JP5765006B2 - 位相同期装置および位相同期回路の周波数キャリブレーション方法、並びにプログラム - Google Patents

Description

本発明は、位相同期回路（ＰＬＬ）の出力周波数調整のデジタルアシスト機能を有する位相同期装置および位相同期回路の周波数キャリブレーション方法、並びにプログラムに関するものである。

昨今、半導体の微細化が進み、半導体製造工程である酸化工程・イオン注入工程・不純物拡散工程・堆積工程・フォトリソグラフィ工程・エッチング工程等の局所ばらつき・大域ばらつきが目立つようになっている。
これにより、不純物密度・実効チャネル長・実効チャネル幅・酸化膜圧・移動度等の物理特性がばらつき、トランジスタの電流特性であるI_DS-V_GS特性やI_DS-V_DS特性がばらつくことにより、アナログ回路特性のばらつきが目立つようになった。

ばらつきのあるアナログ回路特性を補償するための技術としてデジタルアシスト技術があり、このデジタルアシスト技術はアナログ回路特性を補償するために必須となっている。
デジタルアシスト技術の具体例としてＰＬＬの出力周波数調整のデジタルアシスト等が挙げられる。
これらのデジタルアシストには迅速かつ高精度で行われることが望まれる。
このデジタルアシストの実現方法として順次探索や二分探索等のアルゴリズムが用いられている。

順次探索による周波数キャリブレーションにおいて、最小の検索単位（精度）を１とし、範囲０〜２^Ｎまでを検索するとし、目的値をＡとする。
そして、端となる０（もしくは２^Ｎ）から検索値と目的値Ａとの大小関係を確認し、順番に検索値を大きく（小さく）し、目的値を超えるまで順番に検索を続ける。
検索値が目的値を超えた後、前回の検索値の場合と目的値を超えた検索値の場合とで、それぞれの検索値と目的値の差が、どちらが小さいかを判断し、目的値に近い検索値を採用する。
この検索方法により最小の検索単位である±０．５での精度での検索が可能となる。

バイナリ方式二分探索による周波数キャリブレーションでは、順次探索と比較し検索時間を短くすることを目的とする。
この場合も最小の検索単位を１とし、範囲０〜２^Ｎまでを検索したいとし、目的値をＡとする。
まず、検索範囲中央の値２^Ｎ−１と、目的値Ａとの大小関係を確認する。目的値Ａと中央値２^Ｎ−１の大小関係を確認後、目的値Ａの方が中央値２^Ｎ−１よりも大きければ、目的値Ａは２^Ｎ−１〜２^Ｎの範囲に、小さければ０〜２^Ｎ−１の範囲に含まれることとなる。
中央値と目的値の比較により一度の検索で、目的値の含まれない半分の要素を判別、無視することが可能となる。
次に、狭められた半分の範囲での中央値と目的値を比較し、目的値を検索する。
最小の検索単位１まで、同様の過程を続けることで検索精度１での検索が可能となる。このバイナリ方式二分探索での検索時間はＮとなり、順次探索の最大検索時間２^Ｎと比較し速い。

ところが、順次探索方法は、最小検索単位と検索時間が比例するため、最小検索単位を小さくすることによる検索の高精度化や、検索範囲の拡大に対し、検索時間が比例して大きくなる。
このため、ＰＬＬの出力周波数調整に必要な検索時間が長くなりやすく、また、量産時の機能確認等のコストアップにつながる。

バイナリ方式二分探索では、順次探索と比較し検索時間を短くすることが可能であるが、検索単位の実現をアナログ回路で行った場合、半導体製造工程のばらつきにより、理想の値の検索単位の実現は困難である。つまり、検索単位の大きさはばらつく。

順次探索・バイナリ方式二分探索ともに、最小検索単位ＬＳＢの検索精度を保つため、各検索単位のアナログばらつきは最小検索単位ＬＳＢ以下に抑えることが前提となる。
上記した順次探索の場合、端から順番に最小検索単位ごとに検索を行うため、検索の単調性が保たれる利点を持つ。
しかし、バイナリ方式二分探索の場合、端から順番に検索を行うのではなく、検索範囲をその中央値により二分し、目的値を含まない片側を無視するという方法をとる。
このため、各検索単位がばらついた場合、探索範囲の中央値を正確に二分することができず、検索できない領域が存在する可能性があり、検索精度に違いがでる。
検索に使用した検索単位側の検索範囲は検索できるが、残り半分の検索範囲を、実際には検索していないことが原因である。

本発明は、アナログ特性を容易な設計で高速なデジタルアシストが可能な位相同期装置および位相同期回路の周波数キャリブレーション方法、並びにプログラムを提供することにある。

