JP4192888B2 - Pll回路及びその制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体集積回路内のクロックを生成するPLL(Phase Locked Loop)回路に関し、特に、制御電圧に対する発振周波数特性を可変する電圧制御発振器を用いたPLL回路及びその制御方法に関するものである。
従来のPLL回路を図1に示す。従来のPLL回路は、基準クロック信号を入力とする位相比較器(1)と、位相比較器(1)から出力される出力信号のパルス幅に応じたアナログ信号を出力するチャージポンプ(2)と、チャージポンプ(2)から出力されるアナログ信号を平滑化して周波数制御信号を出力するループフィルタ(3)と、ループフィルタ(3)から出力される周波数制御信号に応じた周波数のクロック信号を出力する電圧制御発振器(4)と、電圧制御発振器(4)から出力されるクロック信号を分周する分周器(5)と、を有して構成される。
従来のPLL回路は、分周器(5)から出力される出力クロック信号を位相比較器(1)の他方に入力し、帰還ループを構築している。なお、電圧制御発振器(4)から出力するクロック信号の周波数は、基準クロック信号の周波数に対し、分周器(5)の分周数倍に逓倍されることになる。
PLL回路は、チャージポンプ(2)の充放電電流値、ループフィルタ(3)の抵抗値及び容量値、電圧制御発振器(4)の制御電圧に対する発振周波数特性(VCOゲイン)、分周器(5)の分周数等によりループ特性が決定される。
このため、LSI等の電源投入時からPLL回路がロックするまでの出力クロックの周波数変動は、ループ特性によって、例えば、図2に示すように、目的の周波数に対してオーバーシュートが発生することがある。これは、PLL回路を高速にロックさせるために、設計時にオーバーシュートがわずかに発生するようにループ特性を設定する場合や、チャージポンプ(2)の充放電電流値や、ループフィルタ(3)の抵抗値及び容量値、電圧制御発振器(4)の制御電圧に対する発振周波数特性の製造ばらつき等に起因してループ特性が変動する場合があるためである。なお、図2は、PLL回路のロック過程を示す図であり、横軸は時間(Time)を示し、縦軸は、周波数(Frequency)を示す。
なお、本発明より先に出願された技術文献として、データセパレート回路を位相比較器10、チャージ・ポンプ11、フィルタ回路12、ゲイン切り換え型電圧制御発振回路(VCO)13、分周回路14、ゲイン切り換え回路15、データ・セパレータ16で構成し、ゲインの切り換えは、ゲイン切り換え回路15からの同期した場合に出力されるゲイン切り換え信号をゲイン切り換え型制御発振回路(VCO)13で受け、ゲイン切り換え型制御発振回路(VCO)13のコントロール電圧に対する発振周波数の変化の特性を切り換えることで実現し、1系統のフィルタ回路で構成できるデータセパレート回路がある(例えば、特許文献1参照)。
また、電源投入時には磁極信号を出力し、所定時間以降はインクリメンタル信号に出力信号を切り替えることで、信号線数を少なくした磁極信号とインクリメンタル信号を有するブラシレスサーボモータ及びその制御装置において、エンコーダへの電力給電を一時遮断及び再投入できる機能、所定電圧で信号を出力する電圧監視回路、信号切り替え時間を計数できるタイマを持ち、電力を再投入し、所定電圧に到達した後、タイマを動作させ所定時間を計数できるように構成したものがある(例えば、特許文献2参照)。
特開平6−342566号公報 特開2000−270584号公報
PLL回路のロック過程で生じる周波数のオーバーシュートは、電圧制御発振器(4)の発振周波数が、分周器(5)を通って位相比較器(1)へフィードバックするパスの周波数帯域を一時的に超えてしまう可能性があり、パスの周波数帯域を超えてしまうと、フィードバックパス上でクロック信号が消失してしまうことになる。位相比較器(1)にフィードバックが戻らないと、周波数が上がりすぎていることが検出できなくなり、そのままではPLL回路をロックすることができない状態となる。
