JP4454798B2 - クロック再生装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、入力デジタル信号からクロック信号を再生するための、クロック再生装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
デジタル信号を用いた通信装置等においては、クロック再生装置を備えて、信号処理に用いるクロック信号を、相手側から受け取った入力信号から再生して発生させることによって、入力信号のクロック周波数の変化に対して、常に追従できるようにするのが一般的である。
図33は、従来のクロック再生装置の一例を示す図、図34は、この従来例におけるクロック再生装置のオープンループ状態での周波数特性を示す図である。このクロック再生装置は、特開昭63−24997号公報において、クロック抽出回路として、開示されているものである。
この従来例のクロック再生装置においては、図33に示すように、ゲート101と、位相比較器102と、加算器103と、ループフィルタ104と、VCO(Voltage Controlled Oscillator :電圧制御発振器)105と、分周器106と、周波数比較器107とを備えた構成を有している。
【0003】
ゲート101は、ドロップアウト信号によって、入力データであるデジタル信号を遮断する。位相比較器102は、ゲート101からのデジタル信号と分周器106からのクロック信号との、位相差に応じた出力を発生する。
周波数比較器107は、基準信号とクロック信号との、周波数差に応じた出力を発生する。加算器103は、位相比較器102からの出力と、周波数比較器107からの出力とを加算する。ループフィルタ104は、図34(a)に示すように、周波数f111と周波数f112との間で平坦な周波数特性を持ち、加算器103からの加算結果に応じた電圧を発生して、VCO105に出力する。
クロック再生装置全体としては、オープンループ状態において、図34(b)に示すような周波数特性を持ち、ループフィルタ104からの出力電圧に応じた周波数の信号を発生する。分周器106は、VCO105が発生した信号を分周して、クロック信号を生成する。
【0004】
次に、図33に示されたクロック再生装置の動作を説明する。位相比較器102において、入力デジタル信号とクロック信号との位相差に応じた出力を発生するとともに、周波数比較器107において、クロック信号と基準信号との周波数差に応じた出力を発生する。そして、加算器103において、位相比較器102の出力と周波数比較器107の出力とを加算し、加算結果の信号をループフィルタ104を介して帯域制限して得られた電圧をVCO105に供給することによって、VCO105が発生した信号を分周器106で分周して、クロック信号を生成する。したがって、図33に示されたクロック再生装置によれば、入力デジタル信号とクロック信号との位相比較結果、又はクロック信号と基準信号との周波数比較結果の、いずれか卓越した方の出力に応じて、位相比較モード又は周波数比較モードで動作して、入力デジタル信号又は基準信号に同期したクロック信号を発生することができる。
【0005】
しかしながら、図33に示された従来例のクロック再生装置では、加算器103がアナログ回路で構成されているので、加算器103の直線性が悪いと、加算結果が影響を受ける。そのため、位相比較器102からの位相差に基づく出力と、周波数比較器107からの周波数差に基づく出力とに正確に対応する加算結果が得られないので、入力デジタル信号に応じた周波数のクロック信号を再生することができない。
また、加算器103は、アナログ回路からなっているため、製造時の誤差に基づいて動作等にばらつきが生じる恐れがあり、そのため、均一なクロック再生装置を実現することができない。
さらに、この従来例のクロック再生装置では、位相比較モードで動作中に、周波数比較結果の出力が外乱となって、正常な動作を妨げられることがある。
【0006】
これに対して、位相比較モードの系と、周波数比較モードの系とを完全に分離することによって、このような問題点を解消したクロック再生装置が提案されている。
【0007】
図35は、従来のクロック再生装置の他の例を示したものであって、特開平11−41222号公報において、非同期データ復調回路として、開示されているものである。
この従来例のクロック再生装置においては、図35に示すように、位相比較部201と、位相・周波数比較部202と、選択部203と、ループフィルタ204と、VCO205と、周波数検出部206と、タイマー207とを備えた構成を有している。
この図35のクロック再生装置では、アナログ回路による加算器はないので、図33の従来例のような、製造時の誤差に基づく均一性の不足という問題は解決されている。
【0008】
位相比較部201は、入力データ信号と出力クロック信号との位相を比較することによって、出力クロック信号周波数を上昇させるためのUP信号、又は低下させるためのDN信号を発生する。位相・周波数比較部202は、出力クロック信号と基準クロック信号との周波数を比較することによって、出力クロック信号周波数を上昇させるためのUP信号、又は低下させるためのDN信号を発生する。選択部203は、位相比較部201又は位相・周波数比較部202の出力を選択して、選択結果のUP信号又はDN信号を出力する。ループフィルタ204はチャージポンプ回路を含み、入力信号に対して直流再生及び帯域制限を行って得た信号をVCO205に供給する。VCO205は、ループフィルタ204の出力電圧に応じた周波数の信号を発振する。周波数検出部206は、システムリセット信号の入力ごとに、出力クロック信号と基準クロック信号とのそれぞれの周波数を計数して、それぞれの計数結果の差が所定値を超えたとき、出力信号Eoを発生する。タイマー207は、信号Eoの発生によって起動し、一定の動作時間中、有意になる信号を出力する。選択部203は、タイマー207の出力発生期間中、位相・周波数比較部202の出力を選択し、それ以外の期間は、位相比較部201の出力を選択する。
【0009】
次に、図35に示されたクロック再生装置の動作を説明する。入力データ信号周波数に対する、VCO205の出力クロック信号の同期が確立した状態では、周波数検出部206は出力を発生せず、したがって、タイマー107は不動作状態であって、選択部203は、位相比較部201の出力を選択している。この状態では、クロック再生装置は、入力データ信号と出力クロック信号との、位相比較モードでのPLL(Phase Locked Loop :位相同期ループ)動作を行って、出力クロック信号周波数を入力データ信号に追従させる制御を行っている。
一方、入力データ信号周波数に対する、VCO205の出力クロック信号の同期が外れた状態では、周波数検出部206からの出力信号Eoの発生によって、タイマー207が動作し、選択部203は、タイマー動作期間中、位相・周波数比較部202の出力を選択している。この状態では、クロック再生装置は、基準クロック信号と出力クロック信号との、位相周波数比較モードでのPLL動作を行って、出力クロック信号周波数を基準クロック信号に同期させる制御を行う。この際、タイマー207の動作時間Toを、同期確立に必要かつ十分な時間に選ぶことによって、動作時間Toの終了時、クロック再生装置は、基準クロック信号に同期した状態になっているので、選択部203が再び位相比較部201の出力を選択したとき、直ちに入力データ信号に同期して動作することができる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図35に示された従来例のクロック再生装置では、入力データ信号周波数の変動に追従してクロック再生動作を継続できる範囲である、ジッタトレランスが狭いという問題があった。
これは、入力データ信号と出力データ信号との位相を、一旦同期させたのちに入力データ信号の位相が緩やかに変動する場合には、同期外れと判定せずに連続して追従することが望ましいが、位相比較モードから位相周波数比較モードへ切り替えるときの所定の位相差の大きさと、逆の切り替え時の所定の位相差の大きさとが同一であるので、位相周波数比較モードで位相差をできるだけ小さくなるように追い込む際の所定の位相差に合わせて、2つの所定の位相差を同じ大きさに設定せざるを得ないためである。
