JP5088134B2

JP5088134B2 - 信号測定装置

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Description

本発明は、例えば集積回路内に設けられる信号測定装置に関する。

近年、集積回路の高速化及び複雑化に伴い、チップ内のノイズやそのばらつき又はクロックのタイミングゆらぎ（ジッタ）などの原因で、動作不良を起こしたり動作帯域が低下したりするなどの問題が深刻になってきている。従来は、集積回路外部に信号を取り出し、その挙動を観測していた。しかし、集積回路の動作周波数は年々上昇しているものの、集積回路外部のボードやパッケージの動作周波数はその上昇速度に追い着いていない。そのため、集積回路外部に取り出す経路上のノイズの影響が無視できなくなり、集積回路内部の高速動作を集積回路外部で観測することが困難になってきている。そこで、チップ内部に測定回路を設け、内部動作を観測する手法の必要性が高まっている。

この種の測定回路は、例えば特開２０００−１１１５８７号公報に開示されている。従来の測定回路では、図１５に示すように、基準信号１４０６として信号値ｍ×Ｔｄ（ｍは整数、Ｔｄは分解能である。）を用い、その基準信号１４０６と被測定信号１４０７とを比較し、大小関係が逆転するｍを出力信号１４０１とする方法が用いられている。このとき、信号値ｍ×Ｔｄを生成する回路及び測定回路の構成に応じて、ｍの最小値及び最大値が決められる。

図１６に示すように、被測定信号１４０２の値がｍ×Ｔｄ＋Δａのときには出力信号１４０１としてｍが出力され、被測定信号１４０３の値が（ｍ＋１）×Ｔｄ＋Δｂのときにはｍ＋１が出力され、被測定信号１４０４の値がｍ×Ｔｄ＋Δｃのときにはｍが出力される。このように、Ｔｄ以下の間隔で比較ができないため、被測定信号１４０２〜１４０４と測定結果である出力信号１４０１との間には最大でＴｄに相当する誤差（量子化誤差）が生じることとなる。

測定回路の性能は、測定範囲（ｍの最小値及び最大値）や測定分解能（Ｔｄ）を向上させることで改善される。しかし、そのためには面積や消費電力を増大させる必要があるので、製造コストや分留まりの低下を引き起こしてしまう。

前述のノイズやそのばらつき又はクロックのタイミングゆらぎ（ジッタ）の測定に関しては、必要とされる測定範囲や測定分解能は集積回路ごとに異なる。更に、測定対象の測定に必要な範囲の予測が困難である場合や、その大きさが時間ごとに大きく異なる場合もある。したがって、従来の測定回路では、過剰に測定範囲が大きい若しくは分解能が細かい測定マクロを流用するか、集積回路ごとに測定回路を設計し直す必要があった。しかし、前者の方法では面積や消費電力が大きくなり、後者の方法では集積回路ごとに測定回路を設計するのに必要な時間がかかってしまうという問題があった。

一方、トランジスタばらつきや熱雑音などによる測定回路の誤差により、分解能が制限される場合もある。この対策としては、測定回数を増やす、又はトランジスタサイズを大きくするといった手法が知られている。しかし、測定対象の測定に必要な範囲や分解能の予測が集積回路設計段階で困難な場合や、その大きさが動作時に大きく異なる場合には、すべての最悪値を考慮した過剰設計が必要となるため、不必要な面積や電力が増大してしまう可能性がある。

このように従来技術では、前述したノイズやばらつき、クロックのタイミングゆらぎ（ジッタ）の測定に関して、必要とされる測定範囲や分解能は集積回路や動作状況ごとに異なるため、集積回路ごとに個別に測定回路を設計する必要がある、又は過剰設計による面積や電力のオーバヘッドが生じる、という問題があった。

そこで、本発明の主な目的は、測定回路の面積を最小限に抑制しつつ、必要な性能を実現する信号測定装置を提供することにある。本発明の他の目的は、測定範囲や分解能を設計後に動的に切り替える信号測定装置を提供することにある。

本発明に係る信号測定装置は、複数の測定回路を備え、測定回路は、基準信号を入力し、この基準信号のパラメータ値を基点とする等間隔のパラメータ値を有する複数の参照信号を生成する参照信号生成部と、被測定信号を入力し、この被測定信号と参照信号生成部から出力された複数の参照信号とを比較し、これらの比較の結果を出力する信号比較部とを備えることを特徴とする。

本発明に係る信号測定装置によれば、基準信号生成部及び信号比較部を有する測定回路の個数により、測定範囲、分解能、測定精度などの性能を必要に応じて調整することができる。したがって、性能を向上させるために無駄が生じないので、測定回路の占有面積を最小限に抑制しつつ、必要な性能を実現することができる。

