JP4721872B2 - 遅延ロックループ回路、タイミング発生器、半導体試験装置、半導体集積回路及び遅延量校正方法 - Google Patents
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Description
DLLは、外部から与えられた基準クロック信号(入力信号)と内部のクロック信号との間に生じる時間差(位相差)を回路的に制御して調整し、高速なクロックアクセス時間や高い動作周波数を実現する回路である。
DLLは、その機能や使用目的などからロックアップタイムの短縮化や遅延量の精度の向上などが命題となっているが、それら命題を解決する観点から、従来のアナログ制御のDLLに代えて、デジタル制御のDLLが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
同図(i)は、従来のDLLの回路構成を示すブロック図、同図(ii)は、従来のDLLにおける各信号の経時変化を示すグラフである。
遅延回路110は、同一の遅延量を有する複数の遅延素子が縦続接続された構成となっており、入力信号(基準信号、同図では入力クロック)に所定の遅延量を与え、これを出力信号として出力する。
カウンタ130は、プライオリティエンコーダの機能を有しており、複数のビットで構成された制御信号を、位相比較器120からの位相信号により制御して出力する(同図(ii)の(c),(d))。
そして、遅延回路110は、DAコンバータ140から入力した遅延時間信号にもとづいて、出力信号に所定の遅延量を与えて出力する。ここで、遅延回路110は、遅延時間信号中の「H」を示すビット数が多いほど、入力信号に対する出力信号の遅延時間を長くする。一方、遅延時間信号中の「H」を示すビット数が少ないほど、入力信号に対する出力信号の遅延時間を短くする。このような動作により、入力信号に対して一定の遅延量を有した出力信号を出力することができる。
一方、カウンタのビット数が膨大とならないようにするために、カウンタ値の1ビットの変化に対する遅延時間の変化量(分解能)を大きくすると、今度は、ジッタの低減を十分図ることができないという問題があった。
この改良技術のDLLの構成を図20に示す。
同図に示すように、DLL200−1は、例えば、同一の遅延量を有する複数の遅延素子が縦続接続された遅延回路210と、遅延回路210の入力信号と出力信号とを入力し、位相信号を出力する複数の位相比較器220a、220bと、対応する位相比較器220から位相信号を入力し、制御信号を出力する複数のカウンタ230a、230bと、対応するカウンタ230から制御信号を入力し、この入力した制御信号のビット値に対応した遅延時間を示す遅延時間信号を出力する複数の遅延時間取得部(DAコンバータ(DAC))240a、240bと、これら複数の遅延時間取得部240からそれぞれ出力された各遅延時間信号の示す遅延時間を加算する加算部250と、この加算部250で加算された遅延時間の和を遅延回路210における各遅延素子の遅延時間に変換する遅延時間制御部(バイアス回路)260とを備えた構成としてある。
さらに、粗い分解能の遅延時間と細かい分解能の遅延時間との総和が遅延量のずれの補償に反映されるため、単にカウンタ230の分解能を大きくした場合に比べて、ロックアップタイムを飛躍的に短縮できる。
このように、分解能が小さい遅延成分と分解能が大きい遅延成分の桁上げ/桁下げ処理を行うことで、カウンタの回路規模を増大させることなく、ロック範囲を広げることができ、そのカウンタ230でのオーバーフローやアンダーフローを避けることができる。
ただし、DLLでは、CMOSプロセスのばらつき、電圧、温度によって遅延回路210の遅延量が大きく変動することがあり、例えば、同じDAコンバータの設定値でも遅延量が1.5周期を超えるものや、0.5周期に満たないものが出てくることがある。そうすると、遅延回路の出力信号にサイクルスリップが起こることが考えられた。