また、この従来例では、同期外れ発生時、位相比較モードに戻るまでに、無駄な時間を費やす恐れがあるという問題があった。
これは、同期外れ時に、位相比較モードに戻るまでの時間は、タイマー207で定まる所定時間に定められているため、同期確立が早期に行われた場合でも、タイマー時間の終了まで待たなければならず、無駄時間が発生する場合があるためである。
【0011】
この発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであって、位相比較モードの系と、位相周波数比較モードの系とを分離し、さらに、位相周波数比較モードにおいて位相差が所定の位相差に等しいか、より小さくなって同期が合ったことの検出は、位相比較モードにおいて同期が外れたことの検出よりも厳しく、すなわち所定の位相差をより小さく設定することによって、入力データ信号の位相や周波数が変動する場合に、出力クロック信号の位相を確実に合わせて同期をとることができるとともに、ジッタトレランスを大きくすることができる、クロック再生装置を提供することを目的としている。
また、同期外れが発生したときに、位相比較モードに戻るまでに無駄な時間を費やすことがないようにすることを目的としている。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項1記載の発明は、クロック再生装置に係り、入力された制御信号に応じた周波数のクロック信号を発生する発振手段と、入力データ信号と上記クロック信号との位相を比較して、該両信号の位相差を修正するための第1の制御信号を生成する第1の比較手段と、上記クロック信号を分周した信号と参照信号との位相を比較して、上記クロック信号の周波数ずれを修正するための第2の制御信号を生成する第2の比較手段と、上記第1の制御信号又は第2の制御信号を選択して、上記発振手段に供給するための制御信号を出力する切り替え手段と、上記クロック信号を分周した信号と上記参照信号との位相差が第1の所定の範囲内になったことを検出すると、第1の検出信号を出力する第1の検出手段と、上記クロック信号を分周した信号と上記参照信号との位相差が上記第1の所定の範囲よりも広い第2の所定の範囲外になったことを検出すると、第2の検出信号を出力する第2の検出手段とを有する制御手段とを備え、該制御手段が、上記第1の検出手段が上記第1の検出信号を出力すると、上記切り替え手段に上記第1の制御信号を選択させる一方、上記第2の検出手段が上記第2の検出信号を出力すると、上記切り替え手段に上記第2の制御信号を選択させることを特徴としている。
【0013】
また、請求項2記載の発明は、請求項1記載のクロック再生装置に係り、上記第2の検出手段が、上記参照信号の半周期間における、上記クロック信号を分周したそれぞれ異なる位相を有する複数の信号のエッジの存否の状態が所定状態でないことを検出したとき、上記検出信号を発生することを特徴としている。
また、請求項3記載の発明は、請求項2記載のクロック再生装置に係り、上記第2の検出手段における、上記クロック信号を分周したそれぞれ異なる位相を有する複数の信号が、上記クロック信号を分周した信号と、上記クロック信号を分周した信号に対して90°位相を異にする信号と、上記クロック信号を分周した信号に対して180°位相を異にする信号とからなることを特徴としている。
【0014】
また、請求項4記載の発明は、請求項1乃至3のいずれか1記載のクロック再生装置に係り、上記クロック信号を分周した信号が、上記クロック信号をn分周した信号であることを特徴としている。
また、請求項5記載の発明は、請求項1乃至4のいずれか1記載のクロック再生装置に係り、上記第1の検出手段が、上記参照信号を計数する複数段の計数手段と、該計数手段が計数終了したときセットし、上記クロック信号を分周した信号と上記参照信号との位相差が所定範囲内になったときリセットする保持手段とを備え、該保持手段のリセット時の出力状態に対応して上記検出信号を発生することを特徴としている。
【0015】
また、請求項6記載の発明は、請求項1乃至5のいずれか1記載のクロック再生装置に係り、上記発振手段が、入力された制御信号の高域成分を除去するフィルタ手段と、該フィルタ手段の出力電圧に応じた周波数のクロック信号を発生する電圧制御発振手段とからなることを特徴としている。
また、請求項7記載の発明は、請求項1乃至6のいずれか1記載のクロック再生装置に係り、上記第1の検出手段が、上記クロック信号を分周した信号と上記参照信号との位相差が上記第1の所定の範囲内になったことをアナログ的に検出し、かつ上記第2の検出手段が、上記クロック信号を分周した信号と上記参照信号との位相差が上記第1の所定の範囲よりも広い上記第2の所定の範囲外になったことをデジタル的に検出することを特徴としている。
【0016】
【作用】
この発明の構成では、最初、第2の比較手段からの、クロック信号を分周した信号と参照信号との位相の比較結果に基づく、クロック信号の周波数ずれを修正するための第2の制御信号を発振手段に供給して、この制御信号に応じた周波数のクロック信号を発生させることによって、逓倍PLLの系として動作する。
逓倍PLLの系として動作中に、第1の検出手段で、クロック信号を分周した信号と参照信号との位相差が第1の所定範囲内になったことを検出したとき、切り替え手段を動作させて、第1の比較手段からの、入力データ信号とクロック信号との位相の比較結果に基づく、両信号の周波数差を修正するための第1の制御信号を発振手段に供給して、この制御信号に応じた周波数のクロック信号を発生させることによって、クロックリカバリの系として動作する。
そして、クロックリカバリの系として動作中に、第2の検出手段で、クロック信号を分周した信号と参照信号との位相差が第2の所定範囲外になったことを検出したとき、切り替え手段を動作させて、第2の制御信号を発振手段に供給して、再び逓倍PLLの系として動作する。
この発明によれば、第2の検出手段で第2の所定範囲外として設定できる位相差の範囲が広いので、入力データ信号周波数の大幅な変化範囲に対して、クロックリカバリ動作を継続することができ、広い範囲のジッタトレランスの要求に対応することができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について説明する。説明は、実施例を用いて具体的に行う。
図1は、この発明の一実施例であるクロック再生装置の構成を示す回路図、図2は、同実施例における位相比較器の構成例を示すブロック図、図3は、同実施例における位相比較器の動作を説明するための波形図(1)、図4は、同実施例における位相比較器の動作を説明するための波形図(2)、図5は、同実施例における位相比較器の動作を説明するための波形図(3)、図6は、同実施例における位相/周波数比較器の構成例を示す回路図、図7は、同実施例における位相/周波数比較器の出力の波形を示す波形図、図8は、同実施例における位相/周波数比較器が出力するUP信号の波形を示す波形図、図9は、同実施例における位相/周波数比較器が出力するDN信号の波形を示す波形図、図10は、同実施例における位相/周波数比較器が出力するUP信号及びDN信号の波形を示す波形図、図11は、同実施例におけるチャージポンプ回路の構成例を示す回路図、図12は、同実施例におけるLPF(Low Pass Filter :低域通過ろ波器)の構成例を示す回路図、図13は、同実施例におけるアナログ周波数同期−IN検出回路の構成例を示す回路図、図14は、同実施例におけるアナログ周波数同期−IN検出回路の動作を説明するための波形図、図15は、同実施例における立ち上がりエッジ検出回路の構成例を示す回路図、図16は、同実施例における立ち上がりエッジ検出回路の動作を説明するための波形図、図17は、同実施例におけるデジタル周波数同期−OUT検出回路の構成例を示す回路図、図18は、同実施例におけるデジタル周波数同期−OUT検出回路の動作を説明するための波形図(1)、図19は、同実施例におけるデジタル周波数同期−OUT検出回路の動作を説明するための波形図(2)、図20は、同実施例におけるデジタル周波数同期−OUT検出回路の周波数同期はずれ検出真理値表を示す図、図21は、同実施例における立ち下がりエッジ検出回路の構成例を示す回路図、図22は、同実施例における立ち下がりエッジ検出回路の動作を説明するための波形図、図23は、ジッタトレランスの一例を示す図、図24は、同実施例における周波数同期外れ検出動作を説明するための波形図(1)、図25は、同実施例における周波数同期外れ検出動作を説明するための波形図(2)、図26は、同実施例における周波数同期外れ検出動作を説明するための波形図(3)、図27は、同実施例における同期外れ検出時の周波数ずれを示す図(1)、また、図28は、同実施例における周波数同期外れ検出動作を説明するための波形図(4)、図29は、同実施例における周波数同期外れ検出動作を説明するための波形図(5)、図30は、同実施例における周波数同期外れ検出動作を説明するための波形図(6)、図31は、同実施例における同期外れ検出時の周波数ずれを示す図(2)、また、図32は、同実施例における同期外れ検出時の周波数ずれを示す図(3)である。
