JP4630381B2 - スペクトラム拡散制御pll回路及びそのスタートアップ方法 - Google Patents

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Description

本発明は、スペクトラム拡散されたクロック信号を生成する装置、特に、スペクトラム拡散制御PLL回路(以下、SSC−PLL(Spread Spectrum Control Phase Locked Loop)と称する。)に関する。
近年、SoC(System on Chip)の高速化に伴い、LSI(Large Scale Integration)やデジタル家電製品における電磁放射(EMI:Electromagnetic Interference)の問題が顕著になっている。SSC−PLLは、LSIにおける基準クロック信号の周波数(入力周波数)に微小変調をかけて出力クロック信号のスペクトラムを拡散し、EMIのピーク値を低減する技術である。SSC−PLLは、低コストで実現でき、しかも高いピーク値低減効果を奏するため、EMI対策の切り札として期待されている。スペクトラム拡散変調方式として、ピーク低減効果の高い三角波変調方式がよく用いられる。また、スペクトラム拡散変調周波数は一般的に数十KHzである。
一方、車載IF(Interface)、LVDS(Low Voltage Differential Signaling)、HDMI(High-Definition Multimedia Interface)といった高速インタフェースの分野においては、デジタル家電製品の高機能化、高性能化に伴い、動作周波数がワイドレンジ化している。例えば、入力周波数として、車載IFでは13.5MHz〜81MHz、LVDSでは20MHz〜160MHz、HDMIでは27MHz〜225MHzがそれぞれ要求されている。したがって、ワイドレンジの周波数に対応したSSC−PLLが必要である。
図15に示したように、SSC−PLLでは、量子化ノイズに起因する出力ジッタはループバンド幅が広がるほど大きくなる。一方、スペクトラム拡散変調に係る出力歪みは、ループバンド幅が狭まるほど大きくなる。出力歪みが大きくなると、EMIのピーク値低減効果は小さくなる。したがって、SSC−PLLでは、ループバンド幅を、ジッタと歪みの双方が小さくなるような最適値(図中に示した最適点)に固定することが望ましい。しかし、入力周波数に応じてジッタ及び歪みの特性が変わるため、ループバンド幅の最適値もまた変化する(図15参照)。したがって、ループバンド幅を固定していると、入力周波数がワイドレンジに変化した場合にジッタあるいは歪みが増大してしまうおそれがある。
この問題を解消するために、SSC−PLLを構成するVCO(Voltage Controlled Oscillator)について、制御電圧に対して本来ならば線形に変化するゲインを非線形に変化させることで、入力周波数の変化に追従してループバンド幅を最適値に設定しているものがある(例えば、特許文献1参照)。
米国特許第6980581号明細書
しかし、アナログ回路で非線形ゲインのVCOを構成しようとすると、抵抗素子を使用する必要があるため回路面積が大きくなってしまう。また、設計が非常に困難であり、設計工数も多くなってしまう。したがって、このようなVCOは、低コスト、低面積の要求が厳しいSoCにはあまり適していない。また、プロセスばらつきによってVCOゲインがばらつくため、SSC−PLLのループバンド幅にもばらつきが生じてしまう。したがって、従来の技術は、プロセスばらつきが大きい微細プロセスにはあまり適していない。
上記問題に鑑み、本発明は、簡易な構成のVCOを使用しつつワイドレンジの入力周波数に対応してループバンド幅が好適に変化し、また、プロセスばらつきを吸収して所定の入力周波数に対して所定のループバンド幅となるようなスペクトラム拡散制御PLL回路を実現することを課題とする。
上記課題を解決するために本発明が講じた手段は、入力された基準クロック信号に基づいて、スペクトラム拡散されたクロック信号を出力するスペクトラム拡散制御PLL回路であって、当該PLL回路の出力クロック信号に基づくフィードバッククロック信号と基準クロック信号との位相差に応じて、チャージ電流の吐き出し及び吸い込みを切り替えるチャージポンプ回路と、チャージポンプ回路から出力されるチャージ電流によって充放電されるフィルタ容量を有するループフィルタ回路と、入力された制御電圧に応じた周波数で発振する電圧制御発振器と、基準クロック信号の周波数に応じて、チャージポンプ回路のチャージ電流フィルタ容量の容量値及び電圧制御発振器のゲインの少なくとも一つを調整するキャリブレーション回路とを備えたものとする。これによると、キャリブレーション回路がSSC−PLLにおけるチャージ電流及びフィルタ容量値のいずれか一方及びVCOゲインの少なくとも一つを調整することによって、プロセスばらつきを吸収することができる。また、基準クロック信号の周波数に応じてその調整を行うため、ワイドレンジの入力周波数に対応してループバンド幅を好適に変化させることができる。
具体的には、電圧制御発振器は、制御電圧に応じた電流を生成するVI変換回路と、この生成された電流に応じた周波数で発振するリング発振器とを有する。また、キャリブレーション回路は、VI変換回路の電圧電流変換ゲインを調整する。このように、抵抗素子を必要としない設計容易な線形ゲインのVCOを使用することができる。
また、具体的には、電圧制御発振器は、第1及び第2の電圧及びループフィルタ回路の出力電圧の中からいずれか一つを制御電圧として選択するセレクタ回路を有する。そして、キャリブレーション回路は、基準クロック信号の周波数に応じた時間を計時するタイマ回路と、タイマ回路が動作している間、当該PLL回路の出力クロック信号又はその分周クロック信号のパルスをカウントするカウンタ回路と、セレクタ回路を制御して電圧制御発振器に第1及び第2の電圧をそれぞれ入力したときのカウンタ回路のカウント値の差分が目標値に近づくように電圧制御発振器のゲインを調整する制御回路とを有する。より具体的には、キャリブレーション回路は、電圧制御発振器に第1及び第2の電圧が入力されたときのカウンタ回路のカウント値をそれぞれ記憶する第1及び第2のメモリ回路と、第1及び第2のメモリ回路に記憶されたカウント値の差分を算出する減算器と、減算器の出力と目標値とを比較する比較器とを有する。そして、制御回路は、比較器の出力に基づいて、電圧制御発振器のゲインを調整する。さらに具体的には、キャリブレーション回路は、デジタル制御信号を出力して電圧制御発振器のゲインを切り替える。比較器は、比較結果として、減算器の出力が前記目標値よりも大きいか否かを示す1ビット情報を出力する。そして、制御回路は、比較器の比較結果に基づいて、二分探索により、デジタル制御信号の値を決定する。
