JP5298953B2 - ディザ処理型クロック発生器 - Google Patents

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本発明は、クロック信号の周波数拡散を行うスペクトラム拡散クロック発生器に関し、特に周波数ピークを低減するディザ処理型のクロック発生器に関する。
LSIの動作周波数は、急速に向上しており、クロック信号やデータバスから発生するEMIノイズが一段とクローズアップされている。従来のEMI対策部品(EMIフィルタ、フェライト・ビーズなど)に比べて、高周波の雑音にも効果がありかつ容易に組み込むことができるEMI抑制手段として注目されているのがスペクトラム拡散クロック発生器(SSCG Spread Spectrum Clock Generator)である。これは、クロック信号に周波数変調をかけることによりピークの低減効果がある非常に効果的な手法である。図1(a)は、LSIのクロック発生器で発生されたクロック信号を示しており、周波数fにピークが生じている。図1(b)は、SSCGによりスペクトラム拡散されたクロック信号を示しており、周波数fをf、fに拡散することでピークが低減されている。このようなSSCGは、例えば特許文献1や特許文献2に開示されている。
特開2007−251371号 特開2007−6121号
従来のSSCGの回路方式として、PLLを使用した位相制御により周波数変調を行うものがある。図2は、PLLを使用したスペクトラム拡散クロック発生器の構成を示すブロック図である。クロック発生器10は、位相比較器20、チャージポンプ22、ループフィルタ24、多相電圧制御発振回路(VCO)26、および位相補間および選択回路28を含んでいる。
位相比較器20は、基準クロック信号RFCKとフィードバックされた帰還クロック信号FBCKの位相差を検出し、チャージポンプ22は、この位相差に応じた電荷量を出力する。ループフィルタ24は、入力した電荷量を平均化した電圧に変換し、多相VCO(電圧制御発振器)26は、入力電圧に応じた周波数の多相クロック信号を生成する。位相補間回路28は、多相VCO26から出力されるクロック信号の位相のうち隣合う2つの位相をさらに分割し、これにより、360°の分割した位相をアナログ回路で生成する。一方、位相選択回路28は、加速度的に一定の間隔で加減速しながら分割した位相のうち1つの位相を1周期毎に選択して位相比較器20に帰還クロック信号FBCLKを帰還させる。これにより、PLLのループとしては、“RFCLK=FBCLK”になるように帰還制御するため、位相選択回路28で意図的に位相を選択することで、位相差に追従し補正する働きをする。その結果、出力クロックCKOUTは、位相選択回路28で選択された位相シフト量をもとに変化するため周波数変調がかかった出力クロックCKOUTが生成される。
しかしならが、従来の位相制御型のクロック発生器では、多相VCO26と位相補間回路28で生成した位相分割数により位相分解能が決まってしまう。すなわち、位相分解能(θ)は、図3に示すように、1/(多相VCOの位相×位相補間器の位相)[%]で決定される。
図4(a)は、クロック信号の周波数を−2θから+2θで周波数変調したときの周波数変調波形を示している。位相分解能(θ)が低いと、周波数変調波形に示すように各位相ステップ(*θ)毎に周波数が停滞するため、結果として図4(b)の周波数スペクトラムに示すように、各位相ステップ毎(−2θ、−1θ、0、+1θ、+2θ)にピークが発生してしまい、周波数のピーク低減効果を十分に得ることができない。他方、位相分解能を高くする手段として、位相分割数を増やすことが考えられるが、アナログ回路で設計された多相VCOと位相補間器は非常に設計が困難であり、またLSIの占有面積の増加が懸念される。
本発明は、上記従来の課題を解決し、位相分解能を高くし周波数スペクトラムのピークを低減したクロック発生器を提供することを目的とする。
本発明に係るスペクトラム拡散クロック発生器であって、基準クロック信号と帰還クロック信号の位相差に基づき多相のクロック信号を生成し、位相が隣り合う2つのクロック信号を出力する多相クロック発生手段と、周波数変調するための位相ステップが段階的に変化する変調波形データを記憶する変調波形データ記憶手段と、前記変調波形データの各位相ステップの位相を補正する位相補正データを出力する補正手段と、前記位相補正データおよび変調波形データに基づき前記2つのクロック信号間の位相を補間し、補間されたクロック信号を生成し、補間されたクロック信号を前記多相クロック発生手段に供給する位相補間手段とを有する。