なお、図23は、遅延回路の遅延量が1.5周期より長い場合にサイクルスリップを起こしている状態、図24は、遅延回路の遅延量が0.5周期より短い場合にサイクルスリップを起こしている状態をそれぞれ示す。
しかし、従来の遅延量の測定方法は、カウンタの設定値を1つずつ切り替えてロードし、その都度遅延量を測定していたため、遅延回路の校正に時間がかかっていた。
このことから、カウンタの設定値をロードするたびに遅延回路の遅延量を測定するという作業が不要となる。したがって、遅延量の測定に代わる手法として上述のサイクルスリップ検出回路やカウント制御手段を備えることで、適切なカウンタの初期設定値を簡便かつ即座に決めることができ、遅延回路の校正にかかる時間を短縮できる。
例えば、カウンタの初期設定値がロードされ、DLLをロックモードにして、順序回路をリセットすると、その順序回路から出力されたサイクルスリップ検出信号は、出力信号がサイクルスリップを起こしているときと起こしていないときとで異なる値となる。例えば、サイクルスリップを起こしているときは「H」と示す信号、起こしていないときは「L」を示す信号となる。
このため、論理回路と順序回路とを組み合わせたサイクルスリップ検出回路により、サイクルスリップの発生の有無を検出でき、これに応じた遅延回路の校正を可能とする。
遅延ロックループ回路をこのような構成とすれば、論理回路から出力された信号にもとづいて、順序回路は、サイクルスリップが起きていないときに「L」の信号を、一方起きているときには「H」の信号をそれぞれ出力することができる。
遅延ロックループ回路をこのような構成とすると、カウンタの初期設定値を自動的に切り替えて、ロックモードでロックする適切な設定値を容易に見つけ出すことができる。
サイクルスリップが起こっている状態とは、すなわち、出力信号の位相が入力信号に対して大きく遅れ又は進んでいるために、カウンタのカウント値が最大値又は最小値を示したところで固定され(はりついて)、ロックされない状態をいう。
このため、カウンタのカウント値が最大値又は最小値を示していることを検出することで、出力信号がサイクルスリップを起こしているか否かを判定できる。
半導体試験装置をこのような構成とすれば、タイミング発生器に備えられた一以上のDLLの校正を短時間で行うことができる。
これは、LSIの内部の長距離を高周波のCLK伝送を行うと、低周波のCLK伝送に比べて、バッファ間隔を短縮して負荷容量を減らすか、バッファの駆動能力を増やすかの処置が必要になり、どちらも、回路規模増大・消費電力増大となるためである。また、各ブロックまでのバッファ段数の差も大きくなるため、スキューも増大するためである。
半導体集積回路をこのような方法とすれば、簡易な手順で、短時間に遅延回路の校正を行うことができる。
このため、カウンタの設定値をロードするたびに遅延回路の遅延量を測定するという作業が不要となる。したがって、遅延量の測定に代わる手法として上述のサイクルスリップ検出回路やカウント制御手段を備えることで、適切なカウンタの初期設定値を簡便かつ即座に決めることができ、遅延回路の校正にかかる時間を短縮できる。
まず、本発明の遅延ロックループ回路の第一実施形態について、図1を参照して説明する。
同図は、本実施形態の遅延ロックループ回路の構成を示すブロック図である。
論理回路21は、遅延回路11の入力信号(入力クロックA)と、その出力信号(遅延回路出力B)とを入力し、それら入力信号と出力信号との間に位相差が生じているときには、「H」と「L」とを繰り返すグリッジを有した信号(位相差検出信号)を出力し、一方、位相差が生じていないときには、「L」を示す位相差検出信号を出力する。
また、論理回路21は、図3(ii)に示すように、例えば、論理積回路と、この論理積回路の一方の入力を否定する否定回路とを組み合わせた回路(第二論理回路21−2)で構成できる。この第二論理回路21−2の論理式は、NOT(A)・Bとなる。
なお、第二論理回路21−2においては、入力クロックAと遅延回路Bとが逆になっていてもよい。すなわち、論理式をA・NOT(B)とすることができる。
