JP4371531B2 - 遅延同期回路 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体メモリ装置の遅延同期回路(Delay Locked Loop ; 以下、DLLと称する)に関し、より詳しくは、回路を広範囲に動作させて、ラッキングタイム(Locking time)及び性能を向上させた遅延同期回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、ラムバスDRAM(Rambus DRAM )、シンクロナスDRAM(Synchronous DRAM)、シンクリンクDRAM(Synchlink DRAM)及びDDRDRAM(Double Data Rate DRAM )等のような高速の半導体メモリ装置は、外部クロック信号を入力し、これを内部回路で用いられる内部クロック信号に変換して使用している。しかし、内部回路で用いられる内部クロック信号は、物理的な側面における遅延等のため、外部より入力される外部クロック信号と位相差が発生することになる。従って、従来の半導体メモリ装置では、遅延同期回路を用いて外部クロック信号と内部クロック信号との間に発生する位相差を除去することで、セットアップタイムとホールドタイムなどの問題を解決している。
【0003】
図1は、従来のDDRDRAMで用いられる同期回路DLLのブロック横成図であり、入力信号を一定時間遅延させて次段に出力する遅延チェーン構造からなる多数の遅延回路部10と、前記多数の遅延回路部10の何れかを選択するための選択制御信号selを前記多数の遅延回路10に各々発生するシフトレジスタ12とを備えてなる。
【0004】
図2は図1に示した遅延回路部10の回路構成図であり、前記シフトレジスタ12より出力された選択制御信号sel及び入力信号inputを入力にしてナンド演算した信号を出力するナンドゲートNAND1と、電源電圧Vcc信号と前記ナンドゲートNAND1の出力信号を入力にしてナンド演算した信号を出力するナンドゲートNAND2と、前記ナンドゲートNAND2の出力信号を反転させて出力するインバーターIV1とを備えてなる。
【0005】
前記遅延同期回路より出力されたクロック信号は、前記シフトレジスタ12によって選択された遅延回路部10より右に連結した他の遅延回路部を順次通過してから発生する。よって、前記遅延同期回路における最小遅延時間は、一つの遅延回路部10を通過する時間となり、最大遅延時間は全ての遅延回路部10を通過する時間となる。
【0006】
図3は図1に示した遅延同期回路の遅延ライン特性を示したグラフであり、前記遅延回路部10が128個からなる場合の例を示している。
【0007】
前記グラフに示すように、前記遅延回路部10が128個からなる場合では遅延ラインの線形性が極めて優秀である。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図1に示した遅延同期回路よりも動作を広範囲にするには、前記遅延回路部10が128個よりも多い数の遅延回路部が必要なので、設計面積に制限がある。
【0009】
また、前記遅延同期回路は、同期信号の正確度を高めるために前記遅延回路部10を最大限に低減しても、一つの遅延回路部10以下には不可能であるため、性能の良い遅延同期回路DLLを具現するには限界があるという問題点もある。
【0010】
図4は従来のシンクリンクDRAMで用いられた遅延同期回路のブロック構成図であり、遅延チェーン構造からなる多数の遅延回路部20と、前記遅延回路部20の各々の出力信号を入力され、その何れかを選択して単一出力信号を発生させるマルチプレクサ22とを備えてなる。
【0011】
図5は図4に示した遅延回路部20の構成図であり、電流ミラー構造と差動増幅器とからなる。
図示のように、前記遅延回路部20は、制御信号Ctrlpがロジックローに、制御信号Ctrlnがロジックハイに印加されると、伝達ゲートTM1及びTM2を通して電源電圧Vccが印加され、NMOSトランジスタN3を通して接地電圧Vssにカレントパスpathが形成されて動作を始める。このとき、NMOSトランジスタN1及びN2に各々入力信号INp及びINnを入力すると、前記遅延回路部20は入力された2個の入力信号INp及びINnの電圧レベルの大きさにより差動増幅された信号を各々出力端子OUTn及びOUTpに出力する。