【0018】
この例のクロック再生装置は、図1に示すように、位相比較器1と、位相/周波数比較器2と、チャージポンプ回路3と、チャージポンプ回路4と、モード切り替えセレクタ5と、LPF6と、VCO7と、分周器8と、アナログ周波数同期−IN検出回路9と、立ち上がりエッジ検出回路10と、デジタル周波数同期−OUT検出回路11と、立ち下がりエッジ検出回路12と、SR−F/F(Set Reset Flip Flop )13とから概略構成されている。
【0019】
位相比較器1は、入力データ信号aと出力クロック信号cとの位相を比較して、比較結果に基づいて、両信号の周波数差を修正するためのUP信号1aとDN信号1bとを生成する。位相/周波数比較器2は、基準クロック信号bと、出力クロック信号cを8分周した信号8aとの周波数及び位相を比較して、比較結果に基づいて、位相差を示す信号2a,2bを出力するとともに、出力クロック信号の周波数ずれを修正するためのUP信号2cとDN信号2dとを生成する。チャージポンプ回路3は、位相比較器1からのUP信号1aとDN信号1bとに基づいて、出力電圧を生成する。チャージポンプ回路4は、位相/周波数比較器2からのUP信号2cとDN信号2dとに基づいて、出力電圧を生成する。モード切り替えセレクタ5は、モード切り替え信号13aに応じて、チャージポンプ回路3とチャージポンプ回路4のそれぞれの出力電圧を切り替えて出力する。LPF6は、モード切り替えセレクタ5の出力電圧から高域成分を除去して、制御電圧を出力する。VCO7は、LPF6からの制御電圧に応じた周波数の出力クロック信号cを発生する。分周器8は、出力クロック信号cを8分周して、8分周信号8aを生成する。アナログ周波数同期−IN検出回路9は、8分周信号8aと基準クロック信号bとの位相差が所定の範囲内になったことをアナログ的に検出して、検出信号9aを出力する。立ち上がりエッジ検出回路10は、アナログ周波数同期−IN検出回路9の出力における立ち上がりエッジを検出して、立ち上がりエッジ検出信号10aを出力する。
デジタル周波数同期−OUT検出回路11は、8分周信号8aと基準クロック信号bとの位相差が所定の範囲外になったことをデジタル的に検出して、検出信号11aを出力する。立ち下がりエッジ検出回路12は、デジタル周波数同期−OUT検出回路11の出力における立ち下がりエッジを検出して、立ち下がりエッジ検出信号12aを出力する。SR−F/F13は、立ち上がりエッジ検出回路10からの立ち上がりエッジ検出信号10aに応じてセットし、立ち下がりエッジ検出回路12からの立ち下がりエッジ検出信号12aに応じてリセットして、モード切り替え信号13aを出力する。
【0020】
図1において、位相比較器1−チャージポンプ回路3−モード切り替えセレクタ5−LPF6−VCO7−位相比較器1の系は、クロックリカバリの系を構成し、位相比較モードで動作する。位相/周波数比較器2−チャージポンプ回路4−モード切り替えセレクタ5−LPF6−VCO7−分周器8−位相/周波数比較器2の系は、逓倍PLLの系を構成し、位相周波数比較モードで動作する。また、アナログ周波数同期−IN検出回路9,立ち上がりエッジ検出回路10,SR−F/F13は、周波数同期(入り)検出ブロックを形成し、デジタル周波数同期−OUT検出回路11,立ち下がりエッジ検出回路12,SR−F/F13は、周波数同期(外れ)検出ブロックを形成している。
【0021】
以下、各部の構成と動作について、さらに詳細に説明する。
この例の位相比較器1は、図2に示すように、D型フリップフロップ1A,1Bと、インバータ1Cと、EOR(排他的論理和)回路1D,1Eと、インバータ1Fとからなっている。
フリップフロップ1Aの入力端子Dには、入力データ信号aが入力され、クロック端子には、VCO7からのクロック信号cが入力されている。フリップフロップ1Bの入力端子Dには、フリップフロップ1Aの出力信号1cが入力され、クロック端子には、インバータ1Cを経てクロック信号cを反転した反転クロック信号1eが入力されている。
EOR1Dは、入力データ信号aと、フリップフロップ1Aの出力信号1cとの排他的論理和の演算を行い、演算結果をインバータ1Fを経て反転して、UP信号1aを出力する。また、EOR1Eは、フリップフロップ1Aの出力信号1cと、フリップフロップ1Bの出力信号1dとの排他的論理和の演算を行い、演算結果によって、DN信号1bを出力する。
【0022】
位相比較器1は、入力データ信号aの位相と、VCO7からの出力クロック信号cの位相とを比較して、比較結果に基づいて、両信号の位相差を修正するための、UP信号1aとDN信号1bとを生成する。この際、後段のチャージポンプ回路3に対して、UP信号1aはロウレベル時がアクティブとなり、DN信号1bは、ハイレベル時がアクティブになるとともに、出力クロック信号cの位相が入力データ信号aに対して同期したときは、クロック信号cの立ち上がりエッジの位置が、入力データ信号aの中央になって、UP信号1aとDN信号1bのパルス幅が等しくなり、それ以外のときは、UP信号1aとDN信号1bのパルス幅が変化するように動作する。
【0023】
例えば、出力クロック信号cの位相が入力データ信号aに比べて遅れている場合には、出力信号1c,反転クロック信号1e及び出力信号1dの波形は、図3に示すようになり、UP信号1aの下向きパルス幅は、DN信号1bの上向きパルス幅に比べて広くなる。
また、出力クロック信号cの位相が入力データ信号aと同期している場合には、出力信号1c,反転クロック信号1e及び出力信号1dの波形は、図4に示すようになり、UP信号1aの下向きパルス幅は、DN信号1bの上向きパルス幅と同じになる。
さらに、出力クロック信号cの位相が入力データ信号aに比べて進んでいる場合には、出力信号1c,反転クロック信号1e及び出力信号1dの波形は、図5に示すようになり、UP信号1aの下向きパルス幅は、DN信号1bの上向きパルス幅に比べて狭くなる。
【0024】
なお、このような位相比較器は、下記の文献に記載されているものである。Charles R Hogge,Jr. "A Self Correcting Clock Recovery Circuit" IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, Vol.ED-32, No.12, DEC.1985
【0025】
この例の位相/周波数比較器2は、図6に示すように、インバータ2A,2B,2M,2N,2P,2R〜2T,2V〜2Yと、NANDゲート2C〜2H,2J,2Kと、NORゲート2L,2Q,2Uとを備えている。これらのうち、NANDゲート2D,2Eによって、第1フリップフロップが形成され、NANDゲート2G,2Hによって第2フリップフロップが形成されている。また、NORゲート2Qと、インバータ2R,2Sとによって、リセット回路が形成されている。
【0026】