好ましくは前記補正手段は、パルス幅が変調されたディザステップ信号を出力する。好ましくは、ディザステップ信号は、前記変調波形データの位相ステップが増加する方向に向かうとき、ハイ区間に対するロー区間の比率が小さくなり、前記変調波形データのステップが減少する方向に向かうとき、ハイ区間に対するロー区間の比率が大きくなる。好ましくは、前記位相補間手段は、変調波形データ記憶手段から読み出された変調波形データと前記補正手段から出力された位相補正データを加算する加算手段と、加算されたデータを積算する積算手段とを有し、積算されたデータに基づき位相補間を行う。
好ましくは前記多相クロック手段は、多相クロック信号を生成するリングオシレータと、リングオシレータから出力された多相クロック信号の中から位相が隣り合う2つのクロック信号を選択するマルチプレクサとを有する。好ましくは前記多相クロック手段は、基準クロック信号と帰還クロック信号の位相差を検出する位相検出器と、検出された位相差に応じた電流を出力するチャージポンプと、チャージポンプからの電流に応じた電圧を出力するループフィルタとを有する。また、前記多相クロック手段は、多相遅延型DLLを含むものであってもよい。好ましくは、上記のクロック発生器は、半導体集積回路に集積される。
本発明によれば、従来のスペクトラムクロック発生器と比較して、周波数変調されたクロック信号のピークを低減することができる。
図1(a)は、周波数変調されていないときの周波数スペクトラムを示し、図1(b)は、周波数変調されたときの周波数スペクトラムを示す図である。 従来の周波数変換回路の構成を示すブロック図である。 多相VCOと位相補間器から生成した位相の関係を示す図である。 図4(a)は周波数変調波形を示し、図4(b)は周波数スペクトラムを示す図である。 本発明の第1の実施例に係るスペクトラム拡散クロック発生器の構成を示すブロック図である。 図5に示す多相VCOの構成例を示す図である。 多相VCOから出力される多相クロックのタイミングチャートである。 図5に示す位相補間部の構成例を示す図である。 変調データ部に格納された変調波形データを示す図である。 ディザ処理部から出力されるディザステップ信号の例を示す図である。 ディザステップ信号が加算された変調波形データの例を示す図である。 第1の実施例における周波数変調波形および周波数スペクトラムを示す図である。 第1の実施例によるディザ処理と従来例の周波数スペクトラムを対比する図である。 本発明の第2の実施例に係るスペクトラム拡散クロック発生器の構成を示すブロック図である。 本発明の第3の実施例に係るディザ処理型クロック発生器の構成を示す図である。
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して詳細に説明する。
図5は、本発明の第1の実施例に係るスペクトラム拡散クロック発生器の構成を示すブロック図であり、図2に示す構成と同一のものについては同一参照番号を付してある。本実施例のクロック発生回路100は、位相比較器20、チャージポンプ22、ループフィルタ24、多相VCO26および位相補間及び選択回路110を備えている。
位相補間及び選択回路110は、多相VCO26から出力されるクロック信号のうち位相が隣合う2つのクロック信号間の位相を補間する位相補間部120、位相補間部120の位相補間を制御する位相選択部130、周波数変調に使用する1周期分の変調波形データを格納する変調データ部140、変調波形データの中間位相を補間するため時間軸上にパルス幅を可変したディザステップ信号を生成するディザ処理部150、変調波形データにディザステップ信号を加算する加算器160、ディザステップ信号が加算された変調波形データの積算する位相積算器170を有し、多相VCO26と位相補間部120で生成された360°の分割位相を時間軸上で加速度的に制御する。
図6(a)は、図5に示す多相VCOの構成例である。多相VCO26は、16段のインバータをリング状に接続したリングオシレータ26Aと、リングオシレータ26Aから出力される32位相のクロック信号を入力し位相が隣合う2つのクロック信号を出力するマルチプレクサ(MUX)26Bとを有する。
図7は、リングオシレータ26Aから出力される32相のクロック信号のタイミングチャートである。各インバータは、相補的な関係にある16組のクロック信号P00/N00、・・・P13/N13、P14/N14、P15/N15を生成する。16組のクロック信号の位相はT0シフトされる。例えば、クロック信号P14の立ち上がりエッジは、P15の立ち上がりエッジよりも位相がT0だけ遅れ、クロック信号N13の立ち上がりエッジは、クロック信号N14の立ち下がりエッジよりも位相がT0だけ遅れる。なお、リングオシレータ26Aによって生成される1つのクロック信号は、出力クロックCKOUTとなる。