また、具体的には、キャリブレーション回路は、チャージポンプ回路のレプリカであるレプリカチャージポンプ回路、及びレプリカチャージポンプ回路から出力されるチャージ電流によって充放電される第2のフィルタ容量を有し、レプリカチャージポンプ回路のチャージ電流及び第2のフィルタ容量の容量値に応じた周波数で発振する発振器と、基準クロック信号の周波数に応じた時間を計時するタイマ回路と、タイマ回路が動作している間、発振器の出力クロック信号又はその分周クロック信号のパルスをカウントするカウンタ回路と、カウンタ回路のカウント値が目標値に近づくようにレプリカチャージポンプ回路のチャージ電流を調整する制御回路とを有する。そして、制御回路は、共通の制御信号で、チャージポンプ回路及びレプリカチャージポンプ回路のそれぞれのチャージ電流を設定する。より具体的には、キャリブレーション回路は、カウンタ回路のカウント値と目標値とを比較する比較器を有する。そして、制御回路は、比較器の出力に基づいて、レプリカチャージポンプ回路のチャージ電流を調整する。さらに具体的には、キャリブレーション回路は、デジタル制御信号を出力して前記チャージ電流を切り替える。比較器は、比較結果として、カウンタ回路のカウント値が目標値よりも大きいか否かを示す1ビット情報を出力する。そして、制御回路は、比較器の比較結果に基づいて、二分探索により、デジタル制御信号の値を決定する。
また、具体的には、キャリブレーション回路は、第2のチャージポンプ回路、及びフィルタ容量のレプリカであり、第2のチャージポンプ回路から出力されるチャージ電流によって充放電されるレプリカフィルタ容量を有し、第2のチャージポンプ回路のチャージ電流及びレプリカフィルタ容量の容量値に応じた周波数で発振する発振器と、基準クロック信号の周波数に応じた時間を計時するタイマ回路と、タイマ回路が動作している間、発振器の出力クロック信号又はその分周クロック信号のパルスをカウントするカウンタ回路と、カウンタ回路のカウント値が目標値に近づくようにレプリカフィルタ容量の容量値を調整する制御回路とを有する。そして、制御回路は、共通の制御信号で、フィルタ容量及びレプリカフィルタ容量のそれぞれの容量値を設定する。より具体的には、キャリブレーション回路は、カウンタ回路のカウント値と目標値とを比較する比較器を有する。そして、制御回路は、比較器の出力に基づいて、レプリカフィルタ容量の容量値を調整する。さらに具体的には、キャリブレーション回路は、デジタル制御信号を出力してフィルタ容量の容量値を切り替える。比較器は、比較結果として、カウンタ回路のカウント値が目標値よりも大きいか否かを示す1ビット情報を出力する。そして、制御回路は、比較器の比較結果に基づいて、二分探索により、デジタル制御信号の値を決定する。
また、上記の各タイマ回路は、基準クロック信号又はその分周クロック信号のパルスを所定数カウントする。そして、好ましくは、上記所定数、第1の電圧、第2の電圧及び目標値の少なくとも一つは可変であるとする。このように、これらパラメータの少なくとも一つを可変にすることで、入力周波数とループバンド幅の関係をアプリケーションに応じて適宜切り替えることができる。
以上のように本発明によると、スペクトラム拡散制御PLL回路について、簡易な構成のVCOを使用しつつも、入力周波数がワイドレンジに変化してもジッタと歪みの双方を抑制したクロック信号を生成することができる。また、プロセスばらつきが吸収されるため、ループバンド幅を精度よく制御することができる。これにより、SoCに係る要求を満たし、また、微細プロセスにおける歩留まりを向上することができる。
図1は、本発明の一実施形態に係るSSC−PLLの構成図である。 図2は、VCOの構成図である。 図3は、制御信号の変化に対するVCOのゲインの変化を表すグラフである。 図4は、キャリブレーション回路においてVCOのゲインを調整する回路部分の構成図である。 図5は、二分探索によるVCOのゲイン決定のフローチャートである。 図6は、CPの構成図である。 図7は、制御信号の変化に対するチャージ電流の変化を表すグラフである。 図8は、キャリブレーション回路においてチャージ電流を調整する回路部分の構成図である。 図9は、二分探索による発振器の発振ゲイン決定のフローチャートである。 図10は、LPFの構成図である。 図11は、LPFの構成図である。 図12は、キャリブレーション回路においてフィルタ容量値を調整する回路部分の構成図である。 図13は、本発明の一実施形態に係る電子機器の構成図である。 図14は、本発明の一実施形態に係る電子機器の構成図である。 図15は、SSC−PLLの出力歪み及び出力ジッタのそれぞれとループバンド幅との関係を表すグラフである。
10 スペクトラム拡散制御PLL回路
12 チャージポンプ回路
13 ループフィルタ回路
131 フィルタ容量
14 電圧制御発振器
142 VI変換回路
141 リング発振器
144 セレクタ回路
19 キャリブレーション回路
1911 タイマ回路
1912 カウンタ回路
1913 メモリ回路(第1のメモリ回路)
1914 メモリ回路(第2のメモリ回路)
1915 減算器
1916 比較器
1917 制御回路
1921 発振器
1922 レプリカチャージポンプ回路
1923 フィルタ容量(第2のフィルタ容量)
1924 タイマ回路
1925 カウンタ回路
1926 比較器
1927 制御回路
1922’チャージポンプ回路(第2のチャージポンプ回路)
1923’レプリカフィルタ容量
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。