【0012】
図6は図4に示した遅延同期回路の遅延ライン特性を示したグラフである。
【0013】
図4に示した遅延同期回路DLLは、遅延ラインによる全体遅延時間が、入力クロックの一周期Tcycleに合うように調整され、もし、前記遅延回路部20が32個からなる場合、32個の基準クロックの何れかを前記マルチプレクサ22が選択するように動作する。
【0014】
前記構成を持つ遅延同期回路は、多数の前記遅延回路部20の設計時、最小周期と最大周期を考慮すべきであるから、設計上で制限がある。
【0015】
また、前記遅延同期回路は、6ビットデジタル−アナログ変換器(Digitalt to Analog Converter;DAC)を使用する場合、動作範囲(最大遅延時間−最小遅延時間)が10nsとすれば、一ステップ当たり動く遅延時間は10ns/64step=156.25psとなる。
【0016】
しかし、線形性の劣る部分、すなわち最小遅延近くでは、DACによるステップ当たり動く遅延時間が最大遅延近くでのそれに比べて10倍以上と差異が発生する。この様な現象は、図6に示した遅延ライン特性のグラフの接線傾きから分かる。
【0017】
従って、図4に示した従来の遅延同期回路DLLは、動作範囲を大きく低減すれば非常に優秀な線形性を維持できるという長所があるが、そうでない場合は線形性の問題が発生し、かつその効率も抵下するという短所がある。
【0018】
図7は従来のラムバスDRAMで用いられた遅延同期回路のブロック構成図であり、入力クロックの半周期に合うように動作する4個の遅延回路部30と、前記各遅延回路部30より各々二つの出力信号を入力され、この中の二つの信号を選択するマルチプレクサ32と、前記マルチプレクサ32より差等的に入力される二つの信号の中の一つを選択して最終クロック信号として出力する位相混合器34とを備えてなる。
【0019】
図8は図7に示した遅延回路部及び位相混合器の関係を示すブロック構成図であり、クロック入力信号Inputと、このクロック入力信号Inputが二つのアンプ35を通して出力された固定遅延時間を持つクロック信号とを入力として、この入力信号を混合した信号を出力する位相混合器34からなる。
【0020】
前記位相混合器34は、差等制御電流により二入力信号を混合した信号を出力段に送ることになる。
【0021】
図9に示した遅延ライン特性のグラフから分かるように、前記遅延回路部30は、Ifast電流が最大でIslow電流が最小であれば、前記アンプ35を通して遅延されず前記位相混合部34に直接入力されたクロック信号を出力し、反対にIfast電流が最小でIslow電流が最大であれば、前記アンプ35を通して遅延されて入力されたクロック信号を出力する。そして、前記Ifast電流及びIs1ow電流が同じであれば、直接入力されたクロック信号と遅延されたクロック信号との中間位相のクロック信号を出力する。
【0022】
ここで、前記差等制御電流は8ビットDACで調整されるが、動作範囲を256ステップに分けるとステップ当たり動く遅延量になる。よって、動作範囲が広くなるほど一ステップ当たり動く遅延も大きくなる。このため、所望の性能から遠くなることになる。
【0023】
また、図8の遅延回路部30は、前記遅延されたクロック信号を作るアンプ35及びキヤパシタC1、C2により動作範囲が決定されるため、低速動作の場合、回路を設計するのに限界があるという問題点が発生する。
【0024】
本発明は前記問題点を解決するためになされたもので、本発明の目的は、既存のアナログタイプの遅延素子を持つ遅延同期回路DLLに、追加にデジタル遅延素子を用いて広範囲に動作させて、ラッキングタイム(Locking time)及び性能を向上させた遅延同期回路を提供することにある。