本発明の第１の観点の位相同期装置は、発振出力信号と基準信号との位相比較情報に基づく電圧制御信号に応じた周波数で発振する電圧制御発振器を含む位相同期回路と、探索範囲においてあらかじめ設定される目的値と検索値とを比較して探索することにより、上記電圧制御発振器の周波数キャリブレーションを行うに当たり電圧制御発振器に適切なキャリブレーション電圧を与えるための電圧補正機能を有するデジタルアシストキャリブレーション回路と、を有し、上記デジタルアシストキャリブレーション回路は、探索範囲を所定の値から順番に検索値を変更して、検索値と上記目的値との大小関係を確認する順次探索と、探索範囲の検索値の中央値と上記目的値との大小関係を確認し、上記目的値が含まれる側の半分の検索範囲に対してのみ当該半分の検索範囲の検索値の中央値と上記目的値との大小関係を確認して、目的値を検索していく二分探索であって検索範囲を二分し、次の検索に進む際、以前に使用した最小検索単位を使用する二分探索と、を選択的に処理可能で、検索過程における最初の過程と最後の過程において上記二分探索を行い、残りの過程では上記順次探索を行い、上記二分検索において、上記目的値が上記検索値より大きい場合は、以前使用した最小検索単位と同じ最小検索単位と残りの領域の半分の最小検索単位を使用し、上記目的値が上記検索値より小さい場合は、以前使用した最小検索単位の半分の最小検索単位を使用する。

本発明の第２の観点の位相同期回路の周波数キャリブレーション方法は、発振出力信号と基準信号との位相比較情報に基づく電圧制御信号に応じた周波数で発振する電圧制御発振器を含む位相同期回路に対して、探索範囲においてあらかじめ設定される目的値と検索値とを比較して探索することにより、上記電圧制御発振器の周波数キャリブレーションを行うに当たり電圧制御発振器に適切なキャリブレーション電圧を与えるためのデジタルアシストキャリブレーションステップを有し、上記デジタルアシストキャリブレーションステップにおいて、探索範囲を所定の値から順番に検索値を変更して、検索値と上記目的値との大小関係を確認する順次探索と、探索範囲の検索値の中央値と上記目的値との大小関係を確認し、上記目的値が含まれる側の半分の検索範囲に対してのみ当該半分の検索範囲の検索値の中央値と上記目的値との大小関係を確認して、目的値を検索していく二分探索であって検索範囲を二分し、次の検索に進む際、以前に使用した最小検索単位を使用する二分探索と、を選択的に処理可能で、検索過程における最初の過程と最後の過程において上記二分探索を行い、残りの過程では上記順次探索を行い、上記二分検索において、上記目的値が上記検索値より大きい場合は、以前使用した最小検索単位と同じ最小検索単位と残りの領域の半分の最小検索単位を使用し、上記目的値が上記検索値より小さい場合は、以前使用した最小検索単位の半分の最小検索単位を使用する。

本発明の第３の観点は、発振出力信号と基準信号との位相比較情報に基づく電圧制御信号に応じた周波数で発振する電圧制御発振器を含む位相同期回路に対して、探索範囲においてあらかじめ設定される目的値と検索値とを比較して探索することにより、上記電圧制御発振器の周波数キャリブレーションを行うに当たり電圧制御発振器に適切なキャリブレーション電圧を与えるためのデジタルアシストキャリブレーション処理を有し、上記デジタルアシストキャリブレーション処理において、探索範囲を所定の値から順番に検索値を変更して、検索値と上記目的値との大小関係を確認する順次探索と、探索範囲の検索値の中央値と上記目的値との大小関係を確認し、上記目的値が含まれる側の半分の検索範囲に対してのみ当該半分の検索範囲の検索値の中央値と上記目的値との大小関係を確認して、目的値を検索していく二分探索であって検索範囲を二分し、次の検索に進む際、以前に使用した最小検索単位を使用する二分探索と、を選択的に処理可能で、検索過程における最初の過程と最後の過程において上記二分探索を行い、残りの過程では上記順次探索を行い、上記二分検索において、上記目的値が上記検索値より大きい場合は、以前使用した最小検索単位と同じ最小検索単位と残りの領域の半分の最小検索単位を使用し、上記目的値が上記検索値より小さい場合は、以前使用した最小検索単位の半分の最小検索単位を使用する位相同期回路の周波数キャリブレーション処理をコンピュータに実行させるプログラムである。