基準クロック信号bは、インバータ2Aを経て、NANDゲート2Cに加えられる。NANDゲート2Cは、前回の出力と基準クロック信号bとのナンド演算を行って、演算結果をNANDゲート2Fに出力する。NANDゲート2Fは、第1フリップフロップの出力とNANDゲート2Cからの出力とのナンド演算を行って、出力信号2aを生成する。
また、分周器8からの8分周信号8aは、インバータ2Bを経て、NANDゲート2Jに加えられる。NANDゲート2Jは、前回の出力と8分周信号8aとのナンド演算を行って、演算結果をNANDゲート2Kに出力する。NANDゲート2Kは、第2フリップフロップの出力とNANDゲート2Jからの出力とのナンド演算を行って、出力信号2bを生成する。
【0027】
出力信号2a,2bの関係は、図7に示すようになる。すなわち、出力信号2aは、基準クロック信号bに基づいて生成されるものであって、そのデューティ比は固定されている。一方、出力信号2bは、VCO7からの出力クロック信号cを8分周した、8分周信号8aに基づいて生成されるものであって、そのデューティ比は、8分周信号8aと基準クロック信号bとの位相差に基づいて変化する。したがって、位相/周波数比較器2は、出力クロック信号cの周波数の監視結果を、出力信号2a,2bによって示すことになる。すなわち、位相/周波数比較器2は、基準クロック信号bを基に、8分周信号8aの位相変動を調べて、出力クロック信号cの周波数変動を、出力信号2a,2bのデューティ比の変化で表す。
【0028】
さらに、位相/周波数比較器2において、出力信号2aは、NORゲート2Lに出力される。NORゲート2Lでは、リセット回路からのリセット信号と、出力信号2aとのノア演算を行って、インバータ2Mに出力する。インバータ2Mは、NORゲート2Lからの出力を反転して、出力信号を生成する。インバータ2Mからの出力信号は、NANDゲート2Cに出力されるとともに、インバータ2N,2Pを経て、UP信号2cとして出力される。
また、出力信号2bは、NORゲート2Uに出力される。NORゲート2Uでは、リセット回路からのリセット信号と、出力信号2bとのノア演算を行って、インバータ2Vに出力する。インバータ2Vは、NORゲート2Uからの出力を反転して、出力信号を生成する。インバータ2Vからの出力信号は、NANDゲート2Jに出力されるとともに、インバータ2W,2Xを経てDN信号2dとして出力される。
【0029】
UP信号2cとDN信号2dとの関係は、次のようになる。すなわち、位相/周波数比較器2に入力される基準クロック信号bに比べて、8分周信号8aの周波数が低いときは、図8に示すように、8分周信号8aと基準クロック信号bとの立ち上がりで発生した下向きのパルスによって、UP信号2cが出力される。この間、位相/周波数比較器2は、DN信号2dを出力しない。
また、基準クロック信号bに比べて、8分周信号8aの周波数が高いときは、図9に示すように、8分周信号8aと基準クロック信号bとの立ち上がりで発生した上向きのパルスによって、DN信号2dが出力される。この間、位相/周波数比較器2は、UP信号2cを出力しない。
さらに、8分周信号8aの周波数が基準クロック信号bの周波数に一致したのち、8分周信号8aの位相が基準クロック信号bに対して遅れると、位相/周波数比較器2は、図10に示すように、UP信号2cを出力し、8分周信号8aの位相が基準クロック信号bに対して進むと、位相/周波数比較器2は、同じく図10に示すように、DN信号2dを出力する。
【0030】
このように、8分周信号8aの周波数が基準クロック信号bの周波数に近づくと、UP信号2c又はDN信号2dのパルス幅が小さくなり、8分周信号の周波数が基準クロック信号bの周波数に一致すると、UP信号2cもDN信号2dも出力されなくなる。したがって、位相/周波数比較器2は、8分周信号8aと基準クロック信号bとの、周波数差が大きいときの検出に適している。
【0031】
チャージポンプ回路3は、位相比較器1のUP信号1a,DN信号1bを入力され、チャージポンプ回路4は、位相/周波数比較器2のUP信号2a,DN信号2dを入力されて、それぞれVCO7に対する制御電圧を生成する。チャージポンプ回路3と、チャージポンプ回路4とは、同一の構成を有し、同一の動作を行うので、以下においては、チャージポンプ回路4を例として、その構成と動作を説明する。
この例のチャージポンプ回路4は、図11に示すように、P(Positive)型MOS(Metal Oxide Semiconductor )FET(Field Effect Transistor )4A,4B,4E,4F,4J,4K,4L,4Nと、N(Negative)型MOSFET4C,4D,4G,4H,4P,4R〜4Tと、インバータ4M,4Qとを備えている。
【0032】
トランジスタ4Cには、予め設定されたバイアス電圧が入力されているので、トランジスタ4Cは、このバイアス電圧に応じた第1設定電流を流すことによって、トランジスタ4Aとの接続点4aを第1設定電圧にしている。
トランジスタ4A,4Bは、カレントミラー回路を構成し、第1設定電流と同じ値の電流をトランジスタ4Dに流す。トランジスタ4Dは、抵抗負荷として動作し、第1設定電流によって、トランジスタ4Bとの接続点4bを第1レベルの電圧にする。トランジスタ4Eは、第1設定電圧に応じた第2設定電流を流す。トランジスタ4G,4Hは、カレントミラー回路を構成し、第2設定電流と同じ値の電流をトランジスタ4Fに流す。トランジスタ4Fは、抵抗負荷として動作し、第2設定電流によって、トランジスタ4Hとの接続点4cを第2レベルの電圧にする。
【0033】
トランジスタ4J,4Kは、第2レベルの電圧に応じて、ソース,ドレイン間の電圧を設定され、トランジスタ4S,4Tは、第1レベルの電圧に応じて、ドレイン,ソース間の電圧を設定される。また、トランジスタ4L,4Nとインバータ4Mからなる回路は、UP信号2cに応じて、トランジスタ4P,4Rに流す電流の大きさを切り替え、トランジスタ4P,4Rとインバータ4Qからなる回路は、DN信号2dに応じて、トランジスタ4Sに流す電流の大きさを切り替える。
【0034】
これによって、チャージポンプ回路4は、トランジスタ4L,4Pの接続点における出力電圧によって、UP信号2cがロウレベルの期間中は電流を流出させ、DN信号2dがハイレベルの期間中は電流を流入させる。さらに、UP信号2cがハイレベルで、かつ、DN信号2dがロウレベルの期間中は、電流の出入を行わない。
【0035】
モード切り替えセレクタ5は、モード切り替え信号13aのハイレベル又はロウレベルに応じて、チャージポンプ回路3又はチャージポンプ回路4の出力電圧を、LPF6に出力する。これによって、チャージポンプ回路3又はチャージポンプ回路4は、UP信号1a又は2cがロウレベルのとき、LPF6に電荷を充電し、DN信号1b又は2dがハイレベルのとき、LPF6の電荷を放電する。また、UP信号1a又は2cがハイレベルで、かつ、DN信号1b又は2dがロウレベルのときは、LPF6の電荷の充放電は行われず、直前の電圧レベルを保持する。
【0036】
この例のLPF6は、図12に示すように、抵抗6Aと、コンデンサ6B,6Cとを備えていて、チャージポンプ回路3又はチャージポンプ回路4の出力電圧の高域成分を除去して、低域成分のみを通過させる作用を行う。
これによって、チャージポンプ回路からの出力電圧の急激な変化を除去して、VCO7に対する制御電圧を生成する。
【0037】
分周器8は、VCO7からの出力クロック信号cを8分周して、8分周信号8aを生成するとともに、8分周信号8aを90°移相して、8分周信号8bを生成する。
【0038】
この例のアナログ周波数同期−IN検出回路9は、図13に示すように、インバータ9A,9B,9D,9E,9F,9H,9J,9L,9M,9P,9Rと、EORゲート9Cと、D型フリップフロップ9G,9K,9N,9Sと、NANDゲート9Qとを備えている。
インバータ9A,9B,9D,9Eと、EORゲート9Cとは、リセット回路を形成し、位相/周波数比較器2の出力信号2a,2bに基づいて、リセット信号を生成する。すなわち、EORゲート9Cは、インバータ9Aで反転した出力信号2aと、インバータ9Bで反転した出力信号2bとの排他的論理和の演算を行うことによって、出力信号2aのレベルと、出力信号2bのレベルとが異なる場合に、ハイレベルのリセット信号を生成する。