【0025】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明による遅延同期回路は、外部クロック信号を入力して所定時間遅延させ、第1及び第2論理区間を有するクロック遅延信号を出力する第1遅延手段と、前記クロック遅延信号の第1論理区間で、該第1論理区間に対して十分短い周期を持つ第1パルス信号を発生する第1発振手段と、前記クロック遅延信号の第2論理区間で、該第2論理区間に対して十分短い周期を持つ第2パルス信号を発生する第2発振手段と、前記クロック遅延信号の第1論理区間の開始区間から前記第1パルス信号の一周期だけ順次遅延させたパルス信号を2分周して前記クロック遅延信号の2倍の周期を持つ多数のパルス信号を順次発生する第2遅延手段と、前記クロック遅延信号の第2論理区間の開始区間から前記第2パルス信号の一周期だけ順次遅延させたパルス信号を2分周して前記クロック遅延信号の2倍の周期を持つ多数のパルス信号を順次発生する第3遅延手段と、前記第2及び第3遅延手段より発生した多数のパルス信号のうち、各々同じ遅延時間を持つ二つのパルス信号を選択して出力する選択手段と、前記選択手段より出力された二つのパルス信号を組み合わせ、前記外部クロック信号と同じ周期を持つ内部クロック信号を発生する論理手段と、前記外部クロック信号及び前記内部クロック信号を入力して位相を検出した信号を出力する位相検出手段と、前記位相検出手段の出力信号を入力して、前記第1遅延手段、前記第1及び第2発振手段、並びに前記選択手段の動作を各々制御する信号と、前記第2及び第3遅延手段にリセットする信号とを発生する制御手段と、を備えることを特徴とする。
【0026】
本発明の実施例による遅延同期回路において、前記第1論理区間はロジックハイレベルを持つ区間で、前記第2論理区間はロジックローレベルを持つ区間であることを特徴とする。
【0027】
本発明の実施例による遅延同期回路において、前記第2遅延手段は、前記クロック遅延信号の第1論理区間で動作し、前記クロック遅延信号を前記第1パルス信号の一周期ずつ順次遅延させたパルス信号を発生する多数のD−フリップフロップと、前記制御手段から発生したリセット信号によりリセットされ、前記クロック遅延信号の第1論理区間の開始区間から前記第1パルス信号の一周期だけ順次遅延されて出力された前記D−フリップフロップのパルス信号を2分周して2倍の周期を持つパルス信号を発生する多数のT−フリップフロップとからなることを特徴とする。
【0028】
本発明の実施例による遅延同期回路において、前記第3遅延手段は、前記クロック遅延信号の第2論理区間で動作し、前記クロック遅延信号を前記第2パルス信号の一周期ずつ順次遅延させたパルス信号を発生する多数のD−フリップフロップと、前記制御手段から発生したリセット信号によりリセットされ、前記クロック遅延信号の第2論理区間の開始区間から前記第2パルス信号の一周期だけ順次遅延されて出力された前記D−フリップフロップのパルス信号を2分周して2倍の周期を持つパルス信号を発生する多数のT−フリップフロップとからなることを特徴とする。
【0029】
本発明の実施例による遅延同期回路において、前記選択手段はマルチプレクサ回路からなることを特徴とする。
【0030】
本発明の実施例による遅延同期回路において、前記論理手段はエクスクルーシブオアゲートからなることを特徴とする。
【0031】
本発明の実施例による遅延同期回路において、前記第1及び第2発振手段は電圧制御発振器であることを特徴とする。
【0032】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面に基づき、本発明を詳細に説明する。
また、実施例を説明するための全ての図面において、同一機能を持つ部分には同一符号を付いてその説明は省略する。
【0033】