また、順序回路22は、図4(ii)に示すように、D−フリップフロップ回路(第二順序回路)22−2で構成できる。このD−フリップフロップ回路22−2においては、D端子にHレベルの信号が入力され、CK端子に論理回路21の出力信号が入力され、リセット端子にリセット信号が入力される。そして、CK端子に論理回路21の出力(位相差検出信号)が入力されると、D端子に入力されたHレベルの信号がQ端子から出力される。
このカウント制御手段30は、ハードウエア処理で実行するものと、ソフトウエア処理で実行するものとがある。
なお、シーケンサ/カウンタ31とデコーダ32とは、シーケンサ回路として構成される。
例えば、シーケンサ制御信号が「1」を示す場合(遅延ロックループ回路10−1がサイクルスリップを起こしている場合)は、シーケンサ/カウンタ31は、+1のカウントを行う。このカウント動作後のカウント値は、入力信号(入力クロック)の入力タイミングに応じてデコーダ32へ送られる。
一方、シーケンサ制御信号が「0」を示す場合(遅延ロックループ回路10−1がサイクルスリップを起こしていない場合)は、シーケンサ/カウンタ31は、カウント動作を行わない。
このデコーダ32の動作を図6を参照して説明する。同図は、シーケンサ/カウンタ31の出力とカウント制御手段(ハードウエア処理手段)30の動作との関係を示す波形図である。
例えば、そのカウント値が「1」のときは、対応する動作は「DA1 SET」であって、選択信号がDA値1実現論理回路33−1へ送られる。カウント値が「11」のときは、対応する動作は「DA2 SET」であって、選択信号がDA値2実現論理回路33−2へ送られる。カウント値が「21」のときは、対応する動作は「DA3 SET」であって、選択信号がDA値3実現論理回路33−3へ送られる。このように、カウント値が「10m+1」のときは、カウンタ13aのDA値を切り替えるように、選択信号がDA値(1〜N)実現論理回路33−1〜33−nのいずれか対応するものに送られる。
カウント値が「10m+1」又は「10m+9」以外の場合は、選択信号は、DA値(1〜N)実現論理回路33−1〜33−n又はリセット信号生成論理回路35へは送られない。すなわち、カウント値が「2」〜「8」、「12」〜「18」、「22」〜「28」・・・のときのDA値保持動作については、DA値を設定してから遅延ロックループ回路10−1がロックするまでの時間である。
また、カウント値が「10」、「20」、「30」・・・のときのDA値保持動作については、サイクルスリップしているかどうかの判断となる。
なお、図6における「DA値保持」とは、現在カウンタ13aにセットされているDA値をそのまま保持することをいう。
ここで、選択信号がDA値1実現論理回路33−1に送られてきたときは、「DA1」がカウンタ13aにセットされ、選択信号がDA値2実現論理回路33−2に送られてきたときは、「DA2」がカウンタ13aにセットされ、選択信号がDA値3実現論理回路33−3に送られてきたときは、「DA3」がカウンタ13aにセットされる。そして、選択信号がDA値N実現論理回路33−nに送られてきたときは、「DA N」がカウンタ13aにセットされる。
図7は、ロックした場合のサイクルスリップ検出回路の各波形、図8は、遅延量が短くなる方向にサイクルスリップが起こった場合のサイクルスリップ検出回路の各波形、図9は、遅延量が長くなる方向にサイクルスリップが起こった場合のサイクルスリップ検出回路の各波形を示す。
DLLロック時とは、遅延回路11の出力信号Bが基準信号Aに比べてちょうど1サイクル遅れている状態をいう。なお、基準信号Aは、遅延回路11の入力信号(図1に示したDLL10−1のA点の信号)である。また、出力信号Bは、遅延回路11の出力信号(図1に示したDLL10−1のB点の信号)である。
同図では、coarseカウンタ13bの値が最大値又は最小値になるまでサイクルスリップした状態となるので位相は一致しない(同図(i),(ii))。このとき、論理回路21の出力信号は、細いパルス幅のグリッジを有する「H」レベルの信号が出力される(同図(iii))。これにより、順序回路22の出力信号は、「H」レベルが出力される(同図(iv))。