また、LSI等の電源投入時に周波数制御信号がグランドレベルではなく、電源レベルになっている可能性があり、この場合は、電圧制御発振器(4)が動作限界である最大周波数で周波数を発振し始めてしまうことになり、発振周波数特性によっては、フィードバックパスの周波数帯域を超えてしまい、PLL回路をロックすることができない状態になる。
なお、上記特許文献1には、ゲイン切り換え型制御発振回路(VCO)13のコントロール電圧に対する発振周波数の変化の特性を切り換えることが開示されているが、発振周波数の変化の特性を段階的に切り替えることについては何ら示唆されていない。また、上記特許文献2にも、発振周波数の変化の特性を段階的に切り替えることについては何ら示唆されていない。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、PLL回路のロック過程で生じる周波数のオーバーシュートを極力押さえ、電源投入時の周波数制御信号の電圧レベルに関わらず、PLL回路のロック動作を補償するPLL回路及びその制御方法を提供することを目的とするものである。
かかる目的を達成するために、本発明は以下の特徴を有することとする。
本発明にかかるPLL回路は、
外部より入力される基準クロック信号と分周器の出力信号との位相を比較し、所定の信号を出力する位相比較器と、
前記位相比較器から出力される出力信号のパルス幅に応じたアナログ信号を出力するチャージポンプと、
前記チャージポンプから出力される前記アナログ信号を平滑化し、周波数制御信号を出力するループフィルタと、
前記ループフィルタから出力される前記周波数制御信号に対する発信周波数の変化度に応じた前記発信周波数のクロック信号を出力する電圧制御発振器と、
前記電圧制御発振器から出力される出力クロック信号を分周して前記位相比較器に出力する分周器と、を有するPLL回路であって、
前記発振周波数の変化度を制御する複数ビットの切替信号を出力するエンコーダ回路を有し、
前記電圧制御発振器は、
前記エンコーダ回路から出力される前記切替信号を基に、前記電圧制御発振器内の遅延回路の遅延値の設定範囲を可変させ、前記発振周波数の変化度を小さな値から大きな値に段階的に切り替えることを特徴とする
また、本発明にかかるPLL回路において、
前記電圧制御発振器は、
前記切替信号を基に、前記遅延回路に流れる総電流値を可変させ、前記遅延回路の遅延値の設定範囲を可変させることを特徴とする。
また、本発明にかかるPLL回路において、
前記エンコーダ回路は、
外部から入力される制御信号を基に、小さな値から大きな値に段階的に切り替えて前記切替信号を出力することを特徴とする
また、本発明にかかるPLL回路は、
特定の時刻に前記制御信号を前記エンコーダ回路に出力するタイマー回路を有し、
前記エンコーダ回路は、
PLL回路の初期化時に小さな値の前記切替信号を出力し、
前記タイマー回路から前記制御信号が入力される度に、前記切替信号の値を大きな値に変更し、該変更した値の前記切替信号を出力することを特徴とする
また、本発明にかかるPLL回路の制御方法は、
外部より入力される基準クロック信号と分周器の出力信号との位相を比較し、所定の信号を出力する位相比較器と、
前記位相比較器から出力される出力信号のパルス幅に応じたアナログ信号を出力するチャージポンプと、
前記チャージポンプから出力される前記アナログ信号を平滑化し、周波数制御信号を出力するループフィルタと、
前記ループフィルタから出力される前記周波数制御信号に対する発振周波数の変化度に応じた前記発信周波数のクロック信号を出力する電圧制御発振器と、
前記電圧制御発振器から出力される出力クロック信号を分周して前記位相比較器に出力する分周器と、を有するPLL回路の制御方法であって、
前記発振周波数の変化度を制御する複数ビットの切替信号を出力するエンコーダ回路を有し、
前記電圧制御発振器は、
前記エンコーダ回路から出力される前記切替信号を基に、前記電圧制御発振器内の遅延回路の遅延値の設定範囲を可変させ、前記発振周波数の変化度を小さな値から大きな値に段階的に切り替えることを特徴とする