(スペクトラム拡散制御PLL回路の実施形態)
図1は、本発明の一実施形態に係るSSC−PLLの構成を示す。SSC−PLL10において、周波数位相比較器(PFD)11は、基準クロック信号REFCLKとフィードバッククロック信号FBCLKとの位相差に応じた信号を出力する。チャージポンプ回路(CP)12は、PFD11の出力に従って、チャージ電流の吐き出し及び吸い込みを切り替える。ループフィルタ回路(LPF)13は、チャージ電流を平滑化して電圧Vcを生成する。電圧制御発振器(VCO)14は、電圧Vcに応じた周波数で発振し、クロック信号CKOUTを出力する。分周器(DIV)15は、クロック信号CKOUTを分周してクロック信号FBCLKを生成する。より詳細には、DIV15は、スペクトラム拡散変調制御回路(SSC)16によって生成されたパターンに従って分周比を所定時間ごとに切り替え、平均的に周波数変調を実現する。SSC16は、クロック信号FBCLKに基づいてDIV15の分周比切り替えのためのランダムパターンを生成する。SSC16として、2次〜4次のΔΣ変調回路を用いるのが一般的である。
SSC−PLL10のループバンド幅ωnは、
ωn=√(Kvco/2πN×Icp/C)・・・(1)
という近似式で表される。ただし、IcpはCP12のチャージ電流、CはLPF13におけるフィルタ容量(不図示)の容量値、KvcoはVCO14のゲイン、NはDIV15の分周比である。キャリブレーション回路19は、基準クロック信号REFCLKの周波数(入力周波数fref)に応じてKvcoを調整する回路部分191及びIcp/Cを調整する回路部分192を備えている。これにより、SSC−PLL10のループバンド幅を適応的に変化させることができるようになっている。以下、CP12、LPF13、VCO14及びキャリブレーション回路19のそれぞれの構成及び動作について説明する。
(電圧制御発振器の構成例)
図2は、VCO14の回路構成例を示す。リング発振器141は、与えられたバイアス電流Ibiasに応じた周波数で発振してクロック信号CKOUTを出力する。VI変換回路142は、バイアス電流Ibiasを生成する。バイアス電流Ibiasは、カレントミラー回路143から出力される。カレントミラー回路143の入力側には、サイズの異なる5つのNchトランジスタMN1〜MN5と、キャリブレーション回路19の回路部分191から出力される5ビット制御信号REG1[4:0]の各ビットによってスイッチング制御されるスイッチ群が接続されている。トランジスタMN1〜MN5のゲートには共通の電圧が印加される。また、トランジスタMN5のサイズを1(W=1)とすると、トランジスタMN4のサイズは2(W=2)、トランジスタMN3のサイズは4(W=4)、トランジスタMN2のサイズは8(W=8)、トランジスタMN1のサイズは16(W=16)となっている。これにより、VI変換回路142の電圧電流変換ゲインを32(=2)段階に切り替え可能となっている。すなわち、VCO14のゲインは32段階に切り替え可能となっている。
図3は、制御信号REG1の変化に対するVCO14のゲインの変化を表す。制御信号REG1の値を大きくするとゲインは大きくなり、制御信号REG1の値を小さくするとゲインは小さくなる。このように、VCO14のゲインは制御信号REG1の値にほぼ比例する。
図2に戻り、セレクタ回路144は、キャリブレーション回路19から出力される制御信号VH及びVLに従って、H電圧(例えば、1.5V)、L電圧(例えば、1.25V)及びループフィルタ回路13から出力電圧Vcの中からいずれか一つを選択してトランジスタMN1〜MN5のゲートに供給する。具体的には、信号VHがアクティブのときにはH電圧が、信号VLがアクティブのときにはL電圧が、信号VH及びVLがいずれもインアクティブのときには電圧Vcがされる。H電圧及びL電圧は、VCO14内部又は外部の図示しない電圧生成回路によって生成される。なお、SSC−PLL10の通常動作時にはVCO14には電圧Vcが入力され、VCO14は電圧Vcにほぼ比例した周波数で発振する。
スタートアップ回路145は、信号STUPによってスイッチング制御されるスイッチと、それに接続された電流源とからなる。スタートアップ回路145は、後述するスタートアップシーケンスの期間、カレントミラー回路143にオフセット電流を通電してSSC−PLL10がスタートアップ時にデッドロック状態に陥るのを防止する。
なお、制御信号REG1のビット数は5以外でもよい。ビット数が多いほどVCO14のゲイン設定の精度が上がる。また、VI変換回路142をPchトランジスタを用いて構成し、カレントミラー回路143をNchトランジスタを用いて構成してもよい。あるいは、VI変換回路142をPchトランジスタを用いて構成し、カレントミラー回路143をNchトランジスタ及びPchトランジスタを混在させて構成してもよい。
(キャリブレーション回路の構成例1)
図4は、キャリブレーション回路19における回路部分191の構成例を示す。タイマ回路1911は、基準クロック信号REFCLKの周波数に応じた時間を計時する。具体的には、タイマ回路1911は、基準クロック信号REFCLKのパルスを所定数N1だけカウントする。このように、カウントすべきパルス数を固定値にしておくことで、タイマ回路1911は、入力周波数が高い場合には短い時間を、入力周波数が低い場合には長い時間を計時する。すなわち、タイマ回路1911は、入力周波数に比例した時間を計時する。カウンタ回路1912は、タイマ回路1911が動作している間、フィードバッククロック信号FBCLKのパルスをカウントする。メモリ回路1913は、VCO14の制御電圧としてH電圧が入力されたときのカウント回路1912のカウント値を記憶する。メモリ回路1914は、VCO14の制御電圧としてL電圧が入力されたときのカウント回路1912のカウント値を記憶する。減算器1915は、メモリ回路1913及び1914に記憶されたカウント値の差分を算出する。比較器1916は、減算器1915の出力と目標値N2とを比較する。そして、制御回路1917は、比較器1916の出力に基づいて、制御信号REG1を出力してVCO14のゲインを調整する。また、制御回路1917は、制御信号VH及びVLを出力してセレクタ回路144を制御する。