同図に示した場合と図8に示した場合とを比較すると、基準信号Aに対する遅延回路出力Bの位相差が大きく異なるという点で相違するものの、遅延回路11の出力信号Bにサイクルスリップが起こっている点では共通する。このため、図9に示した場合においても、coarseカウンタ13bの値が最大値又は最小値になるまでサイクルスリップした状態となるので位相は一致しない(同図(i),(ii))。このとき、論理回路21の出力信号は、細いパルス幅のグリッジを有する「H」レベルの信号が出力される(同図(iii))。これにより、順序回路22の出力信号は、「H」レベルが出力される(同図(iv))。
これにより、カウント制御手段30では、そのサイクルスリップ検出回路20から出力されたサイクルスリップ検出信号にもとづき、カウンタ13bにカウントの初期設定値を切り替えさせることができる。
前提として、カウンタの初期設定値(DA値)については、CMOSのいかなるプロセスにおいても、どれか一つのDA値でDLLが必ずロックできるように、二つ以上のDA値が用意されている(このDA値は、シミュレーションで決める)。
ここで、ロックするまでの状態が順序回路22に残っているため、順序回路22のリセットが行われ(ステップ12)、WAIT TIME経過後、順序回路22の出力が読み込まれる(ステップ13)。
判定の結果、サイクルスリップ検出信号が「H」を示しているとき、すなわちサイクルスリップが起こっていることを示しているときは、DA値が切り替えられ(カウンタ設定値の切り替え、ステップ15)、この切り替えられたDA値においてステップ11〜ステップ15の動作が実行される。
一方、サイクルスリップ検出信号が「L」を示しているとき、すなわちサイクルスリップが起こっていないことを示しているときは、DLLのロックが完了する(ステップ16)。
まず、DA値は、二つ以上用意される(同図においては、DA1,DA2,DA3の三つ)。これは、CMOSのいかなるプロセスにおいても、どれか一つのDA値でDLLが必ずロックできるようにするためであり、設計時(シミュレーション時)に定められる。
この場合、DA1をカウンタ13bに設定したときは、プロセスfastはロックするが、プロセスtypとプロセスslowはロックしない。
また、DA2をカウンタ13bに設定したときは、プロセスfastとプロセスtypはロックするが、プロセスslowはロックしない。
さらに、DA3をカウンタ13bに設定したときは、プロセスtypとプロセスslowはロックするが、プロセスfastはロックしない。
そして、サイクルスリップが検出されると、DA1→DA2→DA3のようにDA値の切り替えを行う。
これにより、CMOSのいかなるプロセスにおいても、どれか一つのDA値でDLLが必ずロックできるようになる。
次に、本発明の遅延ロックループ回路の第二の実施形態について、図12を参照して説明する。
同図は、本実施形態の遅延ロックループ回路の構成を示すブロック図である。
本実施形態は、第一実施形態と比較して、サイクルスリップ検出回路の構成が相違する。すなわち、第一実施形態では、論理回路と順序回路とを備えた構成としたのに対し、本実施形態では、カウンタの最大値あるいは最小値を検出してカウンタ制御を行う最大値/最小値検出回路を備えた構成としている。他の構成要素は第一実施形態と同様である。
したがって、図12において、図1と同様の構成部分については同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
また、カウント制御手段30についても、遅延ロックループ回路の第一実施形態におけるカウント制御手段30と同様の機能を有しているため、詳細な説明は省略する。
判定の結果、カウント値が最大値又は最小値であるときは、出力信号がサイクルスリップを起こしているものと判定される。この場合は、カウント制御手段30でカウンタ13bに対しDA値の切り替え制御が行われる。
