JP4141250B2

JP4141250B2 - スペクトラム拡散クロック発生回路

Info

Publication number: JP4141250B2
Application number: JP2002377337A
Authority: JP
Inventors: 真次宮田; 浩司岡田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2002-12-26
Filing date: 2002-12-26
Publication date: 2008-08-27
Anticipated expiration: 2022-12-26
Also published as: JP2004208193A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁波輻射を低減するため、周期が微小量変動するクロック信号を発生するスペクトラム拡散クロック発生回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体装置の高速化、高集積化に伴い装置からの電磁波輻射が問題となっている。動作周波数の高速化に伴い、信号の波長短くなり、接続回路または基板内部の配線長は高周波信号の波長とほぼ同じ程度になるので、配線などの接続部はアンテナとして機能し、周囲への電磁波輻射が急激に増加してしまう。また、クロック発生回路自体からも電磁波輻射が放出される。高速なクロックで動作する半導体素子を用いた電子機器の電磁波輻射により、電子機器の相互干渉による誤動作、通信装置への妨害などの悪影響が発生する。
【０００３】
このような問題を解決するため、現在電磁波輻射が問題になる電子機器では、回路の配置などを改良して電磁波輻射を低減するほか、電磁波遮蔽により周囲への電磁波の漏れを低減させるなどの対策が行われている。しかし、携帯機器などでは小型化、軽量化が要求されるので、電磁波輻射を低減するための遮蔽を十分に行うことが難しいという問題があった。
【０００４】
そこで、半導体装置の動作クロックを微小に変動させることにより、クロックのスペクトラム拡散を行い、電磁波輻射を低減することが行われており、そのようなクロックを発生するスペクトラム拡散クロック発生（ＳＳＣＧ）回路が提案されている。（特開２０００−１０１４２４号公報など）
本出願人は、特願２００２−２６６６３１号で、ＰＬＬを利用したクロック発生回路で広く使用される電圧制御発振器（ＶＣＯ）を、電圧電流変換回路と電流可変回路と電流制御発振器（ＩＣＯ）とで構成すＳＳＣＧ回路を提案している。このＳＳＣＧ回路は、電流可変回路としてデジタルコード信号で電流量を制御できる電流デジタルアナログ変換器（ＩＤＡＣ）を使用するので、発振周波数の変動をデジタル的に制御することができ、制御が容易であるという特徴を有する。
【０００５】
図１は、特願２００２−２６６６３１号に記載されたＳＳＣＧ回路の構成例を示す図である。この例は、ＰＬＬ(Phase Locked Loop)回路を利用して基準クロックＣＬＫからそのＭ／Ｎ倍の周波数のクロックＣＫを発生する回路である。この回路は、１／Ｎ分周器１１、周波数位相比較器１２、チャージポンプ（ＣＰ）１３、ループフィルタ１４、電圧制御発振器（ＶＣＯ）１５、１／Ｍ分周器１９から構成され、ＶＣＯ１５が、電圧電流（Ｖ−Ｉ）変換回路１６と電流可変回路１７と電流制御発振器（ＩＣＯ）１８とで構成されている点が特徴である。
【０００６】