なお、タイマ回路1911には基準クロック信号REFCLKに代えてその分周クロック信号を入力するようにしてもよい。同様に、カウンタ回路1912にはフィードバッククロック信号FBCLKに代えてSSC−PLL10の出力クロック信号CKOUT又はその分周クロック信号を入力するようにしてもよい。また、上記構成はあくまでも一例であり、制御回路1917は、セレクタ回路144を制御してVCO14にH電圧及びL電圧のそれぞれを入力したときのカウンタ回路1912のカウント値の差分が目標値N2に近づくようにVCO14のゲインを調整するものであればよい。
制御信号REG1の値は、比較器1916から出力される、減算器1915の出力が目標値よりも大きいか否かを示す1ビット情報に基づいて、二分探索により決定するのが効率的である。図5は、二分探索によるVCO14のゲイン決定のフローを示す。まず、制御信号REG1のMSBを“1”、他を“0”にする。そして、VCO14にH電圧を入力し(制御信号VH=H)、タイマ回路1911が所定時間(T1∝fref)を計時する間のフィードバッククロック信号FBCLKのパルス数をカウントする(カウント数=NH)。その後、VCO14にL電圧を入力し(制御信号VL=H)、タイマ回路1911が所定時間(T1∝fref)を計時する間のフィードバッククロック信号FBCLKのパルス数をカウントする(カウント数=NL)。そして、これらカウント数の差分ΔNが目標値N2よりも大きいか否かを判定し、大きい場合には制御信号REG1のMSBを“0”、次のビットを“1”にし、小さい場合にはMSBの次のビットを“1”にしてから、VCO14にH電圧を入力するステップに戻る。上記の判定動作を5回繰り返すことで制御信号REG1の最適値が決定される。
上記構成のVCO14及びキャリブレーション回路19によって、VCO14のゲインが入力周波数に応じて適応的に変化することについて説明する。入力周波数がfref1のとき、比較器1916に入力される目標値N2は、
N2=K1×ΔV×T1・・・(2)
となる。ただし、K1は入力周波数がfref1のときのVCO14のゲイン、ΔVはH電圧とL電圧との電位差、T1はタイマ回路1911が計時する時間である。時間T1は入力周波数fref1をN1分周していると考えると、
N2=K1×ΔV×N1/fref1・・・(3)
となる。これを変形すると、
K1=(1/N1)×(N2/ΔV)×fref1・・・(4)
となる。ここで、ΔVは固定値であるため、N1とN2を固定値にすることでゲインK1を入力周波数fref1に比例させることができる。
一方、入力周波数がfref2のときにもN1とN2を固定値にすることで、VCO14のゲインK2は、
K2=(1/N1)×(N2/ΔV)×fref2・・・(5)
となり、ゲインK2を入力周波数fref2に比例させることができる。そして、式(4)と式(5)から、
K2/K1=fref2/fref1・・・(6)
が導かれる。すなわち、VCO14のゲイン比は入力周波数比として表される。なお、N1、N2及びΔVのうち少なくとも一つを変更することで、VCO14のゲインと入力周波数との関係を切り替えることができる。
(チャージポンプ回路の構成例)
図6は、CP12の回路構成例を示す。PFD11から出力された信号UP及びDNによってそれぞれ出力制御される電流源121及び122は、いずれも、キャリブレーション回路19の回路部分192から出力される5ビット制御信号REG2[4:0]に従って、CP12のチャージ電流を32(=2)段階に切り替え可能となっている。図7は、制御信号REG2の変化に対するCP12のチャージ電流の変化を表す。制御信号REG2の値を大きくするとチャージ電流は大きくなり、制御信号REG2の値を小さくするとチャージ電流は小さくなる。このように、CP12のチャージ電流は制御信号REG2の値にほぼ比例する。なお、チャージ電流の多段階切り替えは、例えば、2のベキ乗の電流比の関係にある複数の電流源と、それら電流源に接続され、制御信号REG2の各ビットによってスイッチング制御されるスイッチ群とを用いて容易に実現可能である。
なお、制御信号REG2のビット数は5以外でもよい。ビット数が多いほどCP12のチャージ電流設定の精度が上がる。
(キャリブレーション回路の構成例2)
図8は、キャリブレーション回路19における回路部分192の構成例を示す。発振器1921は、CP12のレプリカであるレプリカチャージポンプ回路(レプリカCP)1922及びフィルタ容量1923を有しており、レプリカCP1922のチャージ電流Icp及びフィルタ容量1923の容量値Cに応じた周波数(Icp/2C)で発振する。タイマ回路1924は、基準クロック信号REFCLKの周波数に応じた時間を計時する。具体的には、タイマ回路1924は、基準クロック信号REFCLKのパルスを所定数N3だけカウントする。カウンタ回路1925は、タイマ回路1924が動作している間、発振器1921の出力クロック信号CKOUT2のパルスをカウントする。比較器1926は、カウンタ回路1925のカウント値と目標値N4とを比較する。そして、制御回路1927は、比較器1926の出力に基づいて、制御信号REG2を出力してレプリカCP1922のチャージ電流を調整する。また、制御回路1927は、CP12及びレプリカCP1922のそれぞれのチャージ電流を共通の制御信号REG2で設定する。この場合、LPF13におけるフィルタ容量に対して容量値を切り替える制御を行う必要はない。
なお、レプリカCP1922はCP12と同じサイズで構成してもよいし、より小さなサイズで構成してもよい。同様に、フィルタ容量1923はLPF13における図示しないフィルタ容量と同じサイズで構成してもよいし、より小さなサイズで構成してもよい。要するに、レプリカCP1922のチャージ電流とフィルタ容量1923の容量値との比をCP12のチャージ電流とLPF13におけるフィルタ容量の容量値との比が同じであればよい。これにより、SSC−PLL10のループバンド幅を左右するCP12のチャージ電流の調整を、発振器1921の発振周波数の調整に置き換えて実施することができる。