図１は、本発明に係る実施例１の信号測定装置を示すブロック図である。図２は、本発明に係る実施例１の具体例１における小規模ノイズ測定回路を示す回路図である。図３は、本発明に係る実施例１の具体例１における小規模ノイズ測定回路の直列接続例を示す回路図である。図４は、本発明に係る実施例１の具体例２における小規模ノイズ測定回路の直列接続例を示す回路図である。図５は、本発明に係る実施例１の具体例２における小規模ノイズ測定回路の直列接続により発生可能な参照電圧を示した図である。図６は、本発明に係る実施例１の具体例３における小規模ノイズ測定回路の直列接続例を示す回路図である。図７は、本発明に係る実施例１の具体例４における小規模ノイズ測定回路の並列接続例を示す回路図である。図８は、本発明に係る実施例１の具体例５における小規模クロックジッタ測定回路を示す回路図である。図９は、本発明に係る実施例１の具体例５における小規模クロックジッタ測定回路の直列接続の第１の構成を示す回路図である。図１０は、本発明に係る実施例１の具体例５における小規模クロックジッタ測定回路の直列接続の第２の構成を示す回路図である。図１１は、本発明に係る実施例１の具体例５における小規模クロックジッタ測定回路の直列接続の第３の構成を示す回路図である。図１２は、本発明に係る実施例１の具体例６における小規模クロックジッタ測定回路の並列接続を示す回路図である。図１３は、本発明に係る実施例２の具体例７における小規模ノイズ測定回路の性能切替機能を示す回路図である。図１４は、本発明に係る実施例２の具体例８における小規模クロックジッタ測定回路の性能切替機能を示す回路図である。図１５は、従来の測定回路の構成を示すブロック図である。図１６は、従来の測定回路を用いた場合に発生する量子化誤差について説明する図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
実施例１は、ｎ個の測定回路を直列及び並列にすることにより、信号測定装置の高性能化を実現するものである。
図１は、本発明の信号測定装置の実施例１のブロック図である。信号測定装置１０１は、ｎ個の小規模測定回路１１１，１１２，…，１１ｍ，１２１，１２２，…，１２ｍ，…，１ｑ１，１ｑ２，…，１ｑｍで構成されている。ｍとｑは正の整数であり、ｎはｍとｑの積であり、２以上の整数である。

これらｎ個の小規模測定回路１１１〜１ｑｍは、ｍ個ずつｑ列に分かれて配設されている。各列の小規模測定回路１１１〜１１ｍ，１２１〜１２ｍ，１ｑ１〜１ｑｍはそれぞれ直列接続され、更に各列は並列接続されている。小規模測定回路１１１〜１ｑｍは、測定対象となる被測定信号Ａと、基準信号Ｂとをそれぞれ入力している。直列接続された小規模測定回路１１１〜１１ｍ（又は１２１〜１２ｍ，…，１ｑ１〜１ｑｍ）にパラメータの値がそれぞれ異なる基準信号Ｂを与えることにより、測定範囲又は測定分解能を高めることができる。また、各列にパラメータが同一の基準信号Ｂを与えることにより、トランジスタサイズに依存する雑音成分（ばらつき、熱雑音、フリッカノイズなど）を低減することができる。ここに基準信号Ｂのパラメータとしては電圧や位相などが挙げられる。直列接続及び並列接続を実現する回路の具体例をそれぞれ以下で説明する。

（具体例１）
具体例１は、複数の小規模ノイズ測定回路を直列接続し、小規模ノイズ測定回路のそれぞれに基準信号を直接与えることにより、測定範囲を拡張するものである。なお、測定範囲をＳ、分解能をＢ、トランジスタサイズに依存する雑音成分（ばらつき、熱雑音、フリッカノイズなど）をＺとする。

小規模ノイズ測定回路２００は、例えば図２に示すように、端子２０１，２０２と、参照電圧生成部（参照信号生成部）２０３と、電圧比較部（信号比較部）２０４とから構成されている。端子２０１には、外部から基準信号Ｂが与えられる。この基準信号Ｂの電圧が小規模ノイズ測定回路２００の測定範囲の下限に相当するため、基準信号Ｂの電圧を測定範囲下限電圧Ｖｍと呼ぶ。小規模ノイズ測定回路２００の測定範囲をＳとすると、端子２０２の電圧はＶｍ＋Ｓとなる。端子２０２の電圧は小規模ノイズ測定回路２００の測定範囲の上限に相当するため、測定範囲上限電圧と呼ぶ。

参照電圧生成部２０３は、端子２０１と端子２０２との間に接続されており、基準信号Ｂのパラメータ値、すなわち測定範囲下限電圧の値を基点とする等間隔の電圧値を有する複数の参照電圧を生成する。この例では、参照電圧生成部２０３は出力電圧がＳ／ＴであるＴ個（Ｔは整数）の電圧源が直列接続された構成をしており、各電圧源の負極側の電圧が参照電圧として取り出される。したがって、第１の参照電圧がＶｍ、第２の参照電圧がＶｍ＋Ｓ／Ｔ、…、第Ｔの参照電圧がＶｍ＋Ｓ×（Ｔ−１）×／Ｔとなる。ｋを０からＴ−１までの整数とすると、ｋ番目の参照電圧はＶｍ＋ｋ×Ｓ／Ｔとなる。なお、参照電圧生成部２０３は、各電圧源の正極側の電圧が参照電圧として取り出される構成としてもよい。

電圧比較部２０４は、被測定電圧２０７を入力し、この被測定電圧２０７と参照電圧生成部２０３から出力されたＴ個の参照電圧とを比較し、これらの比較の結果を参照電圧ごとに出力する。この例では、電圧比較部２０４は、参照電圧ごとに設けられたＴ個の電圧比較器２０５から構成されている。各電圧比較器２０５は、対応する参照電圧と被測定電圧２０７とを比較し、その結果を出力する。電圧比較部２０４は、被測定電圧２０７が参照電圧より“ハイレベル”であるという結果がＭ個の電圧比較器２０５から出力された場合に、被測定信号２０７の電圧レベルをＶｍ＋（Ｍ−１）×Ｓ／Ｔと推測できる。