図10は本発明による遅延同期回路のブロック構成図であり、外部クロック信号extCLKを入力して一定時間遅延させたクロック信号delay CLKを出力する第1遅延手段420と、前記クロック遅延信号delay CLKの第1論理区間で、一定周期を持つ第1パルス信号を発生する第1発振手段430と、前記クロック遅延信号delay CLKの第2論理区間で、一定周期を持つ第2パルス信号を発生する第2発振手段440と、前記クロック遅延信号delay CLKの第1論理区間の開始区間から前記第1パルス信号の一周期だけ順次遅延させた、前記クロック遅延信号の2倍の周期を持つ多数のパルス信号を順次発生する第2遅延手段450と、前記クロック遅延信号delay CLKの一周期に当該クロック信号を半周期ずつ出力し、前記クロック遅延信号の第2論理区間の開始区間から前記第2パルス信号の一周期だけ遅延させた多数のパルス信号を順次発生する第3遅延手段460と、前記第2及び第3遅延手段450、460より発生した多数のクロック信号のうち、各々同じ遅延時間を持つ二つのクロック信号を選択して出力する選択手段470と、前記選択手段470より出力された二つのクロック信号を組み合わせ、前記外部クロック信号ext CLKと同じ周期を持つ内部クロック信号int CLKを発生する論理手段480と、前記外部クロック信号ext cLK及び前記内部クロック信号intCLKを入力されて位相を検出した信号を出力する位相検出手段400と、前記位相検出手段400の出力信号を入力して、前記第1遅延手段420、前記第1及び第2発振手段430、440、並びに前記選択手段470の動作を各々制御する信号と、前記第2及び第3遅延手段450、460にリセットする信号とを発生する制御手段410とを含んでなる。
【0034】
ここで、前記第1及び第2発振手段430、440では、電圧制御発振器(Voltage Controled Oscillater;VCO)を用いる。
【0035】
そして、前記第2及び第3遅延手段450、460は、各々前記第1及び第2発振手段430、440から出力された各々のクロック信号の周期だけの位相遅延をなし、相互直列連結した多数のデジタル遅延素子41〜4n、51〜5nを備えてなり、前記デジタル遅延素子41〜4n、51〜5nは、前段に連結した第1及び第2発振手段430、440の出力信号及び前記第1遅延手段420の出力信号により活性化が制御され、入力されたクロック信号を一定周期(ここでは、前記VCOで出力されるクロック信号の1周期)分ずつ追加に位相遅延させて、後段に連結したデジタル遅延素子の入力段に伝達するD−フリップフロップと、前記制御手段410から出力されるリセット信号resetの制御下で、前記D−フリップフロツプの出力信号を入力されて2倍の周期の信号を出力するT−フリップフロップとを備えてなる。
【0036】
また、前記選択手段470はマルチプレクサを用い、前記論理手段480はエクスクルーシブオアゲート(exclusive-OR gate:X−OR)を用いる。
【0037】
図11(a)乃至図11(l)は本発明による遅延同期回路の動作タイミング図であり、以下、同図を参照して本発明の動作を詳細に説明する。
【0038】
まず、制御手段410の一側出力信号のリセット信号resetにより第2及び第3遅延手段450、460をなす各々のT−フリップフロツプの出力信号Qd1〜Qdn、Qdb1〜Qdbnはロー状態に初期化する。その後、外部から印加されるクロック信号ext CLKがアナログ型遅延素子からなる第1遅延手段420によって所定時間だけ遅延されたクロック信号delay CLKを図11(a)に示したように発生させる。
【0039】
このとき、前記第1遅延手段420をなすアナログ型遅延素子は、遅延の加減範囲が非常に小さいし、その大きさは前記第1及び第2発振手段430、440で用いられる電圧制御発振器VCOが最大周波数を出力する時の1周期T分の大きさで設計される。
【0040】
それで、前記遅延されたクロック信号delay CLKが、ハイの時、図10の上に位置した第1発振手段430と前記第2遅延手段450とが動作することになり、反対にローの時、その下に位置した第2発振手段440と前記第3遅延手段460とが動作することになる。
【0041】
すなわち、図11(a)に示した遅延クロック信号delay CLKがハイの区間t1では、第1発振手段430が活性化されながら、図11(b)に示したように、前記遅延クロック信号delay CLKのハイの区間の間に一定周期Tを持つパルス信号を発生させる。
【0042】