一方、カウント値が最大値又は最小値でないときは、出力信号がサイクルスリップを起こしていないものと判定される。この場合は、ロック可能な状態であるため、DA値の切り替えは行われない。
なお、前提として、第一実施形態と同様に、カウンタの初期設定値(DA値)については、CMOSのいかなるプロセスにおいても、どれか一つのDA値でDLLが必ずロックできるように、二つ以上のDA値が用意されている(このDA値は、シミュレーションで決める)。
判定の結果、最大値又は最小値を示しているときは、サイクルスリップが起こっているものとされて、DA値が切り替えられ(ステップ24)、この切り替えられたDA値においてステップ21〜ステップ23の動作が実行される。
一方、最大値又は最小値を示していないときは、サイクルスリップが起こっておらず、DLLのロックが完了する(ステップ25)。
次に、本実施形態のタイミング発生器及びそれを備えた半導体試験装置について、図14を参照して説明する。
同図に示すように、本実施形態の半導体試験装置40は、タイミング発生器41と、パターン発生器42と、波形整形器43と、論理比較回路44とを備えて構成されている。
このタイミング発生器41の具体的な回路構成を図15に示す。
同図に示すように、タイミング発生器41のDLL41−1は、上述した本発明のDLL(例えば、図1に示すDLL10−1、図12に示すDLL10−2など)と同じ構成を有しており、複数段の論理ゲートを直列に接続した可変遅延回路を含んでいる。ただし、図1における入力信号(入力クロック)は、本実施形態の基準クロック信号に相当する。
遅延選択部41−2は、いずれかのインバータの出力を選択して遅延信号として出力する。さらに、図15に示す例では、250ps以下の遅延時間を生じさせる遅延素子41−3を備えている。
次に、本実施形態の半導体集積回路について、図16を参照して説明する。
本実施形態の半導体集積回路50は、同図に示すように、例えば、四つの遅延ロックループ回路(DLL)51−1〜51−4と、各DLL51−1〜51−4へ低周波数の基準クロック信号を分配する配線52とを備えている。
各DLL51−1〜51−4の構成は、上述した本発明のDLL(例えば、図1に示すDLL10−1、図12に示すDLL10−2など)の構成と同一である。
また、基準クロック信号のスキューは、事実上、基準クロックの入力端子53から各DLL51−1〜51−4までの配線52の伝送時間により主に発生することになる。このため、本実施形態では、基準クロックの入力端子52から各DLL51−1〜51−4までの配線長を等しくしている。
しかも、遠距離のCLK伝送を低周波で行い、ローカル部分でDLLを用いて逓倍するため、伝送部分の回路規模・消費電力を削減することができる。しかも、全体のバッファ段数が少なくてすむため、スキューも小さくすることができる。
例えば、図17に示すように、コントロール回路17を備えない遅延ロックループ回路10−3においても、サイクルスリップ検出回路20やカウント制御手段30を備えて、サイクルスリップを自動的に検出し、遅延回路の校正を迅速に行うことができる。
例えば、最大カウント値1000のカウンタで、「0」,「500」,「1000」と値をロードでき、いかなるプロセス等のばらつきでもロック可能なカウント値(1〜1000の間)を有し、これらの3つのカウント値の中で、少なくとも1つの設定において、サイクルスリップしないという条件を備えれば動作可能となる。
11 遅延回路
12a、12b 位相比較器
13a、13b カウンタ
14a、14b DAコンバータ(DAC)
15 加算部
16 バイアス回路
17 コントロール回路
20−1 サイクルスリップ検出回路
21 論理回路
21−1 排他的論理和回路(第一論理回路)
21−2 第二論理回路
22 順序回路
22−1 S−Rラッチ回路
22−2 D−フリップフロップ回路
22−3 D−ラッチ回路
20−2 最大値/最小値検出回路
30 カウント制御手段
31 シーケンサ/カウンタ
32 デコーダ
33−1〜33−n DA値(1〜N)実現論理回路
34 論理回路
35 リセット信号生成論理回路