ここで、図３を参照して、図２に示した小規模ノイズ測定回路２００をｎ個直列に並べた例について述べる。ｊ段目（ｊは整数）の小規模ノイズ測定回路に入力する基準電圧を、その前段に当たる（ｊ−１）段目の小規模ノイズ測定回路に入力される基準電圧に、（ｊ−１）段目の小規模ノイズ測定回路の参照信号生成部で生成される参照電圧の間隔と参照電圧の個数との積を加算又は減算した値に設定する。

具体的には、第１の小規模ノイズ測定回路３０１用の基準電圧をＶｓ、第２の小規模ノイズ測定回路３０２用の基準電圧をＶｓ＋Ｓ、第ｎの小規模ノイズ測定回路用の基準電圧をＶｓ＋（ｎ−１）×Ｓというように、それぞれ値をＳずつずらした電圧を小規模ノイズ測定回路の外部で電圧源３０９を用いて生成する。これらの基準電圧をそれぞれの小規模ノイズ測定回路に与えると、第１の小規模ノイズ測定回路３０１ではＶｓ，Ｖｓ＋Ｓ／Ｔ，…，Ｖｓ＋Ｓ×（Ｔ−１）／Ｔの参照電圧が生成され、第２の小規模ノイズ測定回路３０２ではＶｓ＋Ｓ，（Ｖｓ＋Ｓ）＋Ｓ／Ｔ，…，（Ｖｓ＋Ｓ）＋Ｓ×（Ｔ−１）／Ｔの参照電圧が生成され、第ｎの小規模ノイズ測定回路ではＶｓ＋（ｎ−１）×Ｓ，（Ｖｓ＋（ｎ−１）×Ｓ）＋Ｓ／Ｔ，…，（Ｖｓ＋（ｎ−１）×Ｓ）＋Ｓ×（Ｔ−１）／Ｔの参照電圧が生成される。第１の小規模ノイズ測定回路３０１の測定範囲はＶｓからＶｓ＋Ｓ×（Ｔ−１）／Ｔまで、第２の小規模ノイズ測定回路３０２の測定範囲はＶｓ＋Ｓから（Ｖｓ＋Ｓ）＋Ｓ×（Ｔ−１）／Ｔまで、第ｎの小規模ノイズ測定回路の測定範囲はＶｓ＋（ｎ−１）×Ｓから（Ｖｓ＋（ｎ−１）×Ｓ）＋Ｓ×（Ｔ−１）／Ｔまでとなる。そのため、信号測定装置全体でのノイズ測定範囲はＶｓから（Ｖｓ＋（ｎ−１）×Ｓ）＋Ｓ×（Ｔ−１）／Ｔまでに広がる。

なお、図３において、小規模ノイズ測定回路３０１の参照電圧生成部３０４はＴ個の電圧源１₁，…，１_T-1，１_Tから構成され、小規模ノイズ測定回路３０２の参照電圧生成部３０５はＴ個の電圧源２₁，…，２_T-1，２_Tから構成され、小規模ノイズ測定回路３０３の参照電圧生成部３０６はＴ個の電圧源３₁，…，３_T-1，３_Tから構成されている。

（具体例２）
具体例２は、複数の小規模ノイズ測定回路を直列接続し、小規模ノイズ測定回路のそれぞれに基準信号として外部電圧を与え、分解能を改善するものである。図４は、図２に示した小規模ノイズ測定回路２００をｎ個直列に並べた例である。

信号測定装置の分解能を向上させるためには、小規模ノイズ測定回路２００をｎ個用意し、ｊ段目の小規模ノイズ測定回路に入力する基準電圧を、その前段に当たる（ｊ−１）段目の小規模ノイズ測定回路に入力される基準電圧に、（ｊ−１）段目の小規模ノイズ測定回路の参照信号生成部で生成される参照電圧の間隔をｎで割った商を加算又は減算した値に設定する。具体的には、第１の小規模ノイズ測定回路４０１の基準電圧をＶｓ、第２の小規模ノイズ測定回路４０２の基準電圧をＶｓ＋（Ｓ／Ｔ）／ｎ、第ｎの小規模ノイズ測定回路の基準電圧をＶｓ＋（Ｓ／Ｔ）×（ｎ−１）／ｎと設定する。このように基準電圧を設定するために、電圧Ｓ／ｎＴの電圧源４０９が用いられる。

ｎ個の小規模ノイズ測定回路４０１，４０２，４０３…の参照電圧生成部４０４，４０５，４０６…で生成される参照電圧を並べると、図５に示すようになる。この図から、参照電圧が間隔Ｓ／（Ｔ×ｎ）でｎ個の参照電圧生成部４０１，４０２，４０３…のいずれかかから出力されていることがわかる。したがって、信号測定装置全体の参照電圧分解能はＳ／（Ｔ×ｎ）に低減されたことになる。

（具体例３）
具体例３は、複数の小規模ノイズ測定回路を直列接続し、前段の小規模ノイズ測定回路の測定範囲上限信号を後段の測定範囲下限信号として入力することにより、測定範囲を拡張するものである。図６は、図２に示した小規模ノイズ測定回路２００をｎ個直列に並べた例である。