図１の回路では、周波数位相比較器１２が１／Ｎ分周されたＣＬＫと１／Ｍ分周されたＣＫの位相差を検出し、位相差に応じてＣＰ１３を制御する信号を出力する。ＣＰ１３は、位相差に応じてループフィルタ１４を充放電する信号を出力し、ループフィルタ１４の一端に位相差に応じた差電圧が発生する。この差電圧がＶＣＯ１５に印加され、それに応じて一定の周期のクロックが発生される。このＳＳＣＧ回路では、Ｖ−Ｉ変換回路１６により差電圧が差電流信号に変換され、電流可変回路１７が差電流信号に図２に示すような小さな振幅の所定の周期で変動する信号を加算してスペクトラム変調信号を生成し、この生成された信号をＩＣＯ１８に印加する。これにより、発生されるクロックＣＫの周期は、基準クロックＣＬＫの周期のＭ／Ｎ倍の周期を中心として、所定のサイクルで変動することになる。変動率及び変動の周期は電流可変回路１７の発生するスペクトラム変調信号により決定される。なお、ＰＬＬ回路の応答時間はスペクトラム変調信号の周期より十分に長く設定されている。
【０００７】
図３は、特願２００２−２６６６３１号に記載された電流可変回路１７として使用される電流デジタルアナログ変換器（ＩＤＡＣ）の構成を示す図である。図３に示すように、ＩＤＡＣは、トランジスタＴｒ１１〜Ｔｒ１５，Ｔｒ２０，Ｔｒ３０〜Ｔｒ３ｎで構成されるカレントミラー回路を有し、トランジスタのサイズを図示のように適宜設定することにより、Ｔｒ２０にはＶ−Ｉ変換回路４２の出力する電流Ｉｒｅｆの８０％の電流が流れ、Ｔｒ３ｎにはＩｒｅｆの１０％の電流が流れ、Ｔｒ３２にはＩｒｅｆの（２０×1/2^n-2）％の電流が流れ、Ｔｒ３１にはＩｒｅｆの（２０×1/2^n-1）％の電流が流れ、Ｔｒ３０にはＩｒｅｆの（２０×1/2ⁿ）％の電流が流れる。出力コードのビットデータ／Ｄ０〜／Ｄｎにより、Ｔｒ４ｎ〜Ｔｒ４０が導通状態になると対応するＴｒ３ｎ〜Ｔｒ３０を通る電流が流れる。従って、Ｔｒ４ｎ〜Ｔｒ４０をすべて非導通状態にすると、Ｔｒ２０を流れるＩｒｅｆの８０％の電流量が出力され、Ｔｒ４ｎ〜Ｔｒ４０をすべて導通状態にすると、Ｔｒ２０を流れる電流量に加えてＴｒ３ｎ〜Ｔｒ３０を通る電流が流れ、Ｉｒｅｆの約１００％の電流量が出力される。すなわち、出力コードのビットデータ／Ｄ０〜／Ｄｎを適当な値に設定することにより、Ｉｒｅｆの８０％から約１００％の間の適当な電流量が出力される。なお、電流可変回路には、上記の出力コードを生成する制御回路が設けられる。
【０００８】
上記のＩＤＡＣにおいては、変動範囲の約２０％をｎビットに分解して出力する電流量を制御できる。すなわち、最小分解能は２０／２ⁿ％である。例えば、ｎ＝９であれば、２⁹＝５１２であり、２０％を５００段階に分割した０．０４％が分解能であり、８０％から１００％まで０．０４％のピッチで出力電流を制御できる。
【０００９】
図１のＳＳＣＧ回路は、一般的に１チップ化されたり、他の回路と一緒に１チップ化されて使用される。スペクトラム拡散変調を行うＳＳＣＧ回路は、使用される用途に応じてスペクトラム拡散変調の振幅を変更する必要がある。例えば、周期の変動より電磁波輻射の方が重要である場合にはスペクトラム拡散変調の振幅を大きくし、周期の変動が小さいことが要求される場合にはスペクトラム拡散変調の振幅を小さくする必要がある。そこで、ＳＳＣＧ回路のチップの汎用性を高めるに、各種の用途に対応できるように、制御回路の出力する出力コードを任意に設定できるようにしている。
【００１０】
【特許文献１】
特開２０００−１０１４２４号公報（全体）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ＩＤＡＣに印加する出力コードは任意に設定できるようにしてもＩＤＡＣ自体の構成はチップで固定されており、入力電流Ｉｒｅｆを変動できる範囲や変動できる最小ステップ（分解能）は固定である。図４は振幅を変える場合の出力コードの変化を示し、この出力コードの変化に対応して電流が変化し、図４と同様に変化する差電流が得られる。図４の（Ａ）に示すように、振幅が大きい場合には、最小ステップに比べて振幅が大きく、比較的なめらかに変化する。これに対して、振幅を半分にすると、図４の（Ｂ）に示すように、図４の（Ａ）の場合に比べてなめらかでなくなる。振幅がさらに半分、すなわち最初の１／４の振幅になると差電流信号の変化は一層なめらかでなくなる。差電流信号の変化がなめらかでなくなると、ＩＣＯに印加される電流における高周波成分が増加し、ＰＬＬの動作に悪影響を及ぼす。