本発明によれば、アナログ特性を容易な設計で高速なデジタルアシストが可能となる。

本実施形態に係るデジタルアシスト機能を含む位相同期装置の構成例を示す図である。 順次探索の検索過程を模式的に示す図である。 順次検索のフローチャートである。 二分探索の検索過程を模式的に示す図である。 二分検索のフローチャートである。 面積効率を考慮したアナログ回路での検索単位の実現例を示す図である。 図６の表記を利用した順次探索の検索過程を模式的に示す図である。 バイナリ方式二分探索において検索単位がばらついた場合の検索結果例を示す図である。 順次探索において検索単位がばらついた場合の検索結果例を示す図である。 サーモメータコード方式二分探索の探索過程を模式的に示す図である。 本実施形態に係るハイブリッド方式の検索過程を模式的に示す図である。 本実施形態に係るハイブリッド方式のフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に関連付けて説明する。
なお、説明は以下の順序で行う。
１．位相同期装置の全体の構成例
２．順次探索による周波数キャリブレーション
３．バイナリ方式二分探索による周波数キャリブレーション
４．サーモメータコード方式二分探索による周波数キャリブレーション
５．本実施形態に係るハイブリッド方式の周波数キャリブレーション

＜１．位相同期装置の全体の構成例＞
図１は、本実施形態に係るデジタルアシスト機能を含む位相同期装置の構成例を示す図である。

本実施形態に係る位相同期装置１０は、位相同期回路（ＰＬＬ）２０、およびデジタルアシストキャリブレーション回路３０を含んで構成されている。

ＰＬＬ２０は、基準信号ＲＥＦに位相同期するように発振周波数が制御された信号を出力する。
ＰＬＬ２０は、位相比較器（ＰＦＤ）２１、チャージポンプ（ＣＰ）２２、ループフィルタ（ＬＰ）２３、および電圧制御発振器（ＶＣＯ）２４を含んで構成されている。

位相比較器２１は、電圧制御発振器２４の出力信号Ｓ２４と基準信号ＲＥＦとの位相差を示す位相比較情報Ｓ２１をチャージポンプ２２に出力する。
チャージポンプ２２は、位相比較器２１による位相比較情報を電流に変換する。
ループフィルタ２３は、チャージポンプ２２から電流を流し込み、電流情報を電圧情報に変換し、電圧情報を電圧制御信号Ｓ２３として電圧制御発振器２４に出力する。

電圧制御発振器２４は、電圧制御信号Ｓ２３の電圧情報に応じて発振周波数を変化させ、その周波数の信号Ｓ２４を出力する。
電圧制御発振器２４は、デジタルアシストキャリブレーション回路３０により周波数キャリブレーションを行うためのキャリブレーション電圧ＶＣＡＬが供給される。
なお、電圧制御発振器２４の出力信号Ｓ２４の位相比較器２１への帰還経路には、たとえば仕様に応じた分周器を配置することも可能である。

デジタルアシストキャリブレーション回路３０は、ＰＬＬ２０の電圧制御発振器２４の周波数キャリブレーションを行うに当たり電圧制御発振器に適切なキャリブレーション電圧を与えるための電圧補正機能を有する。

デジタルアシストキャリブレーション回路３０は、周波数カウンタ３１、第１の記憶回路３２、比較回路３３、二分探索回路３４、順次探索回路３５、第２の記憶回路３６、およびスイッチ回路３７，３８、およびシーケンス制御回路３９を有する。
そして、デジタルアシストキャリブレーション回路３０は、周波数ゲイン調整回路４０を含んで構成されている。

周波数カウンタ３１は、ＰＬＬ２０の電圧制御発振器２４の発振出力信号Ｓ２４の出力周波数をカウントする。
第１の記憶回路３２は、たとえば発振出力信号Ｓ２４の出力周波数の目的値Ａが設定され、その設定値を比較回路３３に供給する。

比較回路３３は、周波数カウンタ３１のカウント結果と出力周波数である目的値Ａと比較し、比較結果をスイッチ回路３７，３８、および順次探索回路３５の探索方向選択機能部３５１に出力する。

二分探索回路３４は、シーケンス制御回路３９の制御の下、スイッチ回路３７を介して供給される比較回路３３の比較結果に応じた二分探索処理を行い、処理結果を第２の記憶回路３６に出力する。

順次探索回路３５は、シーケンス制御回路３９の制御の下、探索方向選択機能部３５１で選択された探索方向で、スイッチ回路３８を介して供給される比較回路３３の比較結果に応じた二分探索処理を行い、処理結果を第２の記憶回路３６に出力する。

第２の記憶回路３６は、二分探索を行う二分探索回路３４の探索結果と順次探索を行う順次探索回路３５の探索結果を保持しておく。

スイッチ回路３７は、端子ａが比較回路３３の出力に接続され、端子ｂが二分探索回路３４の入力端子に接続され、シーケンス制御回路３９によりオンオフ制御される。スイッチ回路３７は、二分探索を行う探索過程における最初の過程と最後の過程のうち、少なくとも最初の過程と最後の過程のいずれかにおいてオン状態に制御される。

