってVCO104の発振周波数を不所望に変化させる。この発振周波数の変化が位相比較器100のロックレンジ(位相引き込み範囲)内に収まっているときは問題ないが、そのロックレンジを逸脱すると周波数同期が外れてしまう。そうなると、デフェクト信号DFを解除した後に周波数同期ループを起動させて周波数引き込みからやり直さなくてはならず、位相同期を再確立するまでに長い時間を費やしてしまう。位相同期の再確立までの時間が長いと、たとえばCDやDVDなどで再生中に音飛びや動画像の停止という形でデータ欠落の事態を視聴者に知覚されることになり、望ましくない。
能動型ループフィルタの演算増幅器にオフセットがある場合の別の弊害は、シリアル・データ・ストリームのパルス列をPLLクロックで同期化する際に位相マージンが減少することである。一般に、光ディスクなどから読み出されるシリアル・データ・ストリームはディスク製造時のビット長のばらつきなどにより大きなジッタ成分を持っているため、アイ・パターンの中心で0か1かを判定するようにしており、アイ・パターンの中心を狙って同期化しなければ、ジッタの影響を受けて誤ったデータ検出をする可能性が高まる。このため、CDR用のPLL回路では、PLLクロックがチャネル・クロックに同期している状態の下でPLLクロックのエッジ(同期化ポイント)がアイ・パターンの中心にくるようにタイミング設計がなされる。ところが、ループフィルタにオフセットがあると、同期化ポイントがオフセットの大きさに応じてアイ・パターンの中心からずれてしまい、結果として再生データの誤り率が増大する。
従来は、ループフィルタの演算増幅器に多少のオフセットが存在しても、入力抵抗(108)や帰還回路(110,112)の値の調整により、積分器のスピード(出力変化スロープの傾き)を遅くすることで、オフセットの影響を回避することができた。しかしながら、昨今のようにシリアル・データ・ストリームの周波数が高速化してくると、たとえば光ディスク再生においてはシーク動作からの引き込み特性などで高速化の要求が高まってくる。このためには、ループフィルタで積分器のスピードを速める必要があり、演算増幅器のオフセットに対する耐性を犠牲にしなければならない。このように、ループフィルタにおいて積分器の特性を調整する方法は、それぞれの要求性能の間でトレード・オフの関係となっており、全ての要求性能を同時に向上させることはできなかった。
本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、アナログ(特に能動型)ループフィルタのオフセットを自動的に補正して同期クロックまたは周波数の安定性および精度を向上させる位相同期ループ(PLL)回路を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明の第1の位相同期ループ回路は、入力信号に同期したクロックを生成する位相同期ループ回路であって、前記クロックを発振出力し、アナログの制御電圧に応じて前記クロックの周波数を変化させる電圧制御発振器と、周波数および位相の少なくとも一方について前記入力信号と前記電圧制御発振器より帰還されるクロックとを比較して、その比較誤差に応じた第1のアナログ誤差信号を出力する第1の比較回路と、演算増幅器を有し、前記第1の比較回路からの前記第1のアナログ誤差信号を入力し、前記第1のアナログ誤差信号を積分して前記電圧制御発振器に対する前記制御電圧を出力するループフィルタと、周波数および位相の少なくとも一方について任意の基準クロックと前記電圧制御発振器より帰還されるクロックとを比較して、その比較結果を表す信号を出力する第2の比較回路と、前記第1の比較回路の出力から前記ループフィルタの入力を遮断した状態の下で、前記第2の比較回路の出力信号に応じた第2のアナログ誤差信号を前記ループフィルタに供給して、前記帰還クロックが前記基準クロックに同期しているときの前記第2のアナログ誤差信号の値をオフセット補正値と同定し、前記第1の比較回路の出力に前記ループフィルタの入力が接続された状態の下で前記ループフィルタに前記オフセット補正値を有するアナログのオフセット補正信号を供給するオフセット補正回路とを有する。
上記の構成においては、第1の比較回路の出力をループフィルタの入力から切ってオフセット補正回路からの第2のアナログ誤差信号をループフィルタに入力し、この状態で同期が確立すると、ループフィルタにおける演算増幅器の出力電流がほぼゼロになる。オフセット補正回路は、このときの第2のアナログ誤差信号の値をオフセット補正値と同定する。そして、第1の比較回路の出力をループフィルタの入力に接続して通常動作を行うときは、オフセット補正回路より上記オフセット補正値を有するアナログのオフセット補正信号をループフィルタに供給することにより、ループフィルタにおける演算増幅器のオフセットを補正またはキャンセルした状態で通常の同期ループを働かせることができる。