また、本発明にかかるPLL回路の制御方法において、
前記電圧制御発振器は、
前記切替信号を基に、前記遅延回路に流れる総電流値を可変させ、前記遅延回路の遅延値の設定範囲を可変させることを特徴とする。
また、本発明にかかるPLL回路の制御方法において、
前記エンコーダ回路は、
外部から入力される制御信号を基に、小さな値から大きな値に段階的に切り替えて前記切替信号を出力することを特徴とする。
また、本発明にかかるPLL回路の制御方法は、
特定の時刻に前記制御信号を前記エンコーダ回路に出力するタイマー回路を有し、
前記エンコーダ回路は、
PLL回路の初期化時に小さな値の前記切替信号を出力し、
前記タイマー回路から前記制御信号が入力される度に、前記切替信号の値を大きな値に変更し、該変更した値の前記切替信号を出力することを特徴とする。
本発明にかかるPLL回路及びその制御方法は、LSIの電源投入時に周波数制御信号が電源レベルになるようなことがあっても、電圧制御発振器の発振周波数がフィードバックパスの周波数帯域を超えることなく、PLL回路を正常にロックすることが可能となる。
まず、図3を参照しながら、本実施形態におけるPLL回路の特徴について説明する。
本実施形態におけるPLL回路は、外部より入力される基準クロック信号を基に所定の信号を出力する位相比較器(1)と、位相比較器(1)から出力される出力信号のパルス幅に応じたアナログ信号を出力するチャージポンプ(2)と、チャージポンプ(2)から出力されるアナログ信号を平滑化し、周波数制御信号を出力するループフィルタ(3)と、ループフィルタ(3)から出力される周波数制御信号に応じた発振周波数特性のクロック信号を出力する電圧制御発振器(4)と、電圧制御発振器(4)から出力される出力クロック信号を分周する分周器(5)と、を有し、基準クロック信号に対して同期した逓倍クロック信号を出力するPLL回路であって、電圧制御発振器(4)は、外部のゲイン制御回路(6)から入力される切替信号を基に、電圧制御発振器(4)内の遅延回路の遅延値を制御し、発振周波数特性を小さな値から大きな値に段階的に切り替えることを特徴とするものである。このように、本実施形態におけるPLL回路は、発振周波数特性を可変にした電圧制御発振器(4)を用い、PLL回路のロック過程で、その発振周波数特性を小さな設定から大きな設定へ段階的に切り替えることで、PLL回路のロック過程で生じる周波数のオーバーシュートを極力押さえ、電源投入時の周波数制御信号の電圧レベルに関わらず、PLL回路のロック動作を補償することが可能となる。以下、添付図面を参照しながら、本実施形態におけるPLL回路について詳細に説明する。
まず、図3を参照しながら、本実施形態におけるPLL回路の回路構成について説明する。なお、図3は、本実施形態におけるPLL回路のブロック図である。
本実施形態におけるPLL回路は、図3に示すように、基準クロック信号を入力とする位相比較器(1)と、位相比較器(1)から出力される出力信号のパルス幅に応じたアナログ信号を出力するチャージポンプ(2)と、アナログ信号を平滑化して周波数制御信号を出力するループフィルタ(3)と、周波数制御信号に応じた周波数のクロック信号を出力する電圧制御発振器(4)と、電圧制御発振器(4)の出力クロック信号を分周する分周器(5)と、電圧制御発振器(4)の発振周波数特性を制御する複数ビットのゲイン切替信号を出力するゲイン制御回路(6)と、を有して構成される。
なお、ゲイン制御回路(6)は、複数ビットのゲイン切替信号を生成するエンコーダ回路(61)と、エンコーダ回路(61)において生成したゲイン切替信号の出力タイミングを制御するタイマー回路(62)と、を有して構成される。また、分周器(5)から出力される出力クロック信号を位相比較器(1)の他方に入力し、PLL回路としての帰還ループを構築することになる。