【００１２】
そこで、振幅を小さくしても十分になめらかに変化する差電流信号を得るためには、トランジスタの個数を増加して出力コードのビット数を増加させる必要がある。例えば、５ビットで振幅の調整が行え、すなわち振幅を１００％から３％の範囲で調整でき、最小の振幅でも４ビットの分解能、すなわち１５段階に変化可能にするには、９ビットの出力コードが必要である。図３の回路構成で、ｎ＝９とすると、最大サイズのトランジスタは最小サイズのトランジスタに対して２⁸＝２５６倍の大きさにする必要があり、この部分のチップ面積は２⁹＝５１２倍にする必要がある。従って、Ｔｒ３ｎとＴｒ４ｎのサイズは、Ｔｒ３０とＴｒ４０のサイズの２５６倍となる。最小サイズのトランジスタの大きさは製造プロセスから決定されるので、最大サイズのトランジスタのサイズは、非常に大きくなり、それに要する面積も大きくなるという問題がある。
【００１３】
また、最小サイズのトランジスタを多数並列に形成し、最小サイズのトランジスタは１個、次のサイズのトランジスタは最小サイズのトランジスタを２個、次は４個という具合に並列に接続する最小サイズのトランジスタの個数を２の累乗で変化させることにより、図３の回路のサイズ比のトランジスタ列を実現することが行われる。その場合には、ｎ＝９とすると、最大サイズのトランジスタは最小サイズのトランジスタを並列に２５６個接続することになる。従って、Ｔｒ３ｎとＴｒ４ｎの組からＴｒ３０とＴｒ４０の組を実現するには、Ｔｒ３０とＴｒ４０が５１２組必要である。
【００１４】
いずれにしても、出力コードのビット数を増加させると２の累乗でトランジスタのサイズが増加するので、回路規模が増加し、コストが増加するという問題を生じる。
【００１５】
本発明は、回路規模をあまり増加させずに、広い振幅調整範囲と最小振幅でも十分な分解能を確保できるスペクトラム拡散クロック発生回路の実現を目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
図５の（Ａ）と（Ｂ）は、本発明のスペクトラム拡散クロック発生回路の原理構成図である。
【００１７】
図５に示すように、本発明のスペクトラム拡散クロック発生回路は、スペクトラム拡散変調回路と増幅回路とを設け、差電流信号のスペクトラム拡散変調と振幅調整を別々に行った後、元の差電流信号に加えるようにする。具体的には、スペクトラム拡散変調回路と増幅回路とをカスケード接続して、スペクトラム拡散変調回路で電圧電流変換回路の出力する差電流信号を変調した後、増幅回路でスペクトラム拡散変調信号を増幅して振幅を調整し、振幅調整した信号を元の差電流信号に加えてＩＣＯに印加する。
【００１８】
図５の（Ａ）と（Ｂ）に示すように、スペクトラム拡散変調回路と増幅回路は順序が逆でもよい。
【００１９】
図６は、本発明の原理を説明する図であり、図６の（Ａ）はスペクトラム拡散変調回路で振幅Ａの差電流信号にｎビットのパターン変調を行った後の変調電流信号を示し、図６の（Ｂ）は（Ａ）の信号の振幅をｋ／ｍ倍に増幅（減衰）した信号を示す。振幅をｋ／ｍ倍にしても分解能（ステップ数）は変化しない。
【００２０】
本発明のスペクトラム拡散クロック発生回路では、パターン変調と振幅調整が独立に行われるため、振幅調整によらない一定分解能の変調電流が出力される。前述のように、５ビットで振幅の調整が行え、最小の振幅でも４ビットの分解能を有するようにする場合、図３の従来の構成では、ｎ＝９として、Ｔｒ３０からＴｒ３ｎおよびＴｒ４０からＴｒ４ｎを実現するには、最小サイズのトランジスタの組Ｔｒ３０とＴｒ４０の２⁹＝５１２倍の大きさが必要があった。これに対して、本発明のスペクトラム拡散クロック発生回路では、２⁵＋２⁴＝４８倍の大きさであればよく、回路規模を小さくできる。
【００２１】
スペクトラム拡散変調回路と増幅回路は、図３に示した電流デジタルアナログ変換回路（ＩＤＡＣ）で実現できる。
【００２２】
スペクトラム拡散変調回路は、周期毎に最大値と最小値の間を連続的に変化する出力コードを発生するデジタル制御回路と、ＩＤＡＣとで実現できる。