第１の小規模ノイズ測定回路６０１の基準電圧、すなわち測定範囲下限電圧をＶｓとすると、第１の小規模ノイズ測定回路６０１の測定範囲上限電圧はＶｓ＋Ｓとなる。この測定範囲上限電圧Ｖｓ＋Ｓを第２の小規模ノイズ測定回路６０２の測定範囲下限電圧端子に接続し、第２の小規模ノイズ測定回路の測定範囲上限電圧Ｖｓ＋２×Ｓを第３の小規模ノイズ測定回路６０３の測定範囲下限電圧端子に接続する、ということを繰り返す。これにより、第１の小規模ノイズ測定回路６０１の測定範囲はＶｓからＶｓ＋Ｓ×（Ｔ−１）／Ｔまで、第２の小規模ノイズ測定回路６０２の測定範囲はＶｓ＋Ｓから（Ｖｓ＋Ｓ）＋Ｓ×（Ｔ−１）／Ｔまで、第ｎの小規模ノイズ測定回路の測定範囲はＶｓ＋（ｎ−１）×Ｓから（Ｖｓ＋（ｎ−１）×Ｓ）＋Ｓ×（Ｔ−１）／Ｔまでとなる。その結果、信号測定装置全体のノイズ測定範囲は、具体例１と同様に、Ｖｓから（Ｖｓ＋（ｎ−１）×Ｓ）＋Ｓ×（Ｔ−１）／Ｔまでに広がる。

この具体例３の特徴は、具体例１、２のように、小規模ノイズ測定回路の外部で基準電圧を生成する必要がなくなることにある。なお、図６において、小規模ノイズ測定回路６０１，６０２，６０３の参照電圧生成部６０４，６０５，６０６は具体例１の参照電圧生成部３０４，３０５，３０６と同一構成ものであり、参照電圧生成部６０４，６０５，６０６で生成される参照電圧も参照電圧生成部３０４，３０５，３０６で生成される参照電圧と同じである。

（具体例４）
具体例４は、複数の小規模ノイズ測定回路を並列接続したものである。図７は、図２に示した小規模ノイズ測定回路２００をｎ個並列に並べた例である。

ｎ個の小規模ノイズ測定回路７０１，７０２，７０３…にはすべて同一の基準電圧Ｖｓを入力し、各小規模ノイズ測定回路の参照電圧生成部７０４，７０５，７０６…により生成される参照電圧のレベルも同一にする。具体的には、参照電圧生成部７０４，７０５，７０６…の全てにおいて、Ｖｓ，Ｖｓ＋Ｓ／Ｔ，…，Ｖｓ＋Ｓ×（Ｔ−１）／Ｔの参照電圧が生成される。この場合、測定範囲及び分解能は不変であるが、同一信号をｎ個の小規模ノイズ測定回路７０１，７０２，７０３…で測定したｎ個の測定結果について、それらの平均値を取ることで、小規模ノイズ測定回路７０１，７０２，７０３…ごとの熱雑音やプロセスばらつき、電圧比較器２０５のオフセットなどトランジスタサイズに起因する雑音成分を１／√ｎに低減できる。

（具体例５）
具体例５は、小規模クロックジッタ測定回路を直列接続したものである。小規模クロックジッタ測定回路８００は、例えば図８に示すように、測定範囲下限信号端子８０１と、測定範囲上限信号端子８０２と、参照位相生成部（参照信号生成部）８０３と、位相比較部（信号比較部）８０４とから構成されている。測定範囲下限信号端子８０１には、基準クロックＡすなわち測定範囲下限位相Ｔｍが入力される。

参照位相生成部８０３は、端子８０１と端子８０２との間に接続されており、基準クロックＡのパラメータ値、すなわち測定範囲下限位相Ｔｍを基点とする等間隔の位相を有する複数の参照位相を生成する。この例では、参照位相生成部８０３は遅延時間がＳ／ＴであるＴ個の遅延素子が直列接続された構成をしており、各遅延素子の入力側の位相が参照位相として取り出される。したがって、第１の参照位相がＴｍ、第２の参照位相がＴｍ＋Ｓ／Ｔ、…、第Ｔの参照位相がＴｍ＋Ｓ×（Ｔ−１）×／Ｔとなる。ｋを０からＴ−１までの整数とすると、ｋ番目の参照位相はＴｍ＋ｋ×Ｓ／Ｔとなる。なお、参照位相生成部８０３は、各遅延素子の出力側の位相が参照位相として取り出される構成としてもよい。

位相比較部８０４は、被測定クロック８０７を入力し、この被測定クロック８０７と参照位相生成部８０３から出力されたＴ個の参照位相とを比較し、これらの比較の結果を参照位相ごとに出力する。この例では、位相比較部８０４は、参照位相ごとに設けられたＴ個の位相比較器８０５から構成されている。各位相比較器８０５は、対応する参照位相と被測定クロック８０７とを比較し、その結果を出力する。位相比較部８０４は、被測定クロック８０７が参照位相より“ハイレベル”であるという結果がＭ個の位相比較器８０５から出力された場合に、被測定クロック８０７の基準クロックＡに対する時間ずれ（ジッタ）を（Ｍ−１）×Ｓ／Ｔと推測できる。