本発明の好ましい一態様によれば、オフセット補正回路が、第2の比較回路の出力信号に応じてディジタルコードの値を可変するコード可変部と、このコード可変部により選択されたコードの中でオフセット補正値に対応するコードをオフセット補正コードとして保持するコード保持部と、コード可変部またはコード保持部より与えられるコードをアナログ信号に変換して第2のアナログ誤差信号またはオフセット補正信号とするディジタル−アナログ変換器とを有する。この構成においては、オフセット補正コードとオフセット補正値またはオフセット補正信号との間に一義的な対応関係があるので、直接的には(信号処理的には)オフセット補正コードを同定することによって、オフセット補正値を間接的に同定することができる。
本発明においては、ループフィルタが演算増幅器を有するが、この場合、該演算増幅器がローパスフィルタまたは積分器を構成するために、第1の比較回路の出力端子と演算増幅器の反転入力端子との間に第1の抵抗が接続され、演算増幅器の非反転入力端子と出力端子との間に少なくともコンデンサを含む帰還回路が接続され、演算増幅器の出力端子が電圧制御発振器の入力端子に接続されてよい。
また、本発明の好ましい一態様によれば、オフセット補正の計測分解能や補正分解能を高めるために、第2の比較回路の出力端子が第2の抵抗を介して演算増幅器の反転入力端子に接続され、演算増幅器の非反転入力端子に所定の基準電圧が入力される。あるいは、別の好適な一態様として、第2の比較回路の出力端子が第2の抵抗を介して演算増幅器の非反転入力端子に接続され、演算増幅器の反転入力端子に所定の基準電圧が入力される。この場合は、基準電圧が、基準電圧発生回路より第3の抵抗を介して演算増幅器の反転入力端子に供給されることで、オフセット補正の計測分解能や補正分解能を一層高くすることができる。
また、本発明の好ましい一態様によれば、第1の比較回路が、入力信号の周波数とクロックの周波数とを比較して、その比較誤差に応じた周波数誤差信号を出力する周波数比較回路と、入力信号の位相とクロックの位相とを比較して、その比較誤差に応じた位相誤差信号を出力する位相比較回路とを有し、周波数比較回路を働かせてクロックの周波数を入力信号の周波数に合わせ、位相比較回路を働かせてクロックの位相を入力信号の位相に合わせる。このように、周波数比較回路と位相比較回路とを併有する構成により、通常動作における同期確立を確実に行うことができる。もっとも、第1の比較回路において、周波数比較回路および位相比較回路の片方だけを有する構成も可能である。
また、本発明の好ましい一態様によれば、入力信号が、ビット周期の整数倍の可変パルス幅を有する二値のパルス列信号であり、第1の比較回路における周波数比較回路が、パルス列信号のビット周期を規定するチャネル・クロックの周波数を検出して、検出したチャネル・クロックの周波数とクロックの周波数とを比較し、第1の比較回路における位相比較回路が、時間軸上でパルス列信号のパルスエッジのタイミングとクロックのクロックエッジのタイミングとを比較する。本発明によれば、ループフィルタのオフセットを補正できるため、クロック再生や信号再生識別を高い精度で安定確実に行うことができる。
本発明の第2の位相同期ループ回路は、アナログ入力信号に同期したアナログ周波数信号を生成する位相同期ループ回路であって、前記周波数信号を発振出力し、制御電圧に応じて前記周波数信号の周波数を変化させる電圧制御発振器と、周波数および位相の少なくとも一方について前記入力信号と前記電圧制御発振器より帰還される周波数信号とを比較して、その比較誤差に応じた第1の誤差信号を出力する第1の比較回路と、演算増幅器を有し、前記第1の比較回路からの前記第1の誤差信号を入力し、前記第1の誤差信号を積分して前記電圧制御発振器に対する前記制御電圧を出力するループフィルタと、周波数および位相の少なくとも一方について任意の基準周波数信号と前記電圧制御発振器より帰還される周波数信号とを比較して、その比較結果を表す信号を出力する第2の比較回路と、前記第1の比較回路の出力から前記ループフィルタの入力を遮断した状態の下で、前記第2の比較回路の出力信号に応じた第2の誤差信号を前記ループフィルタに供給して、前記帰還周波数信号が前記基準周波数信号に同期しているときの前記第2の誤差信号の値をオフセット補正値と同定し、前記第1の比較回路の出力に前記ループフィルタの入力が接続された状態の下で前記ループフィルタに前記オフセット補正値を有するオフセット補正信号を供給するオフセット補正回路とを有する。
このような完全アナログ型の第2のPLL回路においても、上記第1のPLL回路と同様の作用効果が得られる。
また、本発明の第3の位相同期ループ回路は、制御電圧に応じた周波数の発振信号を出力する電圧制御発信器と、入力信号と上記発振信号とを入力して両信号の位相差又は周波数差に応じた第1の誤差信号を生成する第1の比較回路と、基準信号と上記発振信号とを入力して両信号の位相差又は周波数差に応じた第1の誤差信号を生成する第2の比較回路と、上記第2の誤差信号を保持し、その保持した上記第2の誤差信号の値を補正信号として出力する補正回路と、オペアンプを有し、上記第1の誤差信号と上記補正信号とを入力して上記制御電圧を生成する能動型のローパルフィルタとを有し、上記第2の誤差信号のみを上記ローパスフィルタに供給して上記基準信号と上記発振信号とが一致する上記第2の誤差信号を上記補正信号として決定し、その決定された上記補正信号と上記第1の誤差信号とを上記ローパスフィルタに供給して上記発振信号を上記入力信号に一致させる。