また、タイマ回路1924には基準クロック信号REFCLKに代えてその分周クロック信号を入力するようにしてもよい。同様に、カウンタ回路1925にはクロック信号CKOUT2に代えてその分周クロック信号を入力するようにしてもよい。また、上記構成はあくまでも一例であり、制御回路1927は、カウンタ回路1925のカウント値が目標値N4に近づくようにレプリカCP1922のチャージ電流を調整するものであればよい。
制御信号REG2の値は、比較器1926から出力される、カウンタ回路1925のカウント値が目標値よりも大きいか否かを示す1ビット情報に基づいて、二分探索により決定するのが効率的である。図9は、二分探索による発振器1921の発振ゲイン決定のフローを示す。まず、制御信号REG2のMSBを“1”、他を“0”にする。そして、タイマ回路1924が所定時間(T2∝fref)を計時する間のクロック信号CKOUT2のパルス数をカウントする(カウント数=N)。その後、そのカウント数が目標値N4よりも大きいか否かを判定し、大きい場合には制御信号REG2のMSBを“0”、次のビットを“1”にし、小さい場合にはMSBの次のビットを“1”にしてから、クロック信号CKOUT2のパルス数をカウントするステップに戻る。上記の判定動作を5回繰り返すことで制御信号REG2の最適値が決定される。
上記構成のCP12及びキャリブレーション回路19によって、CP12のチャージ電流が入力周波数に応じて適応的に変化することについて説明する。入力周波数がfref1のとき、比較器1926に入力される目標値N4は、
N4=I1’/2C×T2・・・(7)
となる。ただし、I1’は入力周波数がfref1のときのレプリカCP1922のチャージ電流、Cはフィルタ容量1923の容量値、T2はタイマ回路1924が計時する時間である。レプリカCP1922のチャージ電流I1’はCP12のチャージ電流I1の1/n(I1’=I1/n)であるとし、また、時間T2は入力周波数fref1をN3分周していると考えると、
N4=(I1/n)/2C×N3/fref1・・・(8)
となる。これを変形すると、
I1=n×2C×N4/N3×fref1・・・(9)
となる。ここで、n及びCは固定値であるため、N3とN4を固定値にすることでチャージ電流I1を入力周波数fref1に比例させることができる。
一方、入力周波数がfref2のときにもN3とN4を固定値にすることで、CP12のチャージ電流I2は、
I2=n×2C×N4/N3×fref2・・・(10)
となり、チャージ電流I2を入力周波数fref2に比例させることができる。そして、式(9)と式(10)から、
I1/I2=fref2/fref1・・・(11)
が導かれる。すなわち、CP12のチャージ電流比は入力周波数比として表される。なお、N3及びN4のうち少なくとも一つを変更することで、CP12のチャージ電流と入力周波数との関係を切り替えることができる。
(ループフィルタ回路の構成例)
図10は、2次RC構成のLPF13の回路構成例を示す。図11は、3次RC構成のLPF13の回路構成例を示す。3次RC構成は、2次RC構成と比べて、周波数のカットオフ特性はよくなるが、位相余裕のマージンが小さくなるためワイドレンジの入力周波数には不向きである。いずれ構成においても、フィルタ容量131は、キャリブレーション回路19の回路部分192から出力される5ビット制御信号REG2[4:0]に従って、容量値を32(=2)段階に切り替え可能となっている。なお、フィルタ容量131の容量値の多段階切り替えは、例えば、2のベキ乗の容量比の関係にある複数のキャパシタと、それらキャパシタに接続され、制御信号REG2の各ビットによってスイッチング制御されるスイッチ群とを用いて容易に実現可能である。
なお、制御信号REG2のビット数は5以外でもよい。ビット数が多いほどフィルタ容量131の容量値設定の精度が上がる。
(キャリブレーション回路の構成例3)
図12は、キャリブレーション回路19における回路部分192の構成例を示す。上記のキャリブレーション回路の構成2と異なる点についてのみ説明する。発振器1921は、チャージポンプ回路(CP)1922’及びフィルタ容量131のレプリカであるレプリカフィルタ容量(レプリカC)1923’を有しており、CP1922’のチャージ電流Icp及びレプリカC1923’の容量値Cに応じた周波数(Icp/2C)で発振する。制御回路1927は、比較器1926の出力に基づいて、制御信号REG2を出力してレプリカC1923’の容量値を調整する。また、制御回路1927は、フィルタ容量131及びレプリカC1923’のそれぞれの容量値を共通の制御信号REG2で設定する。この場合、CP12に対してチャージ電流を切り替える制御を行う必要はない。
なお、CP1922’はCP12と同じサイズで構成してもよいし、より小さなサイズで構成してもよい。同様に、レプリカC1923’はフィルタ容量131と同じサイズで構成してもよいし、より小さなサイズで構成してもよい。要するに、CP1922’のチャージ電流とレプリカC1923’の容量値との比をCP12のチャージ電流とフィルタ容量131の容量値との比が同じであればよい。これにより、SSC−PLL10のループバンド幅を左右するフィルタ容量131の容量値の調整を、発振器1921の発振周波数の調整に置き換えて実施することができる。
上記構成のLPF13及びキャリブレーション回路19によって、フィルタ容量131の容量値の逆数が入力周波数に応じて適応的に変化することについて説明する。入力周波数がfref1のとき、比較器1926に入力される目標値N4は、
N4=Icp/2C1’×T2・・・(12)
となる。ただし、IcpはCP1922’のチャージ電流、C1’は入力周波数がfref1のときのレプリカC1923’の容量値、T2はタイマ回路1924が計時する時間である。レプリカC1923’の容量値C1’はフィルタ容量131の容量値C1の1/n(C1’=C1/n)であるとし、また、時間T2は入力周波数fref1をN3分周していると考えると、
N4=Icp/(2C1/n)×N3/fref1・・・(13)
となる。これを変形すると、
1/C1=2/n/Icp×N4/N3×fref1・・・(14)
となる。ここで、n及びIcpは固定値であるため、N3とN4を固定値にすることで容量値C1の逆数を入力周波数fref1に比例させることができる。