上記測定回路８００の測定範囲又は分解能を拡張する技術としては、上記具体例１〜３と同様の構成を適応できる。

第１の構成は、図９に示すように、図８に示した小規模クロックジッタ測定回路８００をｎ個、及び遅延量がＳとなる遅延素子９０９をｎ−１個を用いることで実現できる。第１の小規模クロックジッタ測定回路９０１の測定範囲下限位相をＴｓとすると、第２の小規模クロックジッタ測定回路９０２の測定範囲下限位相は遅延素子９０９を介しているため、Ｔｓ＋Ｓになる。更に第ｋの小規模クロックジッタ測定回路の測定範囲下限位相をＴｓ＋（ｋ−１）×Ｓと、測定範囲下限位相をそれぞれＳずつずらした値に設定することにより、信号測定装置全体のジッタ測定範囲をＴｓから（Ｔｓ＋（ｎ−１）×Ｓ）＋Ｓ×（Ｔ−１）／Ｔまでに拡張可能である。

第２の構成は、図１０に示すように、図８に示した小規模クロックジッタ測定回路８００をｎ個用意し、第１の小規模クロックジッタ測定回路１００１の測定範囲下限位相をＴｓ、第２の小規模クロックジッタ測定回路１００２の測定範囲下限位相をＴｓ＋（Ｓ／Ｔ）／ｎ、第ｎの小規模クロックジッタ測定回路の測定範囲下限位相をＴｓ＋（Ｓ／Ｔ）×（ｎ−１）／ｎとなるように、遅延量がＳ／ｎＴであるｎ−１個の遅延素子１００９を用いる。これにより、ｎ個の参照位相生成部１００４，１００５，１００６…のいずれかから、参照位相が間隔Ｓ／（Ｔ×ｎ）で出力される。したがって、信号測定装置全体の位相分解能はＳ／（Ｔ×ｎ）に改善されたことになる。従来、遅延素子の遅延時間は有限であり、遅延素子の遅延時間Ｓを下げることによる分解能向上は困難であった。この方法の場合、ｎ個の小規模クロックジッタ測定回路１００１，１００２，１００３…はそれぞれの分解能、つまり参照位相生成部１００４，１００５，１００６…を構成する遅延素子の遅延時間がＳのままであっても、信号測定装置全体の分解能をＳ／ｎに向上できる、という特徴がある。

第３の構成として、図１１に示すように、図８に示した小規模クロックジッタ測定回路８００をｎ個用意する。第１の小規模クロックジッタ測定回路１１０１の測定範囲下限位相をＴｓとすると、第１の小規模クロックジッタ測定回路１１０１の測定範囲上限位相はＴｓ＋Ｓとなる。したがって、この測定範囲上限位相を第２の小規模クロックジッタ測定回路１１０２の測定範囲下限位相端子に接続し、第２の小規模クロックジッタ測定回路１１０２の測定範囲上限位相Ｔｓ＋２×Ｓを第３の小規模クロックジッタ測定回路１１０３の測定範囲下限位相端子に接続する、ということを繰り返す。これにより、第１の小規模クロックジッタ測定回路の１１０１測定範囲はＴｓからＴｓ＋Ｓ×（Ｔ−１）／Ｔまで、第２の小規模クロックジッタ測定回路１１０２の測定範囲はＴｓ＋Ｓから（Ｔｓ＋Ｓ）＋Ｓ×（Ｔ−１）／Ｔまで、第ｎの小規模クロックジッタ測定回路の測定範囲はＴｓ＋（ｎ−１）×Ｓから（Ｔｓ＋（ｎ−１）×Ｓ）＋Ｓ×（Ｔ−１）／Ｔまでとなる。そのため、信号測定装置全体のクロックジッタ測定範囲はＴｓから（Ｔｓ＋（ｎ−１）×Ｓ）＋Ｓ×（Ｔ−１）／Ｔまでに広がる。第３の構成の利点としては、上記第１及び第２の構成のように、小規模クロックジッタ測定回路の外部で測定範囲下限位相（基準クロック）を生成する必要がないということが挙げられる。

（具体例６）
具体例６は、小規模クロックジッタ測定回路を並列接続したものである。図１２は、図６に示した小規模クロックジッタ測定回路８００をｎ個並列に並べた例である。

ｎ個の小規模クロックジッタ測定回路１５０１，１５０２，１５０３…への入力信号の位相はすべてＴｓにし、各小規模クロックジッタ測定回路の参照位相生成部１５０４，１５０５，１５０６…により生成される参照位相のレベルも同一にする。この場合、測定範囲及び分解能は不変であるが、同一信号をｎ個の小規模クロックジッタ測定回路１５０１，１５０２，１５０３…で測定したｎ個の測定結果について、それらの平均値を取ることで、小規模クロックジッタ測定回路１５０１，１５０２，１５０３…ごとの熱雑音やプロセスばらつき、位相比較器のオフセットなどトランジスタサイズに起因する雑音成分を１／√ｎに低減できる。

（実施例２）
実施例２は、入力切り替え回路による測定回路の性能切り替えに関するものである。
実施例１におけるｎ個の小規模測定回路それぞれに入力切り替え回路を付加し、入力を適切に制御することにより、性能を静的又は動的に切り替えることが可能となる。

（具体例７）
具体例７は、小規模ノイズ測定回路の動的切り替えに関するものである。具体例７を図１３に示す。図１３に示すように、参照電圧切り替え回路１２０９は、小規模ノイズ測定回路１２０１，１２０２…のそれぞれに設けられ、電圧値がそれぞれ異なる複数の基準電圧の中からいずれかを選択して、対応する小規模ノイズ測定回路１２０１，１２０２…に供給する。基準電圧の選択は切替信号１２０３，１２０４，１２０５…にしたがって行われる。参照電圧切り替え回路１２０９は、スイッチによって接続を切り替えられるセレクタ構造にすることで、設計後においても上記動作を自由に切り替えることが可能である。