図6(b)に示す円は、リングオシレータ26Aとマルチプレクサ26Bの動作を説明するものである。リングオシレータ26Aは、基準クロック信号RFCKと帰還クロック信号FBCKの位相差に応じて、1周期すなわち360°の間に32位相のクロック信号を生成する。そして、マルチプレクサ26Bは、後述する変調波形データの各ステップ幅において周波数変調の拡散に応じて32位相のクロック信号から2つのクロック信号FASTPとSLOWP、またはFASTNとSLOWNを順次選択する。FASTPとSLOWPは、位相が隣合う2つのクロック信号であり、同様に、FASTNとSLOWNは、位相が隣合う2つのクロック信号である。選択されたFASTPとSLOWP、またはFASTNとSLOWNは、位相補間部120へ出力される。
図8は、図5に示す位相補間器の構成例である。位相補間器120において、電流源V1に接続されたノードN1と電流源V2に接続されたノードN2との間には、スイッチSW1とそれに直列に接続されたNMOSトランジスタM1が接続され、トランジスタM1のゲートには、多相VCO26から出力されるクロック信号FASTPが接続される。電流源V3に接続されたノードN3とノードN2との間には、スイッチSW2とそれに直列に接続されたNMOSトランジスタM2が接続され、トランジスタM2のゲートには、多相VCO26から出力されるクロック信号FASTNが接続される。ノードN1と電流源V4に接続されたノードN4との間には、スイッチSW3とそれに直列に接続されたNMOSトランジスタM3が接続され、トランジスタM3のゲートには、多相VCO26から出力されるクロック信号SLOWPが接続される。ノードN3とノードN4との間には、スイッチSW4とそれに直列に接続されたNMOSトランジスタM4が接続され、トランジスタM4のゲートには、多相VCO26から出力されるクロック信号SLOWNが接続される。また、位相補間されたクロック信号OUTNは、ノードN1に接続され、クロック信号OUTPは、ノードN3に接続される。
スイッチSW1およびSW2は、例えばMOSトランジスタから構成され、そのゲートには、位相選択部130からの位相シフト制御信号SLが接続される。スイッチSW3およびSW4も同様に、例えばMOSトランジスタから構成され、そのゲートには、位相選択部130からの位相シフト制御信号SL_が接続される。位相シフト制御信号SLとSL_は、相補的な関係にある。
図6(b)に示すように、多相VCO26からクロック信号FASTPおよびSLOWPが入力されたとき、スイッチSW2およびSW4は、位相シフト制御信号SL、SL_によってオン、オフが制御され、位相差T0の範囲内において、位相が補間されたクロック信号OUTPが生成される。クロック信号OUTPは、クロック信号FASTPの立ち上がりエッジから位相がT1だけシフトされ、あるいはクロック信号SLOWPの立ち上がりエッジから位相がT2だけシフトされている。クロック信号OUTPの位相シフト量T1またはT2は、位相シフト制御信号SL、SL_によって決定される。
また、多相VCO26から位相が隣合う2つのクロック信号FASTNとSLOWNが入力されたとき、スイッチSW1およびSW3は、位相シフト制御信号SL、SL_によってオン、オフ制御され、位相差T0の範囲内において、位相が補間されたクロック信号OUTNが生成される。クロック信号OUTNは、立ち下がりエッジの位相を補間する。位相補間されたクロック信号OUTP、OUTNは、帰還クロック信号FBCKとして位相比較部20へ帰還される。
変調データ部140は、出力クロック信号CKOUTを周波数変調するための少なくとも1周期分の変調波形データを記憶する。変調データ部140は、好ましくは書き換え可能なメモリであり、変調波形データは、出力クロック信号CKOUTの周波数などに応じて書き換えることが可能である。図9は、変調データ部140に格納される変調波形データの例を示している。同図に示すように、変調波形データは、1周期を8つのステップ幅に分割し、各ステップ幅は、−2θから+2θの範囲で段階的に変化する。この変調波形データを用いることで、出力クロック信号CKOUTの周波数は、−2θから+2θの範囲で拡散することができる。なお、θは、位相分解能である。
ディザ処理部150は、変調波形データのステップ幅の段階的な変化を緩和または補正するためのディザステップ信号DSを生成する。ディザ処理部150は、ステップ幅に位相補間部120から出力される帰還クロック信号FBCKのパルス数がいくつあるかを演算する。仮に、演算結果が256パルスの場合、次にステップ幅を時間軸上に何分割できるか求め、分割された範囲内でL区間とH区間の比率が可変されるようなディザステップ信号DSを生成する。ディザステップ信号DSのパルス幅は、図9に示す変調波形データのステップ幅が増加する方向に向かうとき(例えば、1θから2θ)、その反対にステップ幅が減少する方向に向かうとき(例えば、2θから1θ)、その方向に応じたパルス幅の変化となる。