40 半導体試験装置
41 タイミング発生器
41−1 DLL
50 半導体集積回路
51−1〜51−4 DLL
Claims (8)
- 同一の遅延量を有する複数の遅延素子を縦続接続するとともに、入力信号に所定の遅延量を与えて、これを出力信号として出力する遅延回路と、
前記入力信号と前記出力信号との位相差にもとづく位相信号を出力する位相比較器と、
この位相比較器から前記位相信号を入力し、制御信号を出力するカウンタと、
このカウンタから前記制御信号を入力し、遅延時間信号を出力する遅延時間取得部とを備えた遅延ロックループ回路であって、
前記出力信号がサイクルスリップを起こしているか否かを検出するサイクルスリップ検出回路と、
前記サイクルスリップを起こしていることが検出されると前記カウンタのカウント値を制御するカウント制御手段とを備え、
前記サイクルスリップ検出回路が、
前記入力信号と前記出力信号とを入力し、それら入力信号と出力信号との位相が一致しているか否かを示す位相差検出信号を出力する論理回路と、
この論理回路からの前記位相差検出信号にもとづき、前記出力信号がサイクルスリップを起こしているか否かを示すサイクルスリップ検出信号を出力する順序回路とを有した
ことを特徴とする遅延ロックループ回路。 - 前記論理回路が、
論理積回路とこの論理積回路の一方の入力信号を否定する否定回路とを組み合わせた回路、又は排他的論理和回路を有した
ことを特徴とする請求項1記載の遅延ロックループ回路。 - 前記順序回路が、
S−Rラッチ回路、Dフリップフロップ回路、D−ラッチ回路のうちの一つ以上を含む
ことを特徴とする請求項1又は2記載の遅延ロックループ回路。 - 前記遅延時間取得部が、異なる分解能で複数備えられ、
前記カウンタが、前記複数の遅延時間取得部にそれぞれ対応して複数備えられ、
前記カウント制御手段が、粗い分解能の遅延時間取得部に対応して備えられたカウンタにおけるカウント値を制御する
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の遅延ロックループ回路。 - 同一の遅延量を有する複数の遅延素子が縦続接続された遅延回路を含む遅延ロックループ回路と、
いずれかの遅延素子の出力を選択し、これを遅延信号として出力する遅延選択部とを備えたタイミング発生器であって、
前記遅延ロックループ回路が、請求項1〜請求項4のいずれかに記載の遅延ロックループ回路からなる
ことを特徴とするタイミング発生器。 - 基準クロック信号を所定時間遅延した遅延クロック信号を出力するタイミング発生器と、
前記基準クロック信号に同期して試験パターン信号を出力するパターン発生器と、
前記試験パターン信号を被試験デバイスに応じて整形し、当該被試験デバイスへ送る波形整形器と、
前記被試験デバイスの応答出力信号と期待値データ信号とを比較する論理比較器とを備えた半導体試験装置であって、
前記タイミング発生器が、請求項5記載のタイミング発生器からなる
ことを特徴とする半導体試験装置。 - 発振周波数が互いに等しい複数の遅延ロックループ回路と、
各遅延ロックループ回路へ、前記発振周波数よりも低周波数の基準クロック信号を分配する配線とを備えた半導体集積回路であって、
前記遅延ロックループ回路が、請求項1〜請求項4のいずれかに記載の遅延ロックループ回路からなる
ことを特徴とする半導体集積回路。 - 遅延ロックループ回路の遅延回路が出力信号に与えた遅延量を校正する遅延量校正方法であって、
カウンタにおける複数の初期設定値のうちの一つの初期設定値をロードし、
前記出力信号の遅延量が前記遅延回路の入力信号に対する所定の遅延量となるようにロックモードを実行し、
前記サイクルスリップ検出回路でサイクルスリップが検出されると、他の初期設定値をロードして前記ロックモードを実行し、
前記サイクルスリップ検出回路でサイクルスリップが検出されなくなると、前記出力信号の遅延量がロックされて終了する
ことを特徴とする遅延量校正方法。
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