実施例１の具体例３のように、ノイズの測定範囲を広げるには、複数の小規模ノイズ測定回路の参照電圧生成部の動作範囲をＳずつずらした値に設定することで実現できる。つまり、第ｉ番目の小規模ノイズ測定回路１２０１の測定範囲上限電圧を、第ｉ＋１番目の小規模ノイズ測定回路１２０２の測定範囲下限電圧に接続するように参照電圧切り替え回路１２０９を制御することで、動作範囲を拡大することができる。一方、参照電圧切り替え回路１２０９を制御して、小規模ノイズ測定回路１２０１，１２０２…のすべてに同一の測定範囲下限電圧を与えることにより、小規模ノイズ測定回路１２０１，１２０２…ごとの熱雑音やプロセスばらつき、電圧比較器２０５のオフセットなどトランジスタサイズに起因する雑音成分を１／√ｎに低減できる。

（具体例８）
具体例８は、小規模クロックジッタ測定回路の動的切り替えに関するものである。具体例８を図１４に示す。図１４に示すように、参照位相切り替え回路１３０９は、小規模クロックジッタ測定回路１３０１，１３０２…のそれぞれに設けられ、位相がそれぞれ異なる複数の基準クロックの中からいずれかを選択して、対応する小規模クロックジッタ測定回路１３０１，１３０２…に供給する。基準クロックの選択は切替信号１３０３，１３０４，１３０５…にしたがって行われる。参照位相切り替え回路１３０９は、スイッチによって接続を切り替えられる構造にすることで、設計後においても上記動作を自由に切り替えることが可能である。

実施例１の具体例５のように、クロックジッタの測定範囲を広げるには、複数の小規模クロックジッタ測定回路１３０１，１３０２…の参照位相発生回路の動作範囲をＳずつずらした値に設定することで実現できる。つまり、第ｉ番目の小規模クロックジッタ測定回路１３０１の測定範囲上限位相を、第ｉ＋１番目の小規模クロックジッタ測定回路１３０２の測定範囲下限位相に接続するように参照位相切り替え回路１３０９を制御することで、動作範囲を拡大することができる。一方、参照位相切り替え回路１３０９を制御して、小規模クロックジッタ測定回路１３０１，１３０２…のすべてに同一の測定範囲下限位相を与えることにより、小規模クロックジッタ測定回路１３０１，１３０２…ごとの熱雑音やプロセスばらつき、電圧比較器８０５のオフセットなどトランジスタサイズに起因する雑音成分を１／√ｎに低減できる。

以上説明したように、本発明に係る信号測定装置は、複数の測定回路を備えている。これらの測定回路は、参照信号生成部と信号比較部とを有する。参照信号生成部は、基準信号を入力し、この基準信号のパラメータ値を基点とする等間隔のパラメータ値を有する複数の参照信号を生成する。信号比較部は、被測定信号を入力し、この被測定信号と参照信号生成部から出力された複数の参照信号とを比較し、これらの比較の結果を出力する。なお、信号比較部は、比較の結果を参照信号ごとに出力するものであってもよい。

本発明では、例えば、測定範囲を拡げたければその要求量に応じて測定回路の数を増やせばよく、分解能を向上させたければその要求量に応じて測定回路の数を増やせばよく、測定精度を向上させたければその要求量に応じて測定回路の数を増やせばよい。したがって、性能を向上させるために無駄が生じないので、測定回路の占有面積を最小限に抑制しつつ、必要な性能を実現することができる。なお、本発明では、複数の測定回路は一列に配設されてもよい。これには複数の測定回路が複数列に分かれて配設されるものも当然含まれる。

測定回路は、当該測定回路の前段に当たる他の測定回路に入力される基準信号のパラメータ値に、他の測定回路の参照信号生成部で生成される参照信号のパラメータ値の間隔と参照信号の個数との積を加算又は減算した値の基準信号を入力するようにしてもよい。この場合、隣接する二つの測定回路における基準信号のパラメータ値の差は、一個の測定回路の測定範囲になる。したがって、信号測定装置として、測定回路の個数分の測定範囲が得られる。

また、測定回路は、当該測定回路の前段に当たる他の測定回路で生成されたパラメータ値が最も大きい参照信号を基準信号として入力するようにしてもよい。この場合、基準信号のパラメータ値を設定する手段を新たに設ける必要がないので、構成を簡略化できる。

また、測定回路は、当該測定回路の前段に当たる他の測定回路に入力される基準信号のパラメータ値に、他の測定回路の参照信号生成部で生成される参照信号のパラメータ値の間隔をすべての測定回路の個数で割った商を加算又は減算した値の基準信号を入力するようにしてもよい。この場合、各測定回路において参照信号はパラメータ値が等間隔になるように生成されるものの、パラメータ値の基点が測定回路ごとに「パラメータ値の間隔を測定回路の個数で割った商」ずつずれている。したがって、分解能が測定回路の個数分だけ向上する。

また、すべての測定回路は、同一のパラメータ値を有する基準信号を入力するようにしてもよい。この場合、同じ測定範囲の複数の測定回路で一つの被測定信号を同時に測定することになるので、測定精度を測定回路の個数分だけ向上できる。