図10(a)、(b)は、ディザステップ信号DSの一例を示している。ディザ処理部150は、例えば、1ステップ幅内に帰還クロック信号FBCKのパルスが256個含まれるとき、ステップ幅を16分割することができ、図10(a)に示すように、“L区間”と“H区間”の比率が、16:0、15:1・・・2:14、1:15に変化するディザステップ信号DSを生成する。あるいはこれと反対に、図10(b)に示すように、“L区間”と“H区間”の比率が、1:15、2:14、・・・15:1、16:0に変化するディザステップ信号DSを生成する。なお、ディザ処理部150は、図10に示すようなディザステップ信号DSを予めメモリに記憶し、これを読み出す構成であってもよい。
加算器160は、変調データ部140から読み出された変調波形データにディザステップ信号DSを加算する。図11は、ディザステップ信号が変調波形データに加算された状態を示している。ディザステップ信号DSを加算することで、変調波形データのステップ間の変化が緩和される。上記したように、変調波形データのステップ幅が増加する方向に変化するとき、ディザステップ信号DSのH区間の比率が増加したパルス幅の変調となり、変調波形データのステップ幅が減少する方向に変化するとき、ディザステップ信号DSのH区間の比率が減少するパルス幅の変調となる。例えば、変調波形データが+1θのステップ幅が+2θに変化するとき、+1θのステップ幅に加算されるディザステップ信号DSは、図10(a)に示す信号となり、変調波形データ+2θのステップ幅から+1θに遷移するとき、加算されるディザステップ信号DSは、図10(b)に示す信号となる。
位相積算器170は、加算器160からの出力を積算し、位相選択部130は、積算された信号をデコードすることにより位相シフト制御信号SL、SL_を生成する。また、位相選択部130は、上記デコード結果に基づき、多相VCO26のマルチプレクサ26Bの選択動作のための選択信号を生成する。この位相シフト制御信号SL、SL_は、帰還クロック信号FBCLKに同期して生成される。生成された位相シフト制御信号SL、SL_は、位相補間部120のスイッチSW1ないしSW4に供給される。
位相補間部120は、例えば、変調波形データが+1θから+2θに向かう+1θのステップ幅において、位相シフト制御信号SL、SL_に基づきスイッチSW2、SW4のオン、オフを制御し、位相が隣り合う2つのクロック信号FASTPとSLOWPから立ち上がりエッジの位相が補間されたクロック信号OUTPを生成する。このとき、ディザステップ信号DSのパルス幅は、図10(a)に示すように徐々に大きくなるため、クロック信号OUTPの周波数は、+1θと+2θの間で変化しかつ+2θの周波数の割合が徐々に増加する。同様に、位相が隣合う2つのクロック信号FASTNとSLOWNから立ち下がりエッジの位相が補間されたクロック信号OUTNが生成され、上記と同様に、クロック信号OUTNの周波数は、+1θと+2θの間で変化しかつ+2θの周波数の割合が徐々に増加する。
また、変調波形データのステップ幅が+2θから+1θに向かう期間では、クロック信号OUTP、OUTNの周波数は、+2θと+1θの間で変化しかつ+1θの周波数の割合が徐々に増加する。従って、各ステップ幅において、周波数が停滞することなく変化される。
図12(a)は、本実施例によるディザ処理型クロック発生器による周波数変調波形を示し、図12(b)は、本実施例による周波数スペクトラムである。本実施例のようにディザステップ信号を用いることで、周波数変調波形は、実質的に連続的に変化する三角波形にすることができる。そして、同図(b)に示すように、各位相ステップ毎のピークが分散されるため、周波数スペクトラムのピークを大幅に低減させることができる。
本実施例では、変調波形データにディザステップ信号を加算することで、位相分解能(θ)に時間軸上の分割が加えられるため、結果として位相分解能(θ)=1/500(位相補間部の分解能)×1/16(ステップ幅分割数)=0.0125(%)となり、ディジタル回路により位相分解能を向上させることができる。
さらに、位相積算器にてディザステップ信号が加算された変調波形データを積算し、多相VCOと位相補間器で生成された位相を時間軸上で加速度的に制御させる。PLLは、位相のローパスフィルタとして考えることができるため帰還ループに入れることで、時定数により急激な位相変化はフィルタリングされるため非常に滑らかな周波数変調を掛けることが可能となる。
本実施例のクロック発生器は、変調波形ステップの停滞時間が長いほどディザ処理部の効果が作用する。そのため、ディザ処理した変調データで位相を制御することにより、従来の方式に比べて図13のように大幅にピーク値を低減することができる。