【００２３】
増幅回路は、一定の出力コードを発生するデジタル制御回路と、ＩＤＡＣとで実現できる。
【００２４】
スペクトラム拡散変調回路のデジタル制御回路は、クロックを分周する分周器と、前記分周器の出力する分周クロックをカウントするアップダウンカウンタと、を備えることにより実現できる。
【００２５】
また、デジタル制御回路は、プログラム制御のコンピュータシステムで実現できる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図７は、本発明の第１実施例のスペクトラム拡散クロック発生（ＳＳＣＧ）回路の構成を示す図である。図示のように、図１に示した回路と同様にＰＬＬ回路を使用して基準クロックＣＬＫからＭ／Ｎ倍のクロックＣＫを発生させる回路であり、電流可変回路１７の部分が従来例と異なる。
【００２７】
図７に示すように、第１実施例のＳＳＣＧ回路では、ＶＣＯ１５内のＶ−Ｉ変換回路１６が出力する差電流信号は、ＩＣＯ１８に印加されるとともにパターンＩＤＡＣ３１に入力される。パターンＩＤＡＣ３１は、パターン制御回路３３の出力する出力コードに従って差電流信号をスペクトラム拡散変調してスペクトラム拡散変調信号を生成する。レベルＩＤＡＣ３２は、レベル制御回路３４の出力する出力コードに従ってスペクトラム拡散変調信号を増幅（減衰）して振幅を調整する。
【００２８】
図８はパターンＩＤＡＣ３１の構成を示す図であり、図９はレベルＩＤＡＣ３２の構成を示す図である。図８および図９に示すように、パターンＩＤＡＣ３１は、図３のＩＤＡＣと類似の構成を有するが、Ｔｒ１２、Ｔｒ１４およびＴｒ２０が削除されている。また、レベルＩＤＡＣ３２は、パターンＩＤＡＣ３１において、ビット数をｍビットとし、トランジスタのサイズ比が１／２mのトランジスタの組が付加されている点が異なる。図８のパターンＩＤＡＣ３１は、入力電流ＩｒｅｆをゼロからＩｒｅｆ（１−１／２ⁿ）／Ｘの範囲で変化させることが可能である。また、図９のレベルＩＤＡＣ３２は、入力電流ＩｒｅｆをＩｒｅｆ／（２^mＸ）からＩｒｅｆの範囲で変化させることが可能である。
【００２９】
レベル制御回路３４の出力する出力コードは、使用対象に応じて外部から設定され、一定の値である。
【００３０】
パターン制御回路３３は、前述の特願２００２−２６６６３１号に開示されたのと同様のスペクトラム拡散変調コードを出力する。
【００３１】
図１０は、デジタル論理回路で実現したパターン制御回路３３の構成とその動作を示す図である。図１０の（Ａ）に示すように、パターン制御回路３３は、クロックをカウントするアップダウンカウンタ４１と、アップダウンカウンタ４１を制御する分周カウンタ４２とを有する。アップダウンカウンタ４１は、カウント値をｎビットの２進コードで出力する。図８の（Ｂ）に示すように、分周カウンタ４２は、クロックをカウントし、カウント値が所定値になるとアップダウンカウンタ４１のアップカウント動作とダウンカウント動作を切り替える。これにより、図１０の（Ｂ）のように変化する出力コードが得られる。ここでは、カウント値は、ビット数により規定される最大値と最小値の間を変化することが望ましい。
【００３２】
図１１は、本発明の第２実施例のＳＳＣＧ回路の構成を示す図である。第１実施例ではパターン制御回路を論理回路で実現していたが、第２実施例ではマイクロコンピュータやＤＳＰなどのコンピュータシステムで実現する。他の部分は、第１実施例と同じである。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、広い振幅調整範囲と最小振幅でも十分な分解能を確保できるスペクトラム拡散クロック発生回路が小さな回路規模で実現でき、低コストで汎用性の高いスペクトラム拡散クロック発生回路が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のスペクトラム拡散クロック発生（ＳＳＣＧ）回路の構成例を示す図である。