本発明は、パラメータ値がそれぞれ異なる複数の基準信号の中からいずれかを選択して測定回路に供給する切替回路を更に備えていてもよい。この切替回路は、例えば次の三つの基準信号のうち少なくとも二つの基準信号の中からいずれかを選択するようにしてもよい。第１の基準信号は、測定回路の前段に当たる他の測定回路に入力される基準信号のパラメータ値に、他の測定回路の参照信号生成部で生成される参照信号のパラメータ値の間隔と参照信号の個数との積を加算又は減算した値を有する信号である。第２の基準信号は、測定回路の前段に当たる他の測定回路に入力される基準信号のパラメータ値に、他の測定回路の参照信号生成部で生成される参照信号のパラメータ値の間隔をすべての測定回路の個数で割った商を加算又は減算した値の信号である。第３の基準信号は、すべての測定回路に供給される同一のパラメータ値を有する信号である。この場合、測定の都度、測定範囲、分解能、測定精度等の中から所望の性能を向上させることができる。

基準信号及び被測定信号のパラメータの例としては、電圧や位相が挙げられる。つまり、電圧や位相を測定対象とすることができる。位相は時間と言い換えてもよい。もちろん、本発明の測定対象は、これらに限定されるものではない。

なお、本発明に係る信号測定装置は、一般的には、半導体基板上に形成された集積回路からなる。

換言すると第１の発明は、測定範囲下限Ｖｍを決定する測定範囲下限信号が入力可能で、測定範囲の測定範囲上限を決定する測定範囲上限信号Ｖｍ＋Ｓ（Ｓは測定範囲）が出力可能な構成を有する複数の測定回路を有し各測定回路の測定範囲下限Ｖｍを適切に与えることで各測定回路の性能よりも高い性能を実現することを特徴とする。測定範囲又は分解能又はトランジスタサイズに依存する雑音成分（ばらつき、熱雑音、フリッカノイズなど）の性能が要求性能以下である小規模な測定回路を複数用い、測定性能に応じて小規模な測定回路の測定範囲下限を決定する信号を適切に決定することにより、測定回路の面積を最小限に抑制しつつ、必要な性能を実現することができる。

第２の発明では、各測定回路の測定範囲下限信号には、他の測定回路と同一の測定範囲下限信号を入力するか、外部より生成された測定範囲下限信号を入力するか、他の測定回路の測定範囲上限信号を入力するかを選択できる入力選択回路を付加し、静的又は動的に測定性能を切替できる回路を有することを特徴とする。測定性能に応じて小規模の測定回路を１つ又は複数の測定回路の入力を切り替える切り替え回路を用いて、測定対象の測定に必要な範囲や分解能を設計後に動的に切り替える。

また、本発明は、次のように構成することもできる。以下の本発明は、半導体基板上に形成された集積回路である。

第一の集積回路は、測定範囲下限を外部より設定可能な複数の測定回路で構成され、測定回路間で異なる測定範囲下限を設定する機能と、測定範囲下限が同一の測定回路を複数配置する機能を有することを特徴とする。

第二の集積回路は、第一の集積回路において、前記記載の測定回路のうちｎ個は、測定範囲下限を決定する測定範囲下限信号が入力可能な構成を有し、第ｋ番目（ｋは１〜Ｎ−１の整数）の測定回路の測定範囲がＳ（ｋ）、測定範囲下限の値がＶｓ（ｋ）であるとき、すべてのｋ（１〜Ｎ−１）に対し、第ｋ＋１番目の測定回路の測定範囲下限信号Ｖｓ（ｋ＋１）がＶｓ（ｋ）＋Ｓ（ｋ）以下の値になるように設定することで、測定範囲をＳ（Ｎ）＋Ｖｓ（Ｎ−１）−Ｖｓ（１）に拡張する機能を有することを特徴とする。

第三の集積回路は、第一の集積回路において、測定範囲（Ｓとする）及び測定分解能（Ｔｄとする）が同一であり、測定範囲下限を決定する測定範囲下限信号が入力可能なｎ個の測定回路で構成され、第ｋ番目（ｋは１〜Ｎの整数）の測定回路の測定範囲下限信号をＶｓ＋（ｋ−１）×Ｔｄ／ｎ（Ｖｓは測定範囲の下限値）に設定することで、測定範囲Ｓを有し、測定分解能をＴｄ／ｎに向上させる機能を有する。

第四の集積回路は、第一の集積回路において、測定範囲下限を決定する測定範囲下限信号が入力可能で、測定範囲上限を決定する測定範囲上限信号が出力可能な複数の測定回路で構成され、測定範囲Ｓ（ｉ）を有する第ｉ番目の測定回路の測定範囲上限信号を測定範囲Ｓ（ｉ＋１）を有する第ｉ＋１番目の測定回路の測定範囲下限信号に接続することで、測定範囲をＳ（ｉ）＋Ｓ（ｉ＋１）に向上させる機能を有する。

第五の集積回路は、第一乃至第四の集積回路のいずれかにおいて、前記測定回路のうちｎ個は、測定範囲が同一で、測定範囲下限を決定する測定範囲下限信号が入力可能な構成を有し、すべての測定範囲下限信号の値が同一になるように設定する機能を有することを特徴とする。

第六の集積回路は、第一乃至第五の集積回路のいずれかにおいて、前記測定回路は、必要とする性能に応じて、測定範囲下限信号に接続する信号を切り替え可能な手段を有し、測定範囲又は分解能又は第五の集積回路の並列動作させる測定回路数を切り替える機能を有することを特徴とする請求項１〜５いずれか記載の集積回路。