一方、入力周波数がfref2のときにもN3とN4を固定値にすることで、フィルタ容量131の容量値C2の逆数は、
1/C2=2/n/Icp×N4/N3×fref2・・・(15)
となり、容量値C2の逆数を入力周波数fref2に比例させることができる。そして、式(14)と式(15)から、
C2/C1=fref2/fref1・・・(16)
が導かれる。すなわち、フィルタ容量131の容量値の逆数比は入力周波数比として表される。なお、N3及びN4のうち少なくとも一つを変更することで、フィルタ容量131の容量値と入力周波数との関係を切り替えることができる。
以上のキャリブレーションによって、SSC−PLL10では、プロセスばらつきによってCP12のチャージ電流、LPF13におけるフィルタ容量の容量値、VCO14のゲインがばらついても、それらが規定値となるようにフィードバックがかかって制御信号REG1及びREG2の値が設定される。すなわち、SSC−PLL10では、入力周波数に応じてループバンド幅を適応的に変化させることができるだけではなく、プロセスばらつきを吸収することができる。例えば、プロセスがWORST条件に振れると、制御信号REG1の値はTYP条件のときよりも大きくなるように設定され、プロセスがBEST条件に振れると、制御信号REG1の値はTYP条件のときよりも小さくなるように設定される。
(SSC−PLLのスタートアップ手順)
SSC−PLL10は次のように起動させる。まず、キャリブレーション回路19を動作させて、VCO14のゲインの調整(VCOキャリブレーションシーケンス)、及びCP12のチャージ電流及びLPF13におけるフィルタ容量の容量値のいずれか一方の調整(CP/LPFキャリブレーションシーケンス)を行う。これら二つのシーケンスのいずれを先に実行してもよい。また、VCOキャリブレーションシーケンスを実行している間はLPF13の出力はVCO14に入力されないため、これら二つのシーケンスを同時に実行してもよい。
これら二つのシーケンスを順次実行する場合には、キャリブレーション回路19における回路部分191及び192の相当部分を共用できるため、キャリブレーション回路19の回路面積を小さくすることができる。一方、これら二つのシーケンスを同時に実行する場合には、回路部分191及び192を別個独立に設けなければならないが、より早くキャリブレーションを完了することができる。
VCOキャリブレーションシーケンス及びCP/LPFキャリブレーションシーケンスが終了すると、次に、スタートアップシーケンスを実行する。スタートアップシーケンスでは、図2に示したスタートアップ回路145において信号STUPをアクティブにしてVCO14にオフセット電流を通電する。これにより、VCO14の出力がハイインピーダンス状態となることが回避され、SSC−PLL10はオフセット電流で決定される所定の周波数でロック(プリロック)となる。なお、一般に、SSC−PLLにはロック状態を検知するロック検出器が設けられているが、スタートアップシーケンスでプリロックされる周波数は、このロック検出器によって検出されないようにすることが望ましい。プリロックが検出されてしまうと、不要なデータが出力されるおそれがあるからである。
VCO14の位相ノイズを低減するために、オフセット電流の通電は所定時間後に停止する。その後、SSC−PLL10はスペクトラム拡散制御を行わない状態で通常のロック状態へ移行する。そして、上記のロック検出器によってロックが検出されるとスペクトラム拡散制御を有効にする。この一連の手順により、SSC−PLL10はデッドロックに陥ることなく安定的に起動することができる。
なお、本実施形態に係るSSC−PLL10を、基準クロック信号REFCLKにスペクトラム拡散変調をかけたり(例えば、2段構成のPLLや高速インタフェースにおける受信回路)、VCO14の制御電圧Vcにスペクトラム拡散変調をかけたりするように変形してもよい。また、入力周波数やスペクトラム拡散変調周波数が固定されている場合においてもプロセスばらつきの吸収効果は有効である。また、キャリブレーション回路19からアナログ制御信号を出力して、CP12、LPF13及びVCO14はそのアナログ制御信号に従って制御されるようにしてもよい。
また、図1に示したキャリブレーション回路19において、回路部分191及び192のいずれか一方を省略してもよい。すなわち、Kvco(KvcoはVCO14のゲイン)及びIcp/C(IcpはCP12のチャージ電流、CはLPF13におけるフィルタ容量の容量値)のいずれか一方のみを入力周波数に比例して変化させるようにしても上述した効果が奏される。しかし、この場合、式(1)からわかるように、SSC−PLL10のループバンド幅は入力周波数の1/2乗でしか変化させることができない。すなわち、入力周波数の変化に対するループバンド幅の変化の度合いが比較的小さい。このため、調整対象回路をかなり広い範囲で可変としなければならなくなるが、これは、電源電圧の低電圧化が進むと実現が困難となるおそれがある。一方、Kvco及びIcp/Cのいずれも入力周波数に比例して変化させることで、SSC−PLL10のループバンド幅を入力周波数に比例して変化させることができるようになる。これにより、VCO14のゲイン、CP12のチャージ電流及びLPF13におけるフィルタ容量の容量値のそれぞれの可変範囲を狭くすることができる。
(電子機器の実施形態1)
図13は、本発明の一実施形態に係る電子機器(データ送信装置)の構成を示す。データ送信装置(Tx)100は、上記のSSC−PLL10、パラレルシリアル変換回路(P/S)101及びドライバ回路102を備えている。P/S101は、図示しないデジタルブロックからの125Mbpsの10ビットパラレル信号を受けて、これを1250Mbpsのシリアル信号に変換する。ドライバ回路102は、そのシリアル信号をケーブルを介して別チップの受信側に送信する(信号TD及びNTD)。SSC−PLL10は、基準クロック信号REFCLKからスペクトラム拡散されたクロック信号CKOUTを生成し、それをP/S101に供給する。SSC−PLL10は、入力周波数がワイドレンジに変化しても(例えば、125MHz〜1250MHz)、ジッタと歪みの双方を抑制したクロック信号CKOUTを生成することができる。これにより、Tx100のEMIを低減することができる。