【図２】スペクトラム拡散変調信号を示す図である。
【図３】従来例において電流可変回路として使用される電流デジタルアナログ変換回路（ＩＤＡＣ）の構成を示す図である。
【図４】従来例において振幅を変化させた場合の問題点を説明する図である。
【図５】本発明の原理構成を示す図である。
【図６】本発明の原理を説明する図である。
【図７】本発明の第１実施例のＳＳＣＧの構成を示す図である。
【図８】第１実施例におけるパターン用ＩＤＡＣの構成を示す図である。
【図９】第１実施例におけるレベル用ＩＤＡＣの構成を示す図である。
【図１０】第１実施例のパターン制御回路を論理回路で実現する構成と動作を示す図である。
【図１１】本発明の第２実施例のＳＳＣＧの構成を示す図である。
【符号の説明】
１１…１／Ｎ分周器
１２…周波数位相比較器
１３…チャージポンプ回路
１４…ループフィルタ
１５…ＶＣＯ
１６…Ｖ−Ｉ変換き
１７…電流可変回路
１８…電流制御発振器（ＩＣＯ）
１９…１／Ｍ分周器
２１…スペクトラム拡散変調回路
２２…増幅回路

Claims

基準クロックと生成クロックの位相差を検出する周波数位相比較器と、
前記周波数位相比較器の検出した位相差に応じて充放電信号を発生するチャージポンプと、
前記充放電信号に応じた差電圧信号を発生するループフィルタと、
前記差電圧信号を差電流信号に変換する電圧電流変換回路と、
前記差電流信号に応じた周波数の生成クロックを発生するクロック発生器とを備えるスペクトラム拡散クロック発生回路において、
前記差電流信号を変調してスペクトラム拡散変調信号を生成するスペクトラム拡散変調回路と、
前記スペクトラム拡散変調信号を増幅する増幅回路とを備え、
増幅した前記スペクトラム拡散変調信号を前記差電流信号に加算して前記クロック発生器に印加することを特徴とするスペクトラム拡散クロック発生回路。
基準クロックと生成クロックの位相差を検出する周波数位相比較器と、
前記周波数位相比較器の検出した位相差に応じて充放電信号を発生するチャージポンプと、
前記充放電信号に応じた差電圧信号を発生するループフィルタと、
前記差電圧信号を差電流信号に変換する電圧電流変換回路と、
前記差電流信号に応じた周波数の生成クロックを発生するクロック発生器とを備えるスペクトラム拡散クロック発生回路において、
前記差電流信号を増幅する増幅回路と、
増幅した前記差電流信号を変調してスペクトラム拡散変調信号を生成するスペクトラム拡散変調回路とを備え、
前記スペクトラム拡散変調信号を前記差電流信号に加算して前記クロック発生器に印加することを特徴とするスペクトラム拡散クロック発生回路。
前記スペクトラム拡散変調回路は、周期毎に最大値と最小値の間を連続的に変化する出力コードを発生するデジタル制御回路と、入力電流信号を前記出力コードに応じて変化させる電流デジタルアナログ変換回路とを備える請求項１又は２に記載のスペクトラム拡散クロック発生回路。
前記増幅回路は、一定の出力コードを発生するデジタル制御回路と、入力電流信号を前記出力コードに応じた電流に変化させる電流デジタルアナログ変換回路とを備える請求項１又は２に記載のスペクトラム拡散クロック発生回路。
前記電流デジタルアナログ変換回路は、前記出力コードに対応する重み付け比で前記入力電流に対応した電流をそれぞれ発生するトランジスタ列を備え、前記トランジスタ列の出力する電流を合わせた出力電流を出力する回路であり、前記トランジスタ列の各トランジスタの電流の出力を前記出力コードに従って制御することにより前記出力コードに応じた電流に変化させる請求項３又は４に記載のスペクトラム拡散クロック発生回路。
前記デジタル制御回路は、クロックを分周する分周器と、前記分周器の出力する分周クロックをカウントするアップダウンカウンタと、を備える請求項３に記載のスペクトラム拡散クロック発生回路。
前記デジタル制御回路は、プログラム制御のコンピュータシステムである請求項３又は４に記載のスペクトラム拡散クロック発生回路。