リセット信号は、図14に示すように、出力信号2a,2bのレベルが異なる期間が短くなるのに伴ってそのパルス幅が次第に狭くなり、出力信号2a,2bのパルス幅が等しくなったときは、リセット信号は出力されなくなる。
【0039】
インバータ9F,9H,9J,9L,9M,9Pと、フリップフロップ9G,9K,9Nとは、3段のカウンタを構成する。フリップフロップ9G,9K,9Nのクリア端子CLRには、リセット信号が入力される。
カウンタの初段のフリップフロップ9Gのクロック端子には、インバータ9Fを経て、基準クロック信号bが入力される。また、フリップフロップ9Gの出力は、インバータ9Hを経て、フリップフロップ9Gの入力端子Dに加えられる。これによって、フリップフロップ9Gは、基準クロック信号bのパルスが入力されるごとに、その出力の状態が反転する。カウンタの2段目のフリップフロップ9Kのクロック端子には、フリップフロップ9Gの出力が、インバータ9Jを経て入力される。また、フリップフロップ9Kの出力は、インバータ9Lを経て、フリップフロップ9Kの入力端子Dに加えられる。これによって、フリップフロップ9Kは、フリップフロップ9Gの出力がハイレベルからロウレベルに変化するたびに、その出力の状態が反転する。 カウンタの3段目のフリップフロップ9Nのクロック端子には、フリップフロップ9Kの出力が、インバータ9Mを経て入力される。また、フリップフロップ9Nの出力は、インバータ9Pを経て、フリップフロップ9Nの入力端子Dに加えられる。これによって、フリップフロップ9Nは、フリップフロップ9Kの出力がハイレベルからロウレベルに変化するたびに、その出力の状態が反転する。
【0040】
これによって、3段のカウンタを構成するフリップフロップ9G,9K,9Nの出力は、基準クロック信号bのパルスが加えられるたびに、次のように変化する。
(1,0,0),(0,1,0),(1,1,0),(1,1,1)
NANDゲート9Qとインバータ9Rとからなる回路は、フリップフロップ9G,9K,9Nの出力が(1,1,1)の状態になったとき、ハイレベルの出力をフリップフロップ9Sのクロック端子に加える。
一方、3段のフリップフロップ9G,9K,9Nのクリア端子CLRには、リセット信号が入力される。したがって、フリップフロップ9G,9K,9Nの出力状態が、(1,1,1)に達する前に、リセット信号が入力されると、フリップフロップ9G,9K,9Nはリセットされる。
そして、8分周信号8aと基準クロック信号bの周波数がほぼ一致すると、リセット信号のパルス幅が十分短くなって、フリップフロップ9G,9K,9Nはリセットされなくなるので、フリップフロップ9G,9K,9Nの出力状態が(1,1,1)になり、その結果、NANDゲート9Qとインバータ9Rは、ロウレベルからハイレベルに変化する出力をフリップフロップ9Sに加える。
【0041】
フリップフロップ9Sのクロック端子には、インバータ9Rの出力が加えられ、入力端子Dには、電源電圧VDDが入力される。そこで、リセット信号がクリア端子CLRに入力されたのちに、インバータ9Rからの出力がロウレベルからハイレベルに変化すると、フリップフロップ9Sからの出力である検出信号9aはハイレベルになる。
このように、アナログ周波数同期−IN検出回路9は、8分周信号8aと基準クロック信号bとの位相差が、EORゲート9Cが出力パルスを発生しなくなる所定の範囲内になったとき、ハイレベルの検出信号9aを出力する。
【0042】
この例の立ち上がりエッジ検出回路10は、図15に示すように、インバータ10A〜10K,10Mと、NANDゲート10Lとを備えている。
インバータ10A〜10Kは遅延回路を形成し、図16に示すように、検出信号9aを遅延して、遅延検出信号を生成する。NANDゲート10Lは、検出信号9aと、インバータ10Kからの遅延検出信号とのナンド演算を行って、演算信号を生成する。
インバータ10Mは、演算信号を反転して、立ち上がりエッジ検出信号10aを出力する。立ち上がりエッジ検出信号10aは、8分周信号8aと基準クロック信号bとの位相差が、所定の範囲内になったことを示している。
【0043】
この例のデジタル周波数同期−OUT検出回路11は、図17に示すように、D型フリップフロップ11A,11B,11Dと、インバータ11Cと、EOR回路11Eと、OR回路11Fとを備えている。
フリップフロップ11Aは、8分周信号8aをクロックとして、基準クロック信号bをラッチしてハイレベルの出力を発生する。フリップフロップ11Bは、8分周信号8bをクロックとして、基準クロック信号bをラッチしてハイレベルの出力を発生する。フリップフロップ11Cは、インバータ11Cを介する8分周信号8aの反転信号である8分周信号8a* (* は反転信号を表す)をクロックとして、基準クロック信号bをラッチしてハイレベルの出力を発生する。EOR回路11Eは、NORゲート111 ,112 ,NANDゲート113 ,インバータ114 からなり、フリップフロップ11Aの出力と、フリップフロップ11Dの出力との排他的論理和の演算出力を発生する。OR回路11Fは、NOR回路115 とインバータ116 とからなり、EOR回路11Eの出力と、フリップフロップ11Bの出力との論理和の演算出力によって、検出信号11aを発生する。
【0044】
デジタル周波数同期−OUT検出回路11は、8分周信号8a,8分周信号8b,8分周信号8b* のそれぞれの立ち上がりエッジと、基準クロック信号bとの、位相関係によって、8分周信号8aと基準クロック信号bとの位相差の状態を判定する。
【0045】
次に、図18,図19を参照して、この例のデジタル周波数同期−OUT検出回路11における、周波数同期外れの検出動作を説明する。
図18において、(a)〜(d)は、基準クロック信号bに対する、8分周信号8a,8分周信号8b,8分周信号8a* の、相対的位置関係の変化を示し、8分周信号8a,8分周信号8b,8分周信号8a* のそれぞれの立ち上がりエッジの位置が、基準クロック信号bのハイレベルの半周期間に存在する場合をHとし、存在しない場合をLとして示している。
図中、(a),(b)は、逓倍PLLの系における位相同期が終了して、クロックリカバリの系に切り替えられた直後の状態を示し、8分周信号8aと基準クロック信号bとの間に、出力クロック信号cの半周期に相当する800psの位相差が生じたことが示されている。このとき、(a)においては、8分周信号8bと8分周信号8a* のそれぞれの立ち上がりエッジがHで、8分周信号8aの立ち上がりエッジのみがLである。また、(b)においては、8分周信号8aと8分周信号8bのそれぞれの立ち上がりエッジがHで、8分周信号8a* の立ち上がりエッジのみがLである。
次に、(c)は、出力クロック信号の周波数変化に基づいて、各8分周信号の立ち上がりエッジの位相が遅れる側に変化したが、8分周信号8bと8分周信号8a* のそれぞれの立ち上がりエッジがHで、8分周信号8aの立ち上がりエッジのみがLである状態を表している。(d)では、さらに各8分周信号の立ち上がりエッジの位相が遅れる側に変化して、8分周信号8a* の立ち上がりエッジのみがHで、8分周信号8aと8分周信号8bのそれぞれの立ち上がりエッジがLになった状態を示している。
【0046】
また、図19においては、同様に、(a),(b)は逓倍PLLの系における位相同期が終了して、クロックリカバリの系に切り替えられた直後の状態を示している。そして、(c)では、出力クロック信号の周波数変化に基づいて、各8分周信号の立ち上がりエッジの位相が進む側に変化したが、8分周信号8aと8分周信号8bのそれぞれの立ち上がりエッジがHで、8分周信号8a* の立ち上がりエッジのみがLである状態を表している。(d)では、さらに各8分周信号の立ち上がりエッジの位相が進む側に変化して、8分周信号8aの立ち上がりエッジのみがHで、8分周信号8bと8分周信号8a* のそれぞれの立ち上がりエッジがLになった状態を示している。
【0047】