(電子機器の実施形態2)
図14は、本発明の一実施形態に係る電子機器(データ受信装置)の構成を示す。データ受信装置(Rx)200は、上述のSSC−PLL10、レシーバ回路201、クロックデータリカバリ回路(CDR)202及びシリアルパラレル変換回路(S/P)203を備えている。レシーバ回路201は、ケーブルを介して別チップから送られてくる125Mbpsのシリアル信号RD及びNRDを受信して増幅する。CDR202は、SSC−PLL10から供給されるクロック信号CKOUTを基準として、レシーバ回路201から入力されたシリアル信号からクロック信号とデータを再生する。S/P203は、CDR202から入力された1250Mbpsのシリアル信号を125Mbpsの10ビットパラレル信号に変換して、図示しないデジタルブロックに送信する。SSC−PLL10は、基準クロック信号REFCLKからスペクトラム拡散されたクロック信号CKOUTを生成する。SSC−PLL10は、入力周波数がワイドレンジに変化しても(例えば、125MHz〜1250MHz)、ジッタと歪みの双方を抑制したクロック信号CKOUTを生成することができる。これにより、Rx200のEMIを低減することができる。
本発明に係るSSC−PLLは、入力周波数がワイドレンジに変化してもジッタと歪みの双方を抑制したクロック信号を生成することができるため、低EMIが求められるデータ送受信システムや無線通信システムなどに有用である。

Claims (17)

  1. 入力された基準クロック信号に基づいて、スペクトラム拡散されたクロック信号を出力するスペクトラム拡散制御PLL回路であって、
    当該PLL回路の出力クロック信号に基づくフィードバッククロック信号と前記基準クロック信号との位相差に応じて、チャージ電流の吐き出し及び吸い込みを切り替えるチャージポンプ回路と、
    前記チャージポンプ回路から出力されるチャージ電流によって充放電されるフィルタ容量を有するループフィルタ回路と、
    入力された制御電圧に応じた周波数で発振する電圧制御発振器と、
    前記基準クロック信号の周波数に応じて、前記チャージポンプ回路のチャージ電流、前記フィルタ容量の容量値、及び前記電圧制御発振器のゲインの少なくとも一つを調整するキャリブレーション回路とを備え、
    前記電圧制御発振器は、
    第1及び第2の電圧及び前記ループフィルタ回路の出力電圧の中からいずれか一つを前記制御電圧として選択するセレクタ回路を有するものであり、
    前記キャリブレーション回路は、
    前記基準クロック信号の周波数に応じた時間を計時するタイマ回路と、
    前記タイマ回路が動作している間、当該PLL回路の出力クロック信号又はその分周クロック信号のパルスをカウントするカウンタ回路と、
    前記セレクタ回路を制御して前記電圧制御発振器に前記第1及び第2の電圧をそれぞれ入力したときの前記カウンタ回路のカウント値の差分が目標値に近づくように前記電圧制御発振器のゲインを調整する制御回路とを有するものである
    ことを特徴とするスペクトラム拡散制御PLL回路。
  2. 請求項に記載のスペクトラム拡散制御PLL回路において、
    前記キャリブレーション回路は、
    前記電圧制御発振器に前記第1及び第2の電圧が入力されたときの前記カウンタ回路のカウント値をそれぞれ記憶する第1及び第2のメモリ回路と、
    前記第1及び第2のメモリ回路に記憶されたカウント値の差分を算出する減算器と、
    前記減算器の出力と前記目標値とを比較する比較器とを有するものであり、
    前記制御回路は、前記比較器の出力に基づいて、前記電圧制御発振器のゲインを調整する
    ことを特徴とするスペクトラム拡散制御PLL回路。
  3. 請求項に記載のスペクトラム拡散制御PLL回路において、
    前記キャリブレーション回路は、デジタル制御信号を出力して前記電圧制御発振器のゲインを切り替えるものであり、
    前記比較器は、比較結果として、前記減算器の出力が前記目標値よりも大きいか否かを示す1ビット情報を出力するものであり、
    前記制御回路は、前記比較器の比較結果に基づいて、二分探索により、前記デジタル制御信号の値を決定するものである
    ことを特徴とするスペクトラム拡散制御PLL回路。
  4. 請求項に記載のスペクトラム拡散制御PLL回路において、
    前記タイマ回路は、前記基準クロック信号又はその分周クロック信号のパルスを所定数カウントする
    ことを特徴とするスペクトラム拡散制御PLL回路。
  5. 請求項に記載のスペクトラム拡散制御PLL回路において、
    前記所定数、前記第1の電圧、前記第2の電圧及び前記目標値の少なくとも一つは可変である
    ことを特徴とするスペクトラム拡散制御PLL回路。
  6. 入力された基準クロック信号に基づいて、スペクトラム拡散されたクロック信号を出力するスペクトラム拡散制御PLL回路であって、
    当該PLL回路の出力クロック信号に基づくフィードバッククロック信号と前記基準クロック信号との位相差に応じて、チャージ電流の吐き出し及び吸い込みを切り替えるチャージポンプ回路と、
    前記チャージポンプ回路から出力されるチャージ電流によって充放電されるフィルタ容量を有するループフィルタ回路と、
    入力された制御電圧に応じた周波数で発振する電圧制御発振器と、
    前記基準クロック信号の周波数に応じて、前記チャージポンプ回路のチャージ電流、前記フィルタ容量の容量値、及び前記電圧制御発振器のゲインの少なくとも一つを調整するキャリブレーション回路とを備え、
    前記キャリブレーション回路は、
    前記チャージポンプ回路のレプリカであるレプリカチャージポンプ回路、及び前記レプリカチャージポンプ回路から出力されるチャージ電流によって充放電される第2のフィルタ容量を有し、前記レプリカチャージポンプ回路のチャージ電流及び前記第2のフィルタ容量の容量値に応じた周波数で発振する発振器と、
    前記基準クロック信号の周波数に応じた時間を計時するタイマ回路と、
