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
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
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。
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。
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(=25)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。
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。
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。
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(=25)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。
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。
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。
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。
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。いずれの構成においても、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(=25)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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (17)
- 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。 - 請求項1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。 - 請求項2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。 - 請求項1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。 - 請求項4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。 - 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。 - 請求項6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。 - 請求項7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。 - 請求項6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。 - 請求項9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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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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