次に、図4、図5を参照しながら、図3に示す電圧制御発振器(4)の構成について説明する。なお、図4は、電圧制御発振器(4)の回路構成を示すブロック図であり、図5は、図4の電圧制御発振器(4)を構成する各遅延回路の回路図を示す。
電圧制御発振器(4)は、図4に示すように、複数段の遅延回路を輪状に接続し、該接続した複数段の遅延回路のうち、1箇所の遅延回路の極性を反転させることで周波数を発振することになる。なお、電圧制御発振器(4)の発振周波数特性は、輪を構成する遅延回路の遅延値によって決定される。遅延回路の遅延値は、ループフィルタ(3)の出力信号である周波数制御信号により制御されることになる。
電圧制御発振器(4)を構成する遅延回路は、図5に示すように、差動の入力信号をゲートで受けるトランジスタM1/M2と、トランジスタM1/M2のドレインと電源線に接続された抵抗R1/R2と、トランジスタM1/M2のソースに接続された電流源回路I1/I2と、電流源回路I1/I2のそれぞれの電流パスをオン/オフさせるスイッチS1/S2と、から構成され、トランジスタM1/M2のドレインを出力端子とする。
図5に示すように、ループフィルタ(3)の出力信号である周波数制御信号は電流源回路I1/I2に入力され、該入力された周波数制御信号の電圧が低い時には電流値が小さくなり、該入力された周波数制御信号の電圧が高い時には電流値が大きくなる。
なお、遅延回路の遅延値は、電流値に依存して変化することになり、電流値が小さい場合には遅延回路の遅延値が大きくなる。すなわち、電圧制御発振器(4)の発振周波数が低くなる。また、電流値が大きい場合には遅延回路の遅延値が小さくなる。すなわち、電圧制御発振器(4)の発振周波数が高くなる。
なお、本実施形態における遅延回路は、電流源回路I1/I2と、スイッチS1/S2からなる電流パスを複数並列に接続し、各電流パスのスイッチS1/S2を、ゲイン制御回路(6)から出力されるゲイン切替信号を基に制御し、遅延回路に流れる総電流値を可変させ、遅延回路の遅延値の設定範囲を可変させることになる。これにより、電源制御発振器(4)における発振周波数特性を可変させることが可能となる。なお、図5では2ビットのゲイン切替信号と2本の電流パスの構成を示したが、ゲイン切替信号をビット数をNビットとし、遅延回路の電流パスをN本にすることで、電圧制御発振器(4)における発振周波数特性を2のN乗通りに設定することが可能となる。
このように、本実施形態における電圧制御発振器(4)は、ゲイン制御回路(6)の出力信号である複数ビットのゲイン切替信号を基に、電流値を制御する電流パスのオン/オフの切り替え制御を行うことで、電圧制御発振器(4)の発振周波数特性を段階的に切り替えることが可能となる。
次に、図6、図7を参照しながら、本実施形態におけるPLL回路における処理動作について説明する。なお、図6は、電圧制御発振器(4)の発振周波数特性のグラフにPLL回路のロック状態を重ね書きした図であり、図7は、本実施形態におけるPLL回路のロック過程を表す図である。
まず、エンコーダ回路(61)は、LSIの電源投入時を含めたPLL回路の初期化時に、電圧制御発振器(4)の発振周波数特性が最小となるゲイン切替信号を出力することになる。なお、この電源投入時において、エンコーダ回路(61)が出力するゲイン切替信号は、GAIN1,2=[0,0]という設定であり、図6に示すように、発振周波数特性は、ターゲット周波数に届いていないことになる。
この時、本実施形態におけるPLL回路は、外部から入力する基準クロック信号に対し、分周器(5)の出力であるフィードバッククロック信号の周波数が遅いため、周波数をさらに上げるように、周波数制御信号のレベルを上昇させるように動作することになる。このため、電圧制御発振器(4)は、GAIN1,2=[0,0]という設定時では最大周波数で発振し続けることになる。
次に、タイマー回路(62)は、PLL回路の初期化時から一定時間(T1)が経過したと判断した際に、ゲイン切替信号の出力タイミングを制御する制御信号をエンコーダ回路(61)に出力することになる。なお、タイマー回路(62)において計測する一定時間とは、PLL回路がロックして安定動作するまでに必要な時間である。