次に、本発明の第2の実施例について説明する。図14は、第2の実施例に係るクロック発生器100Aの構成を示す図である。第2の実施例のクロック発生器100Aは、PLLを用いる代わりに多相遅延型DLL200を有し、その他の構成は、第1の実施例と同様である。DLL200は、基準クロック信号RFCKと帰還クロック信号FBCKの位相差に応じた多相クロックを生成し、隣合う位相の2つのクロック信号を選択的に位相補間および選択部110へ出力する。
次に、本発明の第3の実施例について説明する。図15は、第3の実施例に係るクロック発生器100Bの構成を示す図である。第3の実施例のクロック発生器100Bは、入力クロック信号に応じてディザステップ信号を出力するディザ処理部300と、任意の波形データを記憶するデータ部310と、データ部310から読み出された波形データとディザステップ信号DSを加算する加算器320と、加算された信号をクロック信号に変換するデータコンバータ330と、データコンバータ330の出力に接続されたローパスフィルタ340とを含む。ローパスフィルタ340からは高精度な出力クロック信号CKOUTを得ることができる。このように本発明は、1次以上のフィルタ特性をもった回路にも適応することができる。
本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
上記実施例では、変調波形データに加算するディザステップ信号をパルス幅が変調された信号としたが、これに限らず、位相ステップ間の変化を緩和することが可能であれば、ディザステップは、どのような信号であってもよい。
上記したディザ処理型クロック発生器は、ロジック、A/Dコンバータ、メモリ等の他の集積回路とともに集積化され、あるいはモジュール化して利用することができる。
100、100A、100B:クロック発生器
110:位相補間及び選択回路
120:位相補間部
130:位相選択部
140:変調データ部
150:ディザ処理部
160:加算器
170:位相積算器

Claims (8)

  1. スペクトラム拡散クロック発生器であって、
    基準クロック信号と帰還クロック信号の位相差に基づき多相のクロック信号を生成し、位相が隣り合う2つのクロック信号を出力する多相クロック発生手段と、
    周波数変調するための位相ステップが段階的に変化する変調波形データを記憶する変調波形データ記憶手段と、
    前記変調波形データの各位相ステップの位相を補正する位相補正データを出力する補正手段と、
    前記位相補正データおよび変調波形データに基づき前記2つのクロック信号間の位相を補間し、補間されたクロック信号を生成し、補間されたクロック信号を前記多相クロック発生手段に供給する位相補間手段と、
    含む、クロック発生器。
  2. 請求項1に記載のクロック発生器であって、
    前記補正手段は、パルス幅が変調されたディザステップ信号を出力する、クロック発生器。
  3. 請求項2に記載のクロック発生器であって、
    前記ディザステップ信号は、前記変調波形データの位相ステップが増加する方向に向かうとき、ハイ区間に対するロー区間の比率が小さくなり、前記変調波形データのステップが減少する方向に向かうとき、ハイ区間に対するロー区間の比率が大きくなる、クロック発生器。
  4. 請求項1に記載のクロック発生器であって、
    前記位相補間手段、変調波形データ記憶手段から読み出された変調波形データと前記補正手段から出力された位相補正データを加算する加算手段と、加算されたデータを積算する積算手段とを有し、積算されたデータに基づき位相補間を行う、クロック発生器。
  5. 請求項1に記載のクロック発生器であって、
    前記多相クロック発生手段、多相クロック信号を生成するリングオシレータと、リングオシレータから出力された多相クロック信号の中から位相が隣り合う2つのクロック信号を選択するマルチプレクサとを有する、クロック発生器。
  6. 請求項1乃至5の何れかに記載のクロック発生器であって、
    前記多相クロック発生手段、基準クロック信号と帰還クロック信号の位相差を検出する位相検出器と、検出された位相差に応じた電流を出力するチャージポンプと、チャージポンプからの電流に応じた電圧を出力するループフィルタとを有する、クロック発生器。
  7. 請求項1乃至5の何れかに記載のクロック発生器であって、
    前記多相クロック発生手段、多相遅延型DLLを含む、クロック発生器。
  8. 請求項1乃至れか1つのクロック発生器を含む半導体集積回路。
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