本発明の好適な一態様によれば、上記ローパスフィルタは、更に、上記オペアンプの出力と第1の入力との間に接続されたRC帰還回路とを有する。また、好ましくは、上記第1の誤差信号が上記オペアンプの第1の端子に第1の抵抗素子を介して供給され、上記補正信号が上記オペアンプの第1の端子に第2の抵抗素子を介して供給され、上記オペアンプの第2の端子に基準電圧が供給されてよい。あるいは、上記第1の誤差信号が上記オペアンプの第1の端子に第1の抵抗素子を介して供給され、上記補正信号が上記オペアンプの第2の端子に第2の抵抗素子を介して供給され、基準電圧が上記オペアンプの第1の端子に第3の抵抗素子を介して供給されてもよい。
好適な一態様によれば、上記補正回路は、上記第2の誤差信号に応じたディジタルコードを出力するアナログ−ディジタル変換器と、上記ディジタルコードを入力して上記補正信号を出力するディジタル−アナログ変換器とを有する。
本発明の位相同期ループ回路によれば、上記のような構成と作用により、アナログ(特に能動型)ループフィルタのオフセットを自動的に補正し、同期クロックまたは同期周波数の安定性および精度を向上させ、ひいてはPLL機能の信頼性を高めることができる。
以下、添付図を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。
図1に、本発明の一実施形態におけるPLL回路の構成を示す。このPLL回路は、アナログのループフィルタを有するクロック抽出型のディジタル型PLL回路として構成されており、たとえばCDやDVDなどの光ディスク再生におけるクロックデータリカバリー(CDR)に適用可能である。
入力段のデータスライサ回路10は、たとえば光ピックアップ等のアナログ前段回路(図示せず)より出力される再生RF信号(アナログ波形のシリアル・データ・ストリーム)を入力し、入力したRF波形を二値化してたとえばNRZ(Non return to Zero)のパルス列信号(ディジタルのシリアル・データ・ストリーム)DSに変換する。
出力段の電圧制御発振器(VCO)40は、ループフィルタ30より与えられるアナログの制御電圧SVに応じて可変周波数のクロックPLLCKを発振出力する。ループフィルタ30は、オペアンプ(演算増幅器)32を有する能動型であり、積分器として構成されている。オペアンプ32の反転入力端子(-)と出力端子との間の帰還ループには直列接続で抵抗34とコンデンサ36とが設けられる。オペアンプ32の非反転入力端子(+)には基準電圧発生回路38より一定値の基準電圧VREFが与えられる。基準電圧VREFは任意の値に設定可能であるが、後述するチャージポンプ14,20との関係から通常は電源電圧Vddの中間値Vdd/2に選ばれてよい。
このPLL回路は、同期を確実にするために、位相同期ループと周波数同期ループとを有している。より詳細には、データスライサ回路10とループフィルタ30との間に、位相誤差検出回路12とチャージポンプ回路14とからなる位相同期ループ系の位相誤差信号生成部と、周波数誤差検出回路18とチャージポンプ回路20とからなる周波数同期ループ系の周波数誤差信号生成部とを並列に設けている。
位相誤差信号生成部において、位相誤差検出回路12は、データスライサ回路10より入力する入力パルス列信号(シリアル・データ・ストリーム)DSのパルスエッジを検出する。そして、入力パルス列信号DSのパルスエッジとVCO40からの帰還クロックPLLCKのクロックエッジとの間の位相誤差を検出し、その位相誤差検出結果をアップ信号UP/ダウン信号DWの形態で出力する。すなわち、VCO40より出力されるクロックPLLCKの位相が入力パルス列信号DSの位相よりも進んでいるときは、アップ信号UPをアクティブにする。クロックPLLCKの位相が入力パルス列信号DSの位相よりも遅れているときは、ダウン信号DWをアクティブにする。
チャージポンプ回路14は、図6に示すものと同様の構成および作用を有するものでよい。したがって、位相誤差検出回路12がアップ信号UPをアクティブにしている期間中は正極側電源電圧側のスイッチ(116)をオンにして、ソース電流を抵抗16を介してループフィルタ30のオペアンプ30の反転入力端子(-)に供給する。また、位相誤差検出回路12がダウン信号DWをアクティブにしている期間中は負極側電源電圧側のスイッチ(118)をオンにして、ドレイン電流を抵抗16を介してループフィルタ30におけるオペアンプ30の反転入力端子(-)に供給する。抵抗16は、帰還回路の抵抗34およびコンデンサ36と共に位相同期ループ系の伝達特性を規定する。
この実施形態における位相誤差検出回路12は、信号再生識別機能も有しており、VCO40からのクロックPLLCKを用いて入力パルス列信号DSを同期化し、再生パルス列信号(retimed Data)RDSを生成する。この再生パルス列信号RDSとVCOクロックPLLCKが後段の信号処理回路(図示せず)に送られ、そこでデコードや誤り訂正等の信号処理が行われる。