第七の集積回路は、第一乃至第六の集積回路のいずれかにおいて、前記測定回路は、電圧測定回路であり、電圧測定回路の測定範囲下限Ｖｍを入力する端子と、Ｓ／ｎ（ｎは整数）刻みの（ｎ＋１）種類の電圧（Ｖｍ＋（ｋ−１）×Ｓ／ｎ）（Ｓは測定回路の測定範囲、ｋは１〜Ｎ＋１の整数）を出力可能な参照電圧生成部と、ＶｍからＶｍ＋（ｎ−１）×Ｓ／ｎまでのｎ種類の電圧と被測定電圧との大小を比較するｎ個の電圧比較器と、電圧測定回路の測定範囲上限Ｖｍ＋Ｓ／ｎを出力する端子とで構成されることを特徴とする。

第八の集積回路は、第一乃至第六の集積回路のいずれかにおいて、前記測定回路は、クロックの位相差測定回路であり、位相差測定回路の測定範囲下限Ｔｍを入力する端子と、出力タイミングがＴｍからＴｍ＋ＳまでＳ／ｎ（ｎは整数）ずつ異なる（ｎ＋１）種類のクロックを出力可能な参照位相生成部と、ＴｍからＴｍ＋（ｎ−１）×Ｓ／ｎまでのｎ種類の位相と被測定クロックの位相とを比較するｎ個の位相比較器と、位相差測定回路の測定範囲上限Ｔｍ＋Ｓ／ｎを出力する端子とで構成されることを特徴とする。

第九の集積回路は、第一乃至第六又は第八の集積回路のいずれかにおいて、前記測定回路は、クロックの位相差測定回路であり、位相差測定回路の測定範囲下限Ｔｍを入力する端子と、出力タイミングがＴｍからＴｍ＋ＳまでＳ／ｎ（ｎは整数）ずつ異なる（ｎ＋１）種類のクロックを出力可能な参照位相生成部と、被測定クロックタイミングの測定範囲下限Ｔｓを入力する端子と、出力タイミングがＴｓからＴｓ＋（Ｓ＋ｎΔＴ）までＳ／ｎ＋ΔＴ（ｎは整数）ずつ異なる（ｎ＋１）種類のクロックを出力可能な被測定位相生成部と、参照位相生成部の第ｋ番目（ｋは１〜ｎの整数）の出力位相と被測定位相生成部の第ｋ番目の出力位相とを比較するｎ個の位相比較器と、参照位相生成部の生成範囲上限Ｔｍ＋Ｓ／ｎ及び被測定位相生成部の生成範囲上限Ｔｓ＋（Ｓ＋ｎΔＴ）を出力する端子とで構成されることを特徴とする。

本発明によれば、測定範囲や分解能など、必要とされる測定性能に応じて小規模の測定回路を複数用いることによって、測定回路の面積を最小限に抑えつつ、所望の性能を実現できるという効果がある。更に、測定性能に応じて複数の測定回路の入力を切り替える切り替え回路を用いることで、測定対象の測定に必要な範囲や分解能を設計後に動的に切り替えられるという効果がある。

Claims

複数の測定回路を備え、
前記測定回路は、
基準信号を入力し、この基準信号のパラメータ値を基点とする等間隔のパラメータ値を有する複数の参照信号を生成する参照信号生成部と、
被測定信号を入力し、この被測定信号と前記参照信号生成部から出力された複数の参照信号とを比較し、これらの比較の結果を出力する信号比較部と
を備え、
前記測定回路は、この測定回路の前段に当たる他の測定回路に入力される基準信号のパラメータ値に、前記他の測定回路の参照信号生成部で生成される参照信号のパラメータ値の間隔と参照信号の個数との積を加算又は減算した値の基準信号を入力し、または、この測定回路の前段に当たる他の測定回路に入力される基準信号のパラメータ値に、前記他の測定回路の参照信号生成部で生成される参照信号のパラメータ値の間隔をすべての測定回路の個数で割った商を加算又は減算した値の基準信号を入力する
ことを特徴とする信号測定装置。
前記信号比較部は、比較の結果を参照信号ごとに出力することを特徴とする請求項１記載の信号測定装置。
前記複数の測定回路は、一列に配設されていることを特徴とする請求項１記載の信号測定装置。
パラメータ値がそれぞれ異なる複数の基準信号の中からいずれかを選択して前記測定回路に供給する切替回路を更に備えることを特徴とする請求項１記載の信号測定装置。
前記切替回路は、前記測定回路の前段に当たる他の測定回路に入力される基準信号のパラメータ値に、前記他の測定回路の参照信号生成部で生成される参照信号のパラメータ値の間隔と参照信号の個数との積を加算又は減算した値の第１の基準信号と、前記他の測定回路に入力される基準信号のパラメータ値に、前記他の測定回路の参照信号生成部で生成される参照信号のパラメータ値の間隔をすべての測定回路の個数で割った商を加算又は減算した値の第２の基準信号と、すべての測定回路に供給される同一のパラメータ値を有する第３の基準信号のうち少なくとも二つの基準信号の中からいずれかを選択することを特徴とする請求項４記載の信号測定装置。
基準信号及び被測定信号のパラメータは電圧であることを特徴とする請求項１記載の信号測定装置。
基準信号及び被測定信号のパラメータは位相であることを特徴とする請求項１記載の信号測定装置。
半導体基板上に形成された集積回路からなることを特徴とする請求項１記載の信号測定装置。