タイマー回路(62)から制御信号が入力されたエンコーダ回路(61)は、ゲイン切替信号を1段階上げて、GAIN1,2=[1,0]という設定に変更し、該変更したゲイン切替信号を出力することになる。なお、このGAIN1,2=[1,0]という設定では、図6に示すように、電圧制御発振器(4)の動作周波数範囲内にターゲット周波数が入っているため、PLL回路がロックすることになる。
次に、タイマー回路(62)は、再び一定時間が経過し、時刻T2になったと判断した際に、ゲイン切替信号の出力タイミングを制御する制御信号をエンコーダ回路(61)に出力することになる。エンコーダ回路(61)は、タイマー回路(62)から制御信号が入力されると、ゲイン切替信号を1段階上げて、GAIN1,2=[0,1]という設定に変更し、該変更したゲイン切替信号を出力することになる。なお、このGAIN1,2=[0,1]という設定でも、図6に示すように、電圧制御発振器(4)の動作周波数範囲内にターゲット周波数が入っているため、PLL回路がロックすることになる。
次に、タイマー回路(62)は、再び一定時間が経過し、時刻T3になったと判断した際に、ゲイン切替信号の出力タイミングを制御する制御信号をエンコーダ回路(61)に出力することになる。エンコーダ回路(61)は、タイマー回路(62)から制御信号が入力されると、ゲイン切替信号を1段階上げて、GAIN1,2=[1,1]という設定に変更し、該変更したゲイン切替信号を出力することになる。なお、このGAIN1,2=[1,1]という設定でも、図6に示すように、電圧制御発振器(4)の動作周波数範囲内にターゲット周波数が入っているため、PLL回路がロックすることになる。
本実施形態におけるPLL回路は、上述した処理動作を、所望の発振周波数特性になるまで繰り返すことで、図7に示すように、オーバーシュートが少ないロック過程を実現することが可能となる。なお、図7は、PLL回路のロック過程を示す図であり、横軸は時間(Time)を示し、縦軸は、周波数(Frequency)を示す。
このように、本実施形態におけるPLL回路は、発振周波数特性を可変にした電圧制御発振器(4)を用い、PLL回路のロック過程で、発振周波数特性を小さな設定から大きな設定へ段階的に切り替えることで、LSIの電源投入時に周波数制御信号が電源レベルになるようなことがあっても、電圧制御発振器(4)の発振周波数がフィードバックパスの周波数帯域を超えることなく、PLL回路を正常にロックすることが可能となる。また、ゲイン切替信号の設定の仕方を調整することで、PLL回路のループ特性を最適にすることが可能となり、より低ジッタのクロック信号を生成することが可能となる。
なお、上述する実施形態は、本発明の好適な実施形態であり、上記実施形態のみに本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更を施した形態での実施が可能である。
従来のPLL回路の構成を示すブロック図である。 従来のPLL回路のロック過程を示す図である。 本実施形態におけるPLL回路の構成を示すブロック図である。 図3に示すPLL回路を構成する電圧制御発振器(4)の回路構成を示す図である。 図4に示すPLL回路を構成する電圧制御発振器(4)を構成する遅延回路の回路構成を示す図である。 電圧制御発振器(4)の発振周波数特性グラフにPLL回路の状態遷移を示した図である。 本実施形態におけるPLL回路のロック過程を示す図である。
符号の説明
1 位相比較器(PFD)
2 チャージポンプ(CP)
3 ループフィルタ(LF)
4 電圧制御発振器(VCO)
5 分周器(DIV)
6 ゲイン制御回路
61 エンコーダ回路(ENCODER)
62 タイマー回路(TIMER)

Claims (8)

  1. 外部より入力される基準クロック信号と分周器の出力信号との位相を比較し、所定の信号を出力する位相比較器と、
    前記位相比較器から出力される出力信号のパルス幅に応じたアナログ信号を出力するチャージポンプと、