周波数同期ループ系の周波数誤差信号生成部において、周波数誤差検出回路18は、データスライサ回路10より入力する入力パルス列信号DSの規則性を検知してそのチャネル・クロックの周波数を検出する。そして、チャネル・クロック周波数とVCOクロックPLLCKの周波数との誤差を比較し、その周波数誤差検出結果をアップ信号UP/ダウン信号DWの形態で出力する。つまり、VCO発振周波数がチャネル・クロック周波数よりも高いときはアップ信号UPをアクティブにし、VCO発振周波数がチャネル・クロック周波数よりも低いときはダウン信号DWをアクティブにする。
チャージポンプ回路20は、図6に示すものと同様の構成および作用を有するものでよい。したがって、周波数誤差検出回路18がアップ信号UPをアクティブにしている期間中は正極側電源電圧側のスイッチ(116)をオンにして、ソース電流を抵抗22を介してループフィルタ30におけるオペアンプ30の反転入力端子(-)に供給する。また、周波数誤差検出回路18がダウン信号DWをアクティブにしている期間中は負極電源電圧側のスイッチ(118)をオンにして、ドレイン電流を抵抗22を介してループフィルタ30のオペアンプ30の反転入力端子(-)に供給する。抵抗22は、帰還回路の抵抗34およびコンデンサ36と共に周波数同期ループ系の伝達特性を規定する。
この実施形態におけるPLL回路の主たる特徴は、周波数比較回路42、DAC制御回路44およびディジタル−アナログ変換器(DAC)46を有する構成である。周波数比較回路42は、後述するオフセット計測モードのときだけ機能するものであり、VCO40からの帰還クロックPLLCKを入力するとともに、基準クロック発生回路(図示せず)からの基準クロックRECLKを入力し、両クロックPLLCK,RECLKの周波数fPLL,fREを比較して、その比較結果をディジタル信号MKの形態で出力する。たとえば、fPLL=fREのときは(0,0)、fPLL>fREのときは(1,0)、fPLL<fREのときは(0,1)を2ビットの比較結果信号MKとして出力するように構成できる。なお、基準クロックRECLKの周波数は任意の値(一定値)に選定されてよい。
DAC制御回路44は、後段のDAC46を制御するためのもので、オフセット計測モードに限らず常時機能する。オフセット計測モード中は、周波数比較回路42からの比較結果信号MKに応じてDAC46に対するディジタル入力値またはディジタルコードEDを可変または増減し、最終的には同期状態におけるディジタルコードをオフセット補正コードEDSとして確定または同定する。DAC制御回路44にはデータ保持用のレジスタまたはメモリが備えられており、オフセット計測モードで同定されたオフセット補正コードEDSは該メモリに保持されるようになっている。
DAC46は、DAC制御回路44より入力されるディジタルコードEDをアナログ信号EAに変換する。ここで、DAC制御回路44よりオフセット補正コードEDSが入力されたときにDAC46より出力されるアナログ信号はオフセット補正信号EASである。DAC46より出力されたアナログ信号EA(EAS)は、抵抗48を介してループフィルタ30におけるオペアンプ30の反転入力端子(-)に供給される。
制御部50は、たとえばマイクロコンピュータからなり、このPLL回路内の各部および全体の動作を制御する。
次に、この実施形態におけるPLL回路の作用を説明する。このPLL回路には、定常モードとオフセット計測モードとがある。定常モードは、光ディスク再生中にCDR動作を行うモードである。オフセット計測モードは、ループフィルタ30のオペアンプ32に存在し得るオフセットを間接的に計測して、該オフセットをキャンセルするためのオフセット補正コードEDSないしオフセット補正信号EASを同定するモードである。
先ず、オフセット計測モードにおける作用について説明する。オフセット計測モードは、CDR動作が行われていない間に外部からの所定の指令に応じて、または所定の内部ルーチン(たとえば初期化)の中で実施されてよい。
オフセット計測モード中は、制御部50の制御により、位相同期ループ系の位相誤差信号生成部(12,14)および周波数同期ループ系の周波数誤差信号生成部(18,20)のそれぞれの出力を切り、つまりループフィルタ30から遮断して、代わりにオフセット計測同期ループ(42,44,46,30,40)を働かせる。なお、位相誤差信号生成部(12,14)および周波数同期ループ系の周波数誤差信号生成部(18,20)の出力を切るためには、たとえばそれぞれのチャージポンプ回路14,20のスイッチ(116,118)を強制的にオフにして高インピーダンス状態としてよい。
このオフセット計測同期ループでは、周波数比較回路42からの比較結果出力MKがDAC制御回路44、DAC46およびループフィルタ30を介してVCO40へ負帰還される。より詳細には、周波数比較回路42より出力される比較結果信号MKが(1,0)でfPLL>fREを示すときは、これに応じてDAC制御回路44がDAC46の出力(アナログ信号EA)を増加させる方向にディジタルコードEDの値を可変し、これによってループフィルタ30の出力(制御電圧VS)が減少し、VCOクロックPLLCKの周波数が下がる。また、周波数比較回路42の出力MKが(0,1)でfPLL<fREを示すときは、これに応じてDAC制御回路44がDAC46の出力(アナログ信号EA)を減少させる方向にディジタルコードEDの値を可変し、これによってループフィルタ30の出力(制御電圧VS)が増加し、VCOクロックPLLCKの周波数が高くなる。