この際における周波数同期外れ検出の判定基準をまとめて表すと、図20に示す真理値表のようになる。図中、○印を付して示す(1),(4)は位相追従中の状態を示し、図18,図19に示された(d)の状態に対応している。○印を付して示す(2),(3)は同期がとれた直後の状態を示し、図18,19に示された、(a),(b)の状態に対応している。デジタル周波数同期−OUT検出回路11は、これらの場合には、出力クロック信号aが、基準クロック信号bに対して周波数同期状態にあることを判定して、検出信号11aをハイレベルにする。
また、×印を付して示す(5),(6)は位相同期はずれ又は低い程度の周波数同期外れ状態を示し、×印を付して示す(7)は高い程度の周波数同期はずれ状態を示している。デジタル周波数同期−OUT検出回路11は、これらの場合には、出力クロック信号aが、基準クロック信号bに対して位相同期はずれの状態、又は周波数同期はずれの状態であることを判定して、検出信号11aをロウレベルにする。
【0048】
このように、デジタル周波数同期−OUT検出回路11は、クロック信号を分周した信号と基準クロック信号との位相差が、例えば図20に示される所定の範囲内であることを検出したとき、検出信号11aをハイレベルにして、クロック信号が周波数同期状態であることを示す。
【0049】
この例の立ち下がりエッジ検出回路12は、図21に示すように、インバータ12A〜12L,12Nと、NANDゲート12Mとを備えている。
インバータ12Aは、デジタル周波数同期−OUT検出回路11からの検出信号11aを反転する。インバータ12B〜12Lは遅延回路を形成し、検出信号11aを遅延して、遅延検出信号を生成する。NANDゲート10Mは、検出信号11aの反転信号と、インバータ12Lからの遅延検出信号とのナンド演算を行って、演算信号を生成する。インバータ12Nは、演算信号を反転して、図22に示すように、立ち下がりエッジ検出信号12aを出力する。立ち下がりエッジ検出信号12aは、クロック信号を分周した信号と基準クロック信号との位相差が、所定の範囲外になったことを示している。
【0050】
SF−F/F13は、立ち上がりエッジ検出信号10aをセット端子Sに与えられることによってセットしてハイレベルの出力を発生し、立ち下がりエッジ検出信号12aをリセット端子Rに与えられることによってリセットしてロウレベルの出力を発生する。
SF−F/F13の出力は、モード切り替え信号13aとして、モード切り替えセレクタ5に与えられる。モード切り替えセレクタ5は、モード切り替え信号13aがハイレベルのとき、チャージポンプ回路3の出力電圧を選択して、LPF6に供給し、モード切り替え信号13aがロウレベルのとき、チャージポンプ回路4の出力電圧を選択して、LPF6に供給する。
【0051】
次に、図1乃至図22を参照して、この例のクロック再生装置の動作を説明する。
なお、以下においては、例えば622MbpsのNRZ(Non Return to Zero)信号aを入力データ信号とし、77.75MHzの基準クロック信号bを用いて、622MHzの出力クロック信号cを再生する場合について説明する。
【0052】
デジタル周波数同期−OUT検出回路11は、常時、基準クロック信号bに対する、8分周信号8a,8bの周波数の変化を監視している。いま、なんらかの原因によって、VCO7からの出力クロック信号cの周波数が大幅に変化すると、デジタル周波数同期−OUT検出回路11は、検出信号11aを出力する。これによって、立ち下がりエッジ検出回路12は、エッジ検出信号12aを出力するので、SR−F/F13からのモード切り替え信号13aがロウレベルになって、モード切り替えセレクタ5は、チャージポンプ回路4の出力電圧を選択する状態となる。
この状態では、位相/周波数比較器2からのUP信号2cと、DN信号2dとによって、チャージポンプ回路4で生成された出力電圧がLPF6に供給され、これによってLPF6を経て生成された制御電圧がVCO7に供給されるので、VCO7はこの制御電圧に応じた周波数の出力クロック信号cを発生して出力する。
出力クロック信号cは、分周器8において8分周されて、8分周信号8aが生成される。位相/周波数比較器2は、基準クロック信号bと8分周信号8aとを入力として、UP信号2cと、DN信号2dとを生成するので、逓倍PLLの系が、位相周波数比較モードによって、両信号の位相が一致するように帰還動作を行い、これによって、8分周信号8aの周波数が基準クロック信号bの周波数に近づく。
【0053】
8分周信号8aと基準クロック信号bの周波数が異なっている状態では、位相/周波数比較器2は、互いにデューティ比が異なる出力信号2a,2bを出力するので、アナログ周波数同期−IN検出回路9は、検出信号9aを出力せず、したがって、立ち上がりエッジ検出回路10は、立ち上がりエッジ検出信号10aを出力しない。
逓倍PLLの系の動作によって、8分周信号8aと基準クロック信号bの周波数が近づくと、位相/周波数比較器2は、互いにデューティ比が接近した出力信号2a,2bを出力するので、アナログ周波数−IN検出回路9は、検出信号9aをロウレベルからハイレベルに変化させる。立ち上がりエッジ検出回路10は、検出信号9aの立ち上がりエッジを検出して、立ち上がりエッジ検出信号10aを出力するので、SR−F/F13は、モード切り替え信号13aをハイレベルにする。
モード切り替え信号13aがハイレベルになることによって、モード切り替えセレクタ5は、チャージポンプ回路3の出力を選択する。この状態では、位相比較器1からのUP信号1aと、DN信号1bとによって、チャージポンプ回路3で生成された出力電圧がLPF6に供給され、これによってLPF6で生成された制御電圧がVCO7に供給され、VCO7はこの制御電圧に応じた周波数の出力クロック信号cを発生して出力する。
位相比較器1は、出力クロック信号cと入力データ信号aとを入力して、UP信号1aとDN信号1bとを生成するので、クロックリカバリの系が位相比較モードによって両信号の位相が一致するように帰還動作を行い、これによって、出力クロック信号cが、入力データ信号aに同期するようになる。
【0054】
デジタル周波数同期−OUT検出回路11は、常時、基準クロック信号bに対する、8分周信号8a,8bの周波数の変化を監視しているが、クロックリカバリの系が動作中には、デジタル周波数同期−OUT検出回路11と立ち下がりエッジ検出回路12とは、出力クロック信号cの生成に関与していない。
そして、なんらかの原因によって、VCO7からの出力クロック信号cの周波数が大幅に変化すると、デジタル周波数同期−OUT検出回路11が、検出信号11aを出力することによって、再び、逓倍PLLの系の動作が開始される。
【0055】
すなわち、この例のクロック再生装置は、外部からの基準クロック信号(78MHz)に対して逓倍PLLの系として動作して、8分周信号の周波数と位相を同期させる系と、入力データ信号(622MHz)に対して、クロックリカバリの系として動作して、出力クロック信号の周波数と位相を同期させる系との2つの系統を持っている。
最初、逓倍PLLの系が動作して、基準クロック信号に対して周波数と位相の同期をとり、この同期がとれた時点で、クロックリカバリの系にデジタル的に切り替えることによって、入力データ信号に対して、位相同期をとるように動作する。
そして、クロックリカバリの系が動作中に、入力データ信号の周波数が大幅に変動して、クロックリカバリの系が入力データ信号に対して追従できなくなったときは、デジタル周波数同期−OUT検出回路によってこの状態を検出して、再び逓倍PLLの系に切り替えるようにする。
【0056】
この場合、追従すべき入力データ信号周波数の許容変動量(ジッタトレランス)は、予め定められているので、この範囲の変動に対しては、クロックリカバリ動作によって対応し、逓倍PLLの系に対する切り替えを行わないようにすることが必要である。