その後、前記第1発振手段430の出力信号を印加されて動作する第2遅延手段450内に、D−フリップフロップD−FFが動作しながら、前記図11(b)に示した第1発振手段の出力信号の周期だけの位相遅延を追加して、クロックの立ち上がりエッジ部で電位を遷移させることになる。このように遷移されたハイレベルのD−フリップフロップD−FFの出力信号Q1〜Qnは、前記図11(b)に示した遅延クロック信号delay CLKがローに遷移される時点でローレベルになる。
【0043】
一方、図11(a)に示した遅延クロック信号delay CLKがローの区間t2では、第2発振手段440が活性化されながら、図11(c)に示したように、前記遅延クロック信号delay CLKのローの区間の間に一定周期Tを持つパルス信号を発生させる。
【0044】
これにより、前記第2発振手段440の出力信号を印加されて動作する第3遅延手段460内に、D−フリップフロツプが動作しながら、前記図11(c)に示した第2発振手段440の出力信号の1周期だけの位相遅延を追加して、クロックの立ち上がりエッジ部で電位を遷移させることになる。このように遷移されたハイレベルのD−フリップフロツプD−FFの出力信号Qb1〜Qbnは、前記図11(a)に示した遅延クロック信号delay CLKが更にハイに遷移される時点でローレベルになる。
【0045】
前記D−フリップフロツプの出力信号Q1〜Qn、Qb1〜Qbnでは、その周期が図11(a)に示した遅延クロック信号の周期と同一で、位相は前段に連結した各発振手段430または440で発生される内部遅延にその出力信号のN周期分ずつ遅延が追加された信号を出力することになる。この時、デューテイ(duty)比の差異が大きいという特性を持つ。
【0046】
次に、図11(d)乃至図11(f)、及び図11(g)乃至図11(i)に各々示した、各遅延手段450、460内のD−フリップフロツプの出力信号Q1〜Qn、Qb1〜Qbnは、各々後段に連結したT−フリップフロツプに入力されてその位相を反転させ、これにより、周期の前記遅延されたクロック信号に比べて2倍の信号を発生させることになる。この時に発生する信号はそのデューテイ比が50%のクロック信号である。
【0047】
最後に、前記第2及び第3遅延手段450、460内のT−フリップフロップから出力される多数の信号は、後段の選択手段470によって同一位相遅延を持つ一対の信号が選択される。このとき、図11(j)及び図11(k)に示した様に、2個のデジタル遅延素子41と42及び51と52によって発生されたQd2及びQdb2信号対が選択されたとすれば、後段の論理手段480をなすエクスクルーシブオアX−ORから出力される最終内部基準クロック信号int CLKは図11(l)に示したように、外部から入力されるクロック信号extCLKと同一周期を持つ信号となる。
【0048】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明による遅延同期回路によれば、外部入力クロック信号を発振手段によって多様な位相のクロック信号を発生させることで、任意に位相を決定できるだけでなく、N周期だけの位相移動もマルチプレクサの選択により可能となる。これにより、外部入力クロック信号に合せるべき位相を早く検出でき、また動作範囲も前記発振手段から出力されるクロック信号により調整可能となり、既存の優秀な性能をそのまま維持しながら、動作範囲を広範囲にすることができるという効果がある。
【0049】
また、マルチプレクサを調整して、大きなデューテイエラーの訂正も可能であるという効果もある。
【0050】
尚、本発明は、本実施例に限られるものではない。本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来のDDRで用いられた遅延同期回路のブロック構成図である。
【図2】図1に示した遅延回路部の回路構成図である。
【図3】図1に示した遅延同期回路の遅延ライン特性を示すグラフである。
【図4】従来のシンクリンクDRAMで用いられた遅延同期回路のブロック構成図である。
【図5】図4に示した遅延回路部の回路構成図である。
【図6】図4に示した遅延同期回路の遅延ライン特性を示すグラフである。