そのうち、オフセット計測同期ループ(42,44,46,30,40)において同期が確立され、VCOクロックPLLCKの周波数fPLLが基準クロックRECLKの周波数fREに一致するようになる。この場合、ループフィルタ30のオペアンプ32がオフセットのない理想的なものでものであれば、オペアンプ32の非反転入力端子(+)および反転入力端子(-)間のバーチャルショートによって、DAC46の出力電圧EAは基準電位VRE(Vdd/2)に収束している。しかし、オペアンプ32にオフセットがある場合は、このオフセットをオペアンプ32の入力側で打ち消すようにDAC46の出力電圧EAは基準電位VRE(Vdd/2)からずれた電圧に収束する。この入力電圧のずれは、オペアンプ32の出力オフセットを入力換算した値を示すことになる。オフセット計測同期ループがロックしているということは、オペアンプ32の出力電流がゼロになっている。
DAC制御回路44は、周波数比較回路42からの比較結果出力MKが(0,0)に収束または安定したところで、同期状態になっていると判断し、そのときのDAC入力コードEDおよびDAC出力信号EAをそれぞれオフセット補正コードEDSおよびオフセット補正信号EASと同定し、オフセット補正コードEDSをメモリに書き込む。この直後に、制御部50はオフセット計測モードを終了させてよい。
光ディスク再生中にCDR動作を行う定常モードでは、制御部50の制御により、位相同期ループ系の位相誤差信号生成部(12,14)および周波数同期ループ系の周波数誤差信号生成部(18,20)のそれぞれの出力がループフィルタ30の入力に接続される。一方、周波数比較回路42の出力からDAC制御回路44の入力が遮断され、オフセット計測同期ループは非動作状態になる。
この実施形態では、最初に周波数同期ループ(18,20,30,40)だけを働かせて周波数同期(チューニング)を確立し、周波数チューニングの完了後に周波数同期ループから位相同期ループ(12,14,30,40)に切り換えて位相同期を確立する。定常モード中に、DAC制御回路44はDAC46に入力するコードEDをオフセット補正コードEDSに設定し、DAC46はオフセット補正信号EASを出力する。これにより、ループフィルタ30のオペアンプ32に如何なるオフセットがあっても、そのオフセットがキャンセルされた状態で周波数同期ないし位相同期が確立される。
このように、この実施形態のPLL回路においては、能動型ループフィルタ30のオフセットをキャンセルしてCDR動作を行うので、入力パルス列信号(シリアル・データ・ストリーム)DSを再生クロックPLLCKで同期化する際の同期化ポイントを常にアイ・パターンの中心に定めることが可能であり、信号再生識別能力を向上させることができる。
また、光ディスクの表面に付着した指紋の跡やゴミ、傷などによって入力パルス列信号(シリアル・データ・ストリーム)DSが一瞬途切れる場合のホールド処理においても、ホールド期間中にオペアンプ32のオフセットの影響をキャンセルしてループフィルタ30の出力変動を最小限に抑えることができるため、同期はずれを防止し、ホールド期間後のCDR復帰動作を高速に行うことかできる。
図2に、CDRのホールド処理に関する本発明の作用効果を模式的に示す。図2の(c)は図1の回路構成(実施例)で得られるオペアンプ32の出力波形であり、図2の(d)〜(g)は図1の回路構成から本発明の特徴とする周波数比較回路42、DAC制御回路44およびDAC46を省いた構成(参考例)で得られるオペアンプ32の出力波形である。
本発明によれば、図2の(c)に示すように、ホールド期間中に能動型ループフィルタにおけるオペアンプのオフセットの影響をキャンセルできるため、オペアンプ出力をホールド直前の値に保持することができる。これに対して、参考例では、能動型ループフィルタのオペアンプにオフセットがあると、そのオフセットの大きさに応じてホールド期間中にオペアンプの出力が変化する。オペアンプのオフセットが小さければ、図2の(d),(e)に示すように、ホールド期間中にオペアンプの出力(VCO制御電圧)が変化しても、ロックレンジの範囲内に収まることもある。しかし、オペアンプのオフセットが小さければ、図2の(f),(g)に示すように、オペアンプの出力がロックレンジを逸脱してしまい、再引き込みの動作に長い時間を要することになる。
この実施形態では、DAC46とループフィルタ30との間に抵抗48を挿入している。この抵抗48は、以下に説明するように、上記のオフセット計測モードにおいて計測分解能を向上させる機能を有している。
オペアンプ32の出力オフセットを入力換算した値は数mVと非常に小さいため、正確なオフセット計測を行うには高分解能のDAC素子が望ましい。また、オペアンプ32の入力にDAC46の出力電圧を加算すると、その電圧をオープンループゲイン(通常60dB程度)で増幅したものがオペアンプ32の出力に現れる。したがって、本発明の方式のように、オペアンプ32の入力部に電圧加算して出力オフセットを補正するには、十分高分解能なDAC素子を使用してオフセット補正信号EAを生成する必要がある。しかし、オフセット補正のためだけに高分解能のDAC素子を用いるのはコスト的には不利点である。この実施形態では、DAC46の出力側に抵抗46を設けることによって上記の問題を解決している。