    前記チャージポンプから出力される前記アナログ信号を平滑化し、周波数制御信号を出力するループフィルタと、
    前記ループフィルタから出力される前記周波数制御信号に対する発信周波数の変化度に応じた前記発信周波数のクロック信号を出力する電圧制御発振器と、
    前記電圧制御発振器から出力される出力クロック信号を分周して前記位相比較器に出力する分周器と、を有するPLL回路であって、
    前記発振周波数の変化度を制御する複数ビットの切替信号を出力するエンコーダ回路を有し、
    前記電圧制御発振器は、
    前記エンコーダ回路から出力される前記切替信号を基に、前記電圧制御発振器内の遅延回路の遅延値の設定範囲を可変させ、前記発振周波数の変化度を小さな値から大きな値に段階的に切り替えることを特徴とするPLL回路。
  2. 前記電圧制御発振器は、
    前記切替信号を基に、前記遅延回路に流れる総電流値を可変させ、前記遅延回路の遅延値の設定範囲を可変させることを特徴とする請求項1記載のPLL回路。
  3. 前記エンコーダ回路は、
    外部から入力される制御信号を基に、小さな値から大きな値に段階的に切り替えて前記切替信号を出力することを特徴とする請求項1または2記載のPLL回路。
  4. 特定の時刻に前記制御信号を前記エンコーダ回路に出力するタイマー回路を有し、
    前記エンコーダ回路は、
    PLL回路の初期化時に小さな値の前記切替信号を出力し、
    前記タイマー回路から前記制御信号が入力される度に、前記切替信号の値を大きな値に変更し、該変更した値の前記切替信号を出力することを特徴とする請求項3記載のPLL回路。
  5. 外部より入力される基準クロック信号と分周器の出力信号との位相を比較し、所定の信号を出力する位相比較器と、
    前記位相比較器から出力される出力信号のパルス幅に応じたアナログ信号を出力するチャージポンプと、
    前記チャージポンプから出力される前記アナログ信号を平滑化し、周波数制御信号を出力するループフィルタと、
    前記ループフィルタから出力される前記周波数制御信号に対する発振周波数の変化度に応じた前記発信周波数のクロック信号を出力する電圧制御発振器と、
    前記電圧制御発振器から出力される出力クロック信号を分周して前記位相比較器に出力する分周器と、を有するPLL回路の制御方法であって、
    前記発振周波数の変化度を制御する複数ビットの切替信号を出力するエンコーダ回路を有し、
    前記電圧制御発振器は、
    前記エンコーダ回路から出力される前記切替信号を基に、前記電圧制御発振器内の遅延回路の遅延値の設定範囲を可変させ、前記発振周波数の変化度を小さな値から大きな値に段階的に切り替えることを特徴とするPLL回路の制御方法。
  6. 前記電圧制御発振器は、
    前記切替信号を基に、前記遅延回路に流れる総電流値を可変させ、前記遅延回路の遅延値の設定範囲を可変させることを特徴とする請求項5記載のPLL回路の制御方法。
  7. 前記エンコーダ回路は、
    外部から入力される制御信号を基に、小さな値から大きな値に段階的に切り替えて前記切替信号を出力することを特徴とする請求項5または6記載のPLL回路の制御方法。
  8. 特定の時刻に前記制御信号を前記エンコーダ回路に出力するタイマー回路を有し、
    前記エンコーダ回路は、
    PLL回路の初期化時に小さな値の前記切替信号を出力し、
    前記タイマー回路から前記制御信号が入力される度に、前記切替信号の値を大きな値に変更し、該変更した値の前記切替信号を出力することを特徴とする請求項7記載のPLL回路の制御方法。
JP2004366034A 2004-12-17 2004-12-17 Pll回路及びその制御方法 Expired - Fee Related JP4192888B2 (ja)

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