    前記タイマ回路が動作している間、前記発振器の出力クロック信号又はその分周クロック信号のパルスをカウントするカウンタ回路と、
    前記カウンタ回路のカウント値が目標値に近づくように前記レプリカチャージポンプ回路のチャージ電流を調整する制御回路とを有するものであり、
    前記制御回路は、共通の制御信号で、前記チャージポンプ回路及びレプリカチャージポンプ回路のそれぞれのチャージ電流を設定する
    ことを特徴とするスペクトラム拡散制御PLL回路。
  7. 請求項に記載のスペクトラム拡散制御PLL回路において、
    前記キャリブレーション回路は、
    前記カウンタ回路のカウント値と前記目標値とを比較する比較器を有するものであり、
    前記制御回路は、前記比較器の出力に基づいて、前記レプリカチャージポンプ回路のチャージ電流を調整する
    ことを特徴とするスペクトラム拡散制御PLL回路。
  8. 請求項に記載のスペクトラム拡散制御PLL回路において、
    前記キャリブレーション回路は、デジタル制御信号を出力して前記チャージ電流を切り替えるものであり、
    前記比較器は、比較結果として、前記カウンタ回路のカウント値が前記目標値よりも大きいか否かを示す1ビット情報を出力するものであり、
    前記制御回路は、前記比較器の比較結果に基づいて、二分探索により、前記デジタル制御信号の値を決定するものである
    ことを特徴とするスペクトラム拡散制御PLL回路。
  9. 請求項に記載のスペクトラム拡散制御PLL回路において、
    前記タイマ回路は、前記基準クロック信号又はその分周クロック信号のパルスを所定数カウントする
    ことを特徴とするスペクトラム拡散制御PLL回路。
  10. 請求項に記載のスペクトラム拡散制御PLL回路において、
    前記所定数及び前記目標値の少なくとも一つは可変である
    ことを特徴とするスペクトラム拡散制御PLL回路。
  11. 入力された基準クロック信号に基づいて、スペクトラム拡散されたクロック信号を出力するスペクトラム拡散制御PLL回路であって、
    当該PLL回路の出力クロック信号に基づくフィードバッククロック信号と前記基準クロック信号との位相差に応じて、チャージ電流の吐き出し及び吸い込みを切り替えるチャージポンプ回路と、
    前記チャージポンプ回路から出力されるチャージ電流によって充放電されるフィルタ容量を有するループフィルタ回路と、
    入力された制御電圧に応じた周波数で発振する電圧制御発振器と、
    前記基準クロック信号の周波数に応じて、前記チャージポンプ回路のチャージ電流、前記フィルタ容量の容量値、及び前記電圧制御発振器のゲインの少なくとも一つを調整するキャリブレーション回路とを備え、
    前記キャリブレーション回路は、
    第2のチャージポンプ回路、及び前記フィルタ容量のレプリカであり、前記第2のチャージポンプ回路から出力されるチャージ電流によって充放電されるレプリカフィルタ容量を有し、前記第2のチャージポンプ回路のチャージ電流及び前記レプリカフィルタ容量の容量値に応じた周波数で発振する発振器と、
    前記基準クロック信号の周波数に応じた時間を計時するタイマ回路と、
    前記タイマ回路が動作している間、前記発振器の出力クロック信号又はその分周クロック信号のパルスをカウントするカウンタ回路と、
    前記カウンタ回路のカウント値が目標値に近づくように前記レプリカフィルタ容量の容量値を調整する制御回路とを有するものであり、
    前記制御回路は、共通の制御信号で、前記フィルタ容量及びレプリカフィルタ容量のそれぞれの容量値を設定する
    ことを特徴とするスペクトラム拡散制御PLL回路。
  12. 請求項11に記載のスペクトラム拡散制御PLL回路において、
    前記キャリブレーション回路は、
    前記カウンタ回路のカウント値と前記目標値とを比較する比較器を有するものであり、
    前記制御回路は、前記比較器の出力に基づいて、前記レプリカフィルタ容量の容量値を調整する
    ことを特徴とするスペクトラム拡散制御PLL回路。
  13. 請求項12に記載のスペクトラム拡散制御PLL回路において、
    前記キャリブレーション回路は、デジタル制御信号を出力して前記フィルタ容量の容量値を切り替えるものであり、
    前記比較器は、比較結果として、前記カウンタ回路のカウント値が前記目標値よりも大きいか否かを示す1ビット情報を出力するものであり、
    前記制御回路は、前記比較器の比較結果に基づいて、二分探索により、前記デジタル制御信号の値を決定するものである
    ことを特徴とするスペクトラム拡散制御PLL回路。
  14. 請求項11に記載のスペクトラム拡散制御PLL回路において、
    前記タイマ回路は、前記基準クロック信号又はその分周クロック信号のパルスを所定数カウントする
    ことを特徴とするスペクトラム拡散制御PLL回路。
  15. 請求項14に記載のスペクトラム拡散制御PLL回路において、
    前記所定数及び前記目標値の少なくとも一つは可変である
    ことを特徴とするスペクトラム拡散制御PLL回路。
  16. 請求項1、6、及び11のいずれか一つに記載のスペクトラム拡散制御PLL回路のスタートアップ方法であって、
    前記キャリブレーション回路を動作させて前記電圧制御発振器のゲインを調整する第1のステップと、
    前記キャリブレーション回路を動作させて前記チャージポンプ回路のチャージ電流及び前記フィルタ容量の容量値のいずれか一方を調整する第2のステップと、
    前記第1及び第2のステップの後に、前記電圧制御発振器に、所定期間、オフセット電流を通電する第3のステップとを備えた
    ことを特徴とするスペクトラム拡散制御PLL回路のスタートアップ方法。
  17. 請求項1、6、及び11のいずれか一つに記載のスペクトラム拡散制御PLL回路を備え、
    前記スペクトラム拡散制御PLL回路から出力されるスペクトラム拡散されたクロック信号に同期して動作する
    ことを特徴とする電子機器。
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