図3に、DAC46に10ビットのアナログ−ディジタル変換器を用いた場合の抵抗48の抵抗値の大きさ(相対値)とDAC制御部42で得られるオフセット補正コードEDsの関係をグラフで示す。1本のグラフA,B,C,Dは各サンプルに対応し、グラフAは+側に比較的大きなオフセットがある場合、グラフBは+側に比較的小さなオフセットがある場合、グラフCは−側に比較的小さなオフセットがある場合、グラフDは−側に比較的大きなオフセットがある場合である。つまり、オフセットのない理想値の「511」からはずれているほど出力オフセットの大きいサンプルであることがわかる。
図3の特性から、DAC出力抵抗46の抵抗値を大きくするほど、上記オフセット計測モードによりDAC制御部42でオフセット補正コードEDsを大きくとれることになり、結果的に計測分解能を向上させることができる。
また、DAC出力抵抗46は、オフセット計測モードだけでなく、定常モード中もそのまま継続使用することができる。すなわち、定常モードにおいても、オフセット計測モードと同様に、DAC制御部42よりオフセット補正コードEDsが与えられてDAC46がオフセット補正信号EAsを出力し、このオフセット補正信号EAsが抵抗48を介してオペアンプ30に入力される。
なお、厳密には、本実施形態におけるオフセットの補正は、電圧加算ではなく電流注入によって実現している。また、オフセット計測モードでは、オペアンプ32の出力電流をゼロにするための電流注入量を計測していることになる。要するに、オフセット計測モードで得た電流注入量と同じ電流が定常モード(CDR動作)中もDAC46側からオペアンプ32の入力に注入されればよい。したがって、DAC出力抵抗48の抵抗値を大きくすると、同じ電流注入量を得るためにDAC46の出力電圧を大きくとる必要があり、結果として計測分解能、補正出力分解能を高めることができる。
また、予めオペアンプ32のオフセットのばらつきの範囲が分かっている場合は、必要な電流補正量が得られる範囲にDAC46の出力電圧範囲を絞っておくことによっても、分解能の向上を実現することができる。たとえば、出力電圧範囲を半分に狭めることにより、DAC46の分解能を1ビット増やすのと同等の効果を得ることができる。一般に、オペアンプ32の出力オフセットを入力換算した値は非常に小さいため、DAC46の出力範囲を広くとる必要はない。
上記のように、DAC46の出力抵抗48と出力電圧範囲を適宜組み合わせることによって、コスト増となり得る高分解能なDAC素子を用いることなく、本発明の作用効果を十二分に得ることができる。
図4に、上記した実施形態の一変形例を示す。この変形例では、図1の回路構成とは逆に、オペアンプ32の非反転入力端子(+)にDAC46の出力を入力し、オペアンプ32の反転入力端子(-)に抵抗50を介して基準電圧発生回路38からの基準電圧VREFを入力している。この場合も、位相誤差信号生成部(12,14)および周波数誤差信号生成部(18,20)のそれぞれの出力はオペアンプ32の反転入力端子(-)に与えてよい。なお、図4では、図解の簡略化をはかるため制御部50(図1)を図示省略している。
図4の回路構成においても、上記と同様にオフセット計測モードを実行し、それによってDAC制御回路44で得られるオフセット補正コードEDsを定常モードでもDAC入力コードに設定してDAC46よりオフセット補正信号EAsを出力させることにより、オペアンプ30に付物の任意のオフセットを補正することができる。また、基準電圧発生回路38の出力抵抗50の抵抗値を大きくすることによって計測分解能、補正分解能を一層向上させることもできる。さらに、この回路構成においては、DAC46の出力が位相誤差信号生成部(12,14)および周波数誤差信号生成部(18,20)側の出力つまりチャージポンプ回路14,20の出力に影響を及ぼす可能性を完全に回避できるため、位相同期ループや周波数同期ループの安定性を向上できるという利点もある。
以下に、上記実施形態における主要な特徴をまとめる。
DAC制御回路44においてオフセット計測結果をそのまま補正出力として設定すればよいため、複雑な演算やルックアップテーブルなどを全く必要としない。
オフセット補正出力素子であるDAC46を用いてループフィルタ30におけるオペアンプ32の出力オフセットを計測できるため、一連の補正機能の実装コストを最小限に抑えることかできる。
オフセット補正専用のVCO周波数計測(比較)回路42およびDAC制御回路44を付加する構成なので、周波数比較回路12や位相比較回路18などの既存回路を変更または修正する必要がなく、実装上のリスクを最小限に抑えることができる。
オフセットの計測と補正値の設定を同一のDAC制御回路44およびDAC46によって行っているため、DAC46自体にスケール誤差や直線性誤差があったとしてもオフセット補正機能には全く影響しない。
DAC出力部に抵抗48を設けることにより、高分解能(多ビット)のDACを使用しなくても、実用上十分な計測分解能や補正分解能を得ることができる。