図23は、ジッタトレランスの一例を示したものであって、ITU−T(International Telecommunication Union-Telecommunication Standardization Sector)G.958に規定されている、SONET(Synchronous Optical Network )の場合のジッタトレランスを示し、300Hz〜25KHzの範囲内において、入力ジッタ振幅1.5UI(Unit Interval )p−pまで追従すべきことが示されている。なおここで、1UIは、入力データ信号の1クロック周期(1データ)に対応する周波数ずれを表している。
しかしながら、実際には、この規定の範囲を超えて、例えば、3UIp−p以上のジッタトレランスを要求されることがある。
【0057】
この例のクロック再生装置では、デジタル周波数同期−OUT検出回路11において、8分周信号8a,8分周信号8b,8分周信号8a* のそれぞれの立ち上がりエッジの位置が、基準クロック信号bのハイレベルの半周期間に存在するか否かを検出して、検出結果を、予め定められている、検出結果の組み合わせを示す真理値表と対照することによって、同期外れを検出するので、上述のような、広い範囲のジッタトレランスに対応する同期外れの検出を行うことができる。
【0058】
図24〜図27は、この実施例における周波数同期外れ検出動作の一例を示したものであって、位相比較モードに切り替わった直後から、入力データ信号の周波数が次第に上昇した場合の、同期外れ検出動作を例示している。
【0059】
図24においては、立ち上がりエッジ検出信号10aの発生によって、モード切り替え信号13aがロウレベルからハイレベルに変化し、クロックリカバリの系に切り替わって、位相比較モードになった直後の状態を示している。この場合は、8分周信号8bの立ち上がりエッジは、基準クロック信号bのハイレベルのほぼ中央位置にあり、8分周信号8a,8分周信号8b,8分周信号8a* のそれぞれの立ち上がりエッジによる検出結果は、H,H,Lであって、デジタル周波数同期−OUT検出回路11は、検出信号11aを発生しない。
図25においては、入力データ信号aのジッタによって、8分周信号8bの立ち上がりエッジは、基準クロック信号bのハイレベルの範囲から外れ、8分周信号8aの立ち上がりエッジが、基準クロック信号bのハイレベルのほぼ中央位置になって、8分周信号8a,8分周信号8b,8分周信号8a* のそれぞれの立ち上がりエッジによる検出結果は、H,L,Lとなるが、まだ、デジタル周波数同期−OUT検出回路11は、検出信号11aを発生しない。
図26においては、さらに周波数変化が増加して、8分周信号8a,8分周信号8b,8分周信号8a* のそれぞれの立ち上がりエッジによる検出結果は、H,L,Hとなり、これによって、デジタル周波数同期−OUT検出回路11から検出信号11aが発生し、したがって、モード切り替え信号13aがハイレベルからロウレベルに変化し、逓倍PLLの系に切り替えられて、位相周波数比較モードになったことが示されている。
【0060】
図27は、入力データ信号の周波数が次第に上昇した場合に、モード切り替え信号13aがハイレベルとなる、位相比較モードの期間において、出力クロック信号cに生じる、最大の周波数ずれを示したものであって、図示のように、位相比較モードの期間内に、最大3.5UIの周波数ずれが生じたことが示されている。
【0061】
図28〜図31は、この実施例における周波数同期外れ検出動作の他の例を示したものであって、位相比較モードに切り替わった直後から、入力データ信号の周波数が次第に低下した場合の、同期外れ検出動作を例示している。
【0062】
図28においては、立ち上がりエッジ検出信号10aの発生によって、モード切り替え信号13aがロウレベルからハイレベルに変化し、クロックリカバリの系に切り替わって、位相比較モードになった直後の状態を示している。この場合は、8分周信号8bの立ち上がりエッジは、基準クロック信号bのハイレベルのほぼ中央位置にあり、8分周信号8a,8分周信号8b,8分周信号8a* のそれぞれの立ち上がりエッジによる検出結果は、H,H,Lであって、デジタル周波数同期−OUT検出回路11は、検出信号11aを発生しない。
図29においては、入力データ信号aのジッタによって、8分周信号8bの立ち上がりエッジは、基準クロック信号bのハイレベルの範囲から外れ、8分周信号8a* の立ち上がりエッジが、基準クロック信号bのハイレベルのほぼ中央位置になって、8分周信号8a,8分周信号8b,8分周信号8a* のそれぞれの立ち上がりエッジによる検出結果は、L,L,Hとなるが、まだ、デジタル周波数同期−OUT検出回路11は、検出信号11aを発生しない。図30においては、さらに周波数変化が増加して、8分周信号8a,8分周信号8b,8分周信号8a* のそれぞれの立ち上がりエッジによる検出結果は、L,L,Lとなり、これによって、デジタル周波数同期−OUT検出回路11から検出信号11aが発生して、立ち下がりエッジ検出信号12aがロウレベルになり、したがって、モード切り替え信号13aがハイレベルからロウレベルに変化し、逓倍PLLの系に切り替えられて、位相周波数比較モードになったことが示されている。
【0063】
図31は、入力データ信号の周波数が次第に低下した場合に、モード切り替え信号13aがハイレベルとなる、位相比較モードの期間において、出力クロック信号cに生じる、最大の周波数ずれを示したものであって、図示のように、位相比較モードの期間内に、最大3.5UIの周波数ずれが生じたことが示されている。
【0064】
図32は、入力データ信号の周波数が次第に低下して、一旦、周波数ずれがない状態になったのちに、入力データ信号の周波数が次第に上昇した場合に、モード切り替え信号13aがハイレベルとなる、位相比較モードの期間において、出力クロック信号cに生じる最大の周波数ずれを示したものであって、図示のように、位相比較モードの期間内に、最大4.5UIの周波数ずれが生じたことが示されている。
【0065】
このように、この例のクロック再生装置では、クロックリカバリ動作時の制御信号と逓倍PLL動作時の制御信号とは、分離して切り替えてVCO7に供給されるので、アナログ加算器を使用した場合のように、不必要な誤差が生じる恐れがないとともに、同期外れ検出を位相の比較によって行うので、同期外れ検出に必要な時間が短いとともに、同期確立を位相差の検出によって行うので、同期確立を迅速に検出することができる。
また、同期外れ検出の対象となる位相差の範囲が広いので、入力データ信号周波数の大幅な変化範囲に対して、クロックリカバリ動作を継続することができ、広い範囲のジッタトレランスの要求に対応することができる。
さらに、周波数の比較と、周波数同期状態に入ったことと、同期外れになったことの判定とを、低い周波数で行っているので、確実な動作を行えるとともに、低消費電力化を図ることができる。
【0066】
以上、この発明の実施例を図面により詳述してきたが、具体的な構成はこの実施例に限られたものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれる。例えば、分周器8の分周比は8分周に限らず、nを整数として、n分周というように任意に設定することができる。この場合、分周比を大きくしたときは、対応可能なジッタトレランスの範囲を広くすることができるとともに、分周比を小さく設定したときは、対応可能なジッタトレランスの範囲が狭くなる。また、8分周信号8aの参照信号となる基準クロック信号bは、入力データ信号の基本周波数に対応して水晶発振回路により供給されるが、周波数が入力データ信号に比べて十分安定していれば、他の発振回路によって供給されるようにしてもよい。また、図1に示した、この例のクロック再生装置において、チャージポンプ回路3とチャージポンプ回路4が、同一の構成の場合には、モード切り替えセレクタ5との順序を入れ替え、かつ、2つのチャージポンプ回路を1つに節約してもよい。
【0067】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明のクロック再生装置では、周波数同期したことの検出は、位相/周波数比較器とアナログ周波数同期−IN検出回路とを用いてアナログ的に厳しく検出しているので、精度良く確実に周波数同期が行われる。一方、周波数同期が外れたことの検出は、デジタル周波数同期−OUT検出回路を用いてデジタル的に緩く検出するので、比較的大きな周波数のずれ(例えば数100ppm程度)が生じるまでは、検出が行われない。