【図7】従来のラムバスDRAMで用いられた遅延同期回路のブロック構成図である。
【図8】図7に示した遅延回路部及び位相混合器の関係を示すブロック構成図である。
【図9】図7に示した遅延同期回路の遅延ライン特性を示すグラフである。
【図10】本発明による遅延同期回路のブロック構成図である。
【図11】(a)〜(l)は、本発明による遅延同期回路の動作タイミング図である。
【符号の説明】
12: シフトレジスタ
10、20、30: 遅延回路部
22、32: マルチプレックサ
34: 位相混合器
35: アンプ
400: 位相検出手段
410: 制御手段
420、450、460: 遅延手段
430、440: 発振手段
470: 選択手段
480: 論理手段
Claims (7)
- 半導体メモリ装置において、
外部クロック信号を入力して所定時間遅延させ、第1及び第2論理区間を有するクロック遅延信号を出力する第1遅延手段と、
前記クロック遅延信号の第1論理区間で、該第1論理区間に対して十分短い周期を持つ第1パルス信号を発生する第1発振手段と、
前記クロック遅延信号の第2論理区間で、該第2論理区間に対して十分短い周期を持つ第2パルス信号を発生する第2発振手段と、
前記クロック遅延信号の第1論理区間の開始区間から前記第1パルス信号の一周期だけ順次遅延させたパルス信号を2分周して前記クロック遅延信号の2倍の周期を持つ多数のパルス信号を順次発生する第2遅延手段と、
前記クロック遅延信号の第2論理区間の開始区間から前記第2パルス信号の一周期だけ順次遅延させたパルス信号を2分周して前記クロック遅延信号の2倍の周期を持つ多数のパルス信号を順次発生する第3遅延手段と、
前記第2及び第3遅延手段より発生した多数のパルス信号のうち、各々同じ遅延時間を持つ二つのパルス信号を選択して出力する選択手段と、
前記選択手段より出力された二つのパルス信号を組み合わせ、前記外部クロック信号と同じ周期を持つ内部クロック信号を発生する論理手段と、
前記外部クロック信号及び前記内部クロック信号を入力して位相を検出した信号を出力する位相検出手段と、
前記位相検出手段の出力信号を入力して、前記第1遅延手段、前記第1及び第2発振手段、並びに前記選択手段の動作を各々制御する信号と、前記第2及び第3遅延手段にリセットする信号とを発生する制御手段と、を備えることを特徴とする遅延同期回路。 - 前記第1論理区間はロジックハイレベルを持つ区間で、前記第2論理区間はロジックローレベルを持つ区間であることを特徴とする請求項1記載の遅延同期回路。
- 前記第2遅延手段は、前記クロック遅延信号の第1論理区間で動作し、前記クロック遅延信号を前記第1パルス信号の一周期ずつ順次遅延させたパルス信号を発生する多数のD−フリップフロップと、
前記制御手段から発生したリセット信号によりリセットされ、前記クロック遅延信号の第1論理区間の開始区間から前記第1パルス信号の一周期だけ順次遅延されて出力された前記D−フリップフロップのパルス信号を2分周して2倍の周期を持つパルス信号を発生する多数のT−フリップフロップと、からなることを特徴とする請求項1記載の遅延同期回路。 - 前記第3遅延手段は、前記クロック遅延信号の第2論理区間で動作し、前記クロック遅延信号を前記第2パルス信号の一周期ずつ順次遅延させたパルス信号を発生する多数のD−フリップフロップと、
前記制御手段から発生したリセット信号によりリセットされ、前記クロック遅延信号の第2論理区間の開始区間から前記第2パルス信号の一周期だけ順次遅延されて出力された前記D−フリップフロップのパルス信号を2分周して2倍の周期を持つパルス信号を発生する多数のT−フリップフロップと、からなることを特徴とする請求項1記載の遅延同期回路。 - 前記選択手段はマルチプレクサ回路からなることを特徴とする請求項1記載の遅延同期回路。
- 前記論理手段はエクスクルーシブオアゲートからなることを特徴とする請求項1記載の遅延同期回路。
- 前記第1及び第2発振手段は電圧制御発振器であることを特徴とする請求項1記載の遅延同期回路。
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