外部の測定機器を全く必要とせず短時間にオフセット計測からオフセット補正まで実施できるため、製品製造時だけではなく製品使用時においても必要に応じて一連のオフセット補正処理(オフセット計測・補正値設定)を実行することができる。
CDR動作を行う度に一連のオフセット補正処理(オフセット計測・補正値設定)を実施することで、製造ばらつきに起因するオフセットはもとより、電源電圧や周囲温度の変化によって変動するオフセットに対しても補正をかけることができる。
オフセット計測結果は多ビットのディジタル信号としてファームウェアで認識できるため、製品の特性改善のため他に応用することも可能である。
もっとも、上記実施形態は本発明を限定するものでもなく、本発明の技術的思想の範囲内で種々の変形が可能である。たとえば、上記実施形態では、周波数同期ループ系と位相同期ループ系を並列に設けて選択的に動作させるようにしたが、重畳的に同時動作させる構成も可能であり、片方だけを備える構成も可能である。オフセット計測部においても、周波数比較回路42を位相および周波数を同時に比較する位相周波数比較回路や位相だけを比較する位相比較回路で置き換える構成も可能である。また、オフセット計測用の周波数比較回路42を他の周波数比較回路に兼用させる構成も可能である。DAC制御回路44においてオフセット補正コードEDsを保持する機能を外部(たとえば制御部50)に持たせることも可能である。
上記実施形態はクロックを入出力するディジタルPLL回路に係るものであったが、アナログ周波数信号を入出力する完全アナログ型PLL回路にも本発明は適用可能である。上記実施形態におけるループフィルタ30の構成は一例である。オフセットが存在し得るアナログのループフィルタを有する任意のPLL回路に本発明は適用可能である。したがって、CDRも一例であり、任意のPLLアプリケーションが可能である。
本発明の一実施形態におけるPLL回路の構成を示すブロック図である。 実施形態におけるオフセット補正効果の一例を模式的に示す信号波形図である。 実施形態におけるDAC出力抵抗の作用を示すグラフ図である。 実施形態の一変形例によるPLL回路の構成を示すブロック図である。 アナログのループフィルタを有するディジタル型PLL回路の基本構成を示すブロック図である。 図5のPLL回路におけるループフィルタの構成例を示す回路図である。
符号の説明
12 位相誤差検出回路
14 チャージポンプ回路
16,22 抵抗
18 周波数誤差検出回路
20 チャージポンプ回路
30 ループフィルタ
32 オペアンプ(演算増幅器)
38 基準電圧発生回路
40 VCO(電圧制御発振器)
42 周波数比較回路
44 DAC制御回路
46 DAC(ディジタル−アナログ変換器)
48 抵抗(DAC出力抵抗)

Claims (15)

  1. 入力信号に同期したクロックを生成する位相同期ループ回路であって、
    前記クロックを発振出力し、アナログの制御電圧に応じて前記クロックの周波数を変化させる電圧制御発振器と、
    周波数および位相の少なくとも一方について前記入力信号と前記電圧制御発振器より帰還されるクロックとを比較して、その比較誤差に応じた第1のアナログ誤差信号を出力する第1の比較回路と、
    演算増幅器を有し、前記第1の比較回路からの前記第1のアナログ誤差信号を入力し、前記第1のアナログ誤差信号を積分して前記電圧制御発振器に対する前記制御電圧を出力するループフィルタと、
    周波数および位相の少なくとも一方について任意の基準クロックと前記電圧制御発振器より帰還されるクロックとを比較して、その比較結果を表す信号を出力する第2の比較回路と、
    前記第1の比較回路の出力から前記ループフィルタの入力を遮断した状態の下で、前記第2の比較回路の出力信号に応じた第2のアナログ誤差信号を前記ループフィルタに供給して、前記帰還クロックが前記基準クロックに同期しているときの前記第2のアナログ誤差信号の値をオフセット補正値と同定し、前記第1の比較回路の出力に前記ループフィルタの入力が接続された状態の下で前記ループフィルタに前記オフセット補正値を有するアナログのオフセット補正信号を供給するオフセット補正回路と
    を有する位相同期ループ回路。
  2. 前記オフセット補正回路が、
    前記第2の比較回路の出力信号に応じてディジタルのコードを可変するコード可変部と、
    前記コード可変部により選択されたコードの中で前記オフセット補正値に対応するコードをオフセット補正コードとして保持するコード保持部と、
    前記コード可変部または前記コード保持部より与えられる前記コードをアナログ信号に変換して前記第2のアナログ誤差信号または前記オフセット補正信号とするディジタル−アナログ変換器と
    を有する請求項1に記載の位相同期ループ回路。
  3. 前記第1の比較回路の出力端子と前記演算増幅器の反転入力端子との間に第1の抵抗が接続され、前記演算増幅器の反転入力端子と出力端子との間に少なくともコンデンサを含む帰還回路が接続され、前記演算増幅器の出力端子が前記電圧制御発振器の入力端子に接続される請求項に記載の位相同期ループ回路。
  4. 前記第2の比較回路の出力端子が第2の抵抗を介して前記演算増幅器の反転入力端子に接続され、前記演算増幅器の非反転入力端子に所定の基準電圧が入力される請求項に記載の位相同期ループ回路。