そのため、クロックリカバリの系では、確実に入力データ信号の周波数に同期をとることができるとともに、位相比較モードで動作中に、入力データ信号の周波数が広い範囲に変化しても、マージンを持って確実に追従することができるので、広い範囲のジッタトレランスの要求に対応することができる。さらに、周波数同期が外れた場合には、これを検出して、逓倍PLLの系を動作させるので、再び、周波数同期を回復して、迅速にクロックリカバリの系の動作に戻ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施例であるクロック再生装置の構成を示す回路図である。
【図2】同実施例における位相比較器の構成例を示すブロック図である。
【図3】同実施例における位相比較器の動作を説明するための波形図(1)である。
【図4】同実施例における位相比較器の動作を説明するための波形図(2)である。
【図5】同実施例における位相比較器の動作を説明するための波形図(3)である。
【図6】同実施例における位相/周波数比較器の構成例を示す回路図である。
【図7】同実施例における位相/周波数比較器の出力の波形を示す波形図である。
【図8】同実施例における位相/周波数比較器が出力するUP信号の波形を示す波形図である。
【図9】同実施例における位相/周波数比較器が出力するDN信号の波形を示す波形図である。
【図10】同実施例における位相/周波数比較器が出力するUP信号及びDN信号の波形を示す波形図である。
【図11】同実施例におけるチャージポンプ回路の構成例を示す回路図である。
【図12】同実施例におけるLPFの構成例を示す回路図である。
【図13】同実施例におけるアナログ周波数同期−IN検出回路の構成例を示す回路図である。
【図14】同実施例におけるアナログ周波数同期−IN検出回路の動作を説明するための波形図である。
【図15】同実施例における立ち上がりエッジ検出回路の構成例を示す回路図である。
【図16】同実施例における立ち上がりエッジ検出回路の動作を説明するための波形図である。
【図17】同実施例におけるデジタル周波数同期−OUT検出回路の構成例を示す回路図である。
【図18】同実施例におけるデジタル周波数同期−OUT検出回路の動作を説明するための波形図(1)である。
【図19】同実施例におけるデジタル周波数同期−OUT検出回路の動作を説明するための波形図(2)である。
【図20】同実施例におけるデジタル周波数同期−OUT検出回路の周波数同期はずれ検出真理値表を示す図である。
【図21】同実施例における立ち下がりエッジ検出回路の構成例を示す回路図である。
【図22】同実施例における立ち下がりエッジ検出回路の動作を説明するための波形図である。
【図23】ジッタトレランスの一例を示す図である。
【図24】同実施例における周波数同期外れ検出動作を説明するための波形図(1)である。
【図25】同実施例における周波数同期外れ検出動作を説明するための波形図(2)である。
【図26】同実施例における周波数同期外れ検出動作を説明するための波形図(3)である。
【図27】同実施例における同期外れ検出時の周波数ずれを示す図(1)である。
【図28】同実施例における周波数同期外れ検出動作を説明するための波形図(4)である。
【図29】同実施例における周波数同期外れ検出動作を説明するための波形図(5)である。
【図30】同実施例における周波数同期外れ検出動作を説明するための波形図(6)である。
【図31】同実施例における同期外れ検出時の周波数ずれを示す図(2)である。
【図32】同実施例における同期外れ検出時の周波数ずれを示す図(3)である。
【図33】従来のクロック再生装置の一構成例を示すブロック図である。
【図34】第1の従来例におけるループフィルタと電圧制御発振器の周波数特性を示す図である。
【図35】従来のクロック再生装置の他の構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
1 位相比較器(第1の比較手段)
2 位相/周波数比較器(第2の比較手段)
3 チャージポンプ回路(第1の比較手段)
4 チャージポンプ回路(第2の比較手段)
5 モード切り替えセレクタ(切り替え手段)
6 LPF(フィルタ手段)
7 VCO(電圧制御発振手段)
8 分周器
9 アナログ周波数同期−IN検出回路(第1の検出手段)
10 立ち上がりエッジ検出回路(第1の検出手段)
11 デジタル周波数同期−OUT検出回路(第2の検出手段)
12 立ち下がりエッジ検出回路(第2の検出手段)
13 SR−F/F
Claims (6)
- 入力された制御信号に応じた周波数のクロック信号を発生する発振手段と、
入力データ信号と前記クロック信号との位相を比較して、該両信号の位相差を修正するための第1の制御信号を生成する第1の比較手段と、
前記クロック信号を分周した信号と参照信号との位相を比較して、前記クロック信号の周波数ずれを修正するための第2の制御信号を生成する第2の比較手段と、
前記第1の制御信号又は第2の制御信号を選択して、前記発振手段に供給するための制御信号を出力する切り替え手段と、
前記クロック信号を分周した信号と前記参照信号との位相差が第1の所定の範囲内になったことを検出すると、第1の検出信号を出力する第1の検出手段と、前記クロック信号を分周した信号と前記参照信号との位相差が前記第1の所定の範囲よりも広い第2の所定の範囲外になったことを検出すると、第2の検出信号を出力する第2の検出手段とを有する制御手段とを備え、
該制御手段は、
前記第1の検出手段が前記第1の検出信号を出力すると、前記切り替え手段に前記第1の制御信号を選択させる一方、前記第2の検出手段が前記第2の検出信号を出力すると、前記切り替え手段に前記第2の制御信号を選択させることを特徴とし、さらに、
前記第2の検出手段は、前記参照信号の半周期間における、前記クロック信号を分周したそれぞれ異なる位相を有する複数の信号のエッジの存否の状態が所定状態でないことを検出したとき、前記検出信号を発生することを特徴とするクロック再生装置。 - 前記第2の検出手段における、前記クロック信号を分周したそれぞれ異なる位相を有する複数の信号が、前記クロック信号を分周した信号と、前記クロック信号を分周した信号に対して90°位相を異にする信号と、前記クロック信号を分周した信号に対して180°位相を異にする信号とからなることを特徴とする請求項1記載のクロック再生装置。
- 前記クロック信号を分周した信号が、前記クロック信号をn分周した信号であることを特徴とする請求項1乃至2のいずれか1記載のクロック再生装置。
- 前記第1の検出手段が、前記参照信号を計数する複数段の計数手段と、該計数手段が計数終了したときセットし、前記クロック信号を分周した信号と前記参照信号との位相差が所定範囲内になったときリセットする保持手段とを備え、
該保持手段のリセット時の出力状態に対応して前記検出信号を発生することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1記載のクロック再生装置。 - 前記発振手段が、入力された制御信号の高域成分を除去するフィルタ手段と、該フィルタ手段の出力電圧に応じた周波数のクロック信号を発生する電圧制御発振手段とからなることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1記載のクロック再生装置。
- 前記第1の検出手段は、前記クロック信号を分周した信号と前記参照信号との位相差が前記第1の所定の範囲内になったことをアナログ的に検出し、
かつ前記第2の検出手段は、前記クロック信号を分周した信号と前記参照信号との位相差が前記第1の所定の範囲よりも広い前記第2の所定の範囲外になったことをデジタル的に検出することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1記載のクロック再生装置。
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