  5. 前記第2の比較回路の出力端子が第2の抵抗を介して前記演算増幅器の非反転入力端子に接続され、前記演算増幅器の反転入力端子に所定の基準電圧が入力される請求項に記載の位相同期ループ回路。
  6. 前記基準電圧が、基準電圧発生回路より第3の抵抗を介して前記演算増幅器の反転入力端子に供給される請求項に記載の位相同期ループ回路。
  7. 前記第1の比較回路が、
    前記入力信号の周波数と前記クロックの周波数とを比較して、その比較誤差に応じた周波数誤差信号を出力する周波数比較回路と、
    前記入力信号の位相と前記クロックの位相とを比較して、その比較誤差に応じた位相誤差信号を出力する位相比較回路と
    を有し、前記周波数比較回路を働かせて前記クロックの周波数を前記入力信号の周波数に合わせ、前記位相比較回路を働かせて前記クロックの位相を前記入力信号の位相に合わせる請求項1〜のいずれか一項に記載の位相同期ループ回路。
  8. 前記入力信号が、ビット周期の整数倍の可変パルス幅を有する二値のパルス列信号であり、
    前記周波数比較回路が、前記パルス列信号のビット周期を規定するチャネル・クロックの周波数を検出して、検出したチャネル・クロックの周波数と前記クロックの周波数とを比較し、
    前記位相比較回路が、時間軸上で前記パルス列信号のパルスエッジのタイミングと前記クロックのクロックエッジのタイミングとを比較する請求項に記載の位相同期ループ回路。
  9. アナログ入力信号に同期したアナログ周波数信号を生成する位相同期ループ回路であって、
    前記周波数信号を発振出力し、制御電圧に応じて前記周波数信号の周波数を変化させる電圧制御発振器と、
    周波数および位相の少なくとも一方について前記入力信号と前記電圧制御発振器より帰還される周波数信号とを比較して、その比較誤差に応じた第1の誤差信号を出力する第1の比較回路と、
    演算増幅器を有し、前記第1の比較回路からの前記第1の誤差信号を入力し、前記第1の誤差信号を積分して前記電圧制御発振器に対する前記制御電圧を出力するループフィルタと、
    周波数および位相の少なくとも一方について任意の基準周波数信号と前記電圧制御発振器より帰還される周波数信号とを比較して、その比較結果を表す信号を出力する第2の比較回路と、
    前記第1の比較回路の出力から前記ループフィルタの入力を遮断した状態の下で、前記第2の比較回路の出力信号に応じた第2の誤差信号を前記ループフィルタに供給して、前記帰還周波数信号が前記基準周波数信号に同期しているときの前記第2の誤差信号の値をオフセット補正値と同定し、前記第1の比較回路の出力に前記ループフィルタの入力が接続された状態の下で前記ループフィルタに前記オフセット補正値を有するオフセット補正信号を供給するオフセット補正回路と
    を有する位相同期ループ回路。
  10. 制御電圧に応じた周波数の発振信号を出力する電圧制御発信器と、
    入力信号と上記発振信号とを入力して両信号の位相差又は周波数差に応じた第1の誤差信号を生成する第1の比較回路と、
    基準信号と上記発振信号とを入力して両信号の位相差又は周波数差に応じた第1の誤差信号を生成する第2の比較回路と、
    上記第2の誤差信号を保持し、その保持した上記第2の誤差信号の値を補正信号として出力する補正回路と、
    オペアンプを有し、上記第1の誤差信号と上記補正信号とを入力して上記制御電圧を生成する能動型のローパルフィルタと、
    を有し、
    上記第2の誤差信号のみを上記ローパスフィルタに供給して上記基準信号と上記発振信号とが一致する上記第2の誤差信号を上記補正信号として決定し、その決定された上記補正信号と上記第1の誤差信号とを上記ローパスフィルタに供給して上記発振信号を上記入力信号に一致させる位相同期ループ回路。
  11. 上記ローパスフィルタが、上記オペアンプの出力と第1の入力との間に接続されたRC帰還回路とを有する請求項10に記載の位相同期ループ回路。
  12. 上記第1の誤差信号が上記オペアンプの第1の端子に第1の抵抗素子を介して供給され、上記補正信号が上記オペアンプの第1の端子に第2の抵抗素子を介して供給され、上記オペアンプの第2の端子に基準電圧が供給される請求項11記載の位相同期ループ回路。
  13. 上記第1の誤差信号が上記オペアンプの第1の端子に第1の抵抗素子を介して供給され、上記補正信号が上記オペアンプの第2の端子に第2の抵抗素子を介して供給され、基準電圧が上記オペアンプの第1の端子に第3の抵抗素子を介して供給される請求項11に記載の位相同期ループ回路。
  14. 上記補正回路は、上記第2の誤差信号に応じたディジタルコードを出力するアナログ−ディジタル変換器と、上記ディジタルコードを入力して上記補正信号を出力するディジタル−アナログ変換器とを有する請求項10乃至12のいずれかに記載の位相同期ループ回路。
  15. 上記入力信号が記録媒体から読み出されたシリアル・データ・ストリームである請求項10乃至14のいずれかに記載の位相同期ループ回路。
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