スイッチ回路３８は、端子ａが比較回路３３の出力に接続され、端子ｂが順次探索回路３５の入力端子に接続され、シーケンス制御回路３９によりオンオフ制御される。スイッチ回路３８は、二分探索を行う探索過程以外の過程にオン状態に制御される。

シーケンス制御回路３９は、二分探索を行う二分探索回路３４と順次探索を行う順次探索回路３５の使用するタイミングを決定し、スイッチ回路３７，３８、第２の記憶回路３６を制御する。

周波数ゲイン調整回路４０は、第２の記憶回路３６の保持データに従って、探索結果をＰＬＬ２０の電圧制御発振器２４にフィードバックするための発振周波数を変化させる調整信号Ｓ４０を電圧制御発振器２４に供給する。

本位相同期装置１０においては、順次探索と二分探索の双方を組み合わせ、順次探索の利点である探索の単調性と二分探索の利点である探索速度の高速化を活かしたＰＬＬの出力周波数調整のデジタルアシストキャリブレーション回路が構成されている。
本実施形態の位相同期装置１０は、順次探索と基本的な二分探索と後述するサーモメータコード方式二分探索のアルゴリズムの特徴を備えたハイブリッド方式としてデジタルアシストキャリブレーション回路３０が構成されている。
本実施形態におけるＰＬＬの出力周波数調整のデジタルアシストキャリブレーション方法は、アナログ回路設計コストを上げる検索単位の冗長性を持たせる必要なく、実現可能な規模に制限のない、検索時間を通常の順次探索よりも約２〜４倍速くなる方法である。 本実施形態においては、探索過程における最初の過程と最後の過程にのみ、二分探索を採用し、それ以外の検索過程を順次探索とする。

以下においては、まず、順次探索とバイナリ方式二分探索と後述するサーモメータコード方式二分探索のアルゴリズムの基本的な特徴を説明する。
そして、それに関連付けて本実施形態の探索過程における最初の過程と最後の過程にのみ、二分探索を採用し、それ以外の検索過程を順次探索とするハイブリッド方式について説明する。

＜２．順次探索による周波数キャリブレーション＞
まず、順次探索回路３５において行われる順次探索による周波数キャリブレーションについて、図２および図３に関連付けて説明する。
図２は、順次探索の検索過程を模式的に示す図である。
図３は、順次検索のフローチャートである。

最小の検索単位（精度）を１とし、範囲０〜２^Ｎまでを検索するとし、目的値をＡとする。
端となる０（もしくは２^Ｎ）から（ＳＴ１）検索値Ｂと目的値Ａとの大小関係を確認し（ＳＴ２）、順番に検索値を大きく（小さく）し（ＳＴ３）、目的値Ａを超えるまで順番に検索を続ける（ＳＴ１〜ＳＴ３）。
検索値Ｂが目的値Ａを超えた後（ＳＴ２）、前回の検索値の場合と目的値を超えた検索値の場合とで、それぞれの検索値と目的値の差が、どちらが小さいかを判断し、目的値に近い検索値Ｂを採用する（ＳＴ４）。
この検索方法により最小の検索単位である±０．５での精度での検索が可能となる。

具体例として、図２にＮ＝４，Ａ＝１１のときの順次探索の検索過程を、図３に順次探索実現のフローチャート一例を示している。
この順次探索方法では、端から順番に最小検索単位ごとに検索を行うため、検索の単調性が保たれるという利点を持つ。
１度の検索に時間１かかるとすると、検索に必要な時間は最大で２^Ｎとなり、最小検索単位と検索時間が比例する。

＜３．バイナリ方式二分探索による周波数キャリブレーション＞
次に、バイナリ方式二分探索による周波数キャリブレーションについて、図４および図５に関連付けて説明する。
図４は、二分探索の検索過程を模式的に示す図である。
図５は、二分検索のフローチャートである。
図６は、面積効率を考慮したアナログ回路での検索単位の実現例を示す図である。
図７は、図６の表記を利用した順次探索の検索過程を模式的に示す図である。

上記した順次探索では検索精度と検索時間が比例する。
バイナリ方式二分探索では順次探索と比較し検索時間を短くすることを目的とする。
最小の検索単位を１とし、範囲０〜２^Ｎまでを検索するとし、目的値をＡとする（ＳＴ１１）。
まず、検索範囲中央の値２^Ｎ−１と、目的値Ａとの大小関係を確認する（ＳＴ１２〜ＳＴ１３）。
目的値Ａと中央値２^Ｎ−１の大小関係を確認後、目的値Ａの方が中央値２^Ｎ−１よりも大きければ、目的値Ａは２^Ｎ−１〜２^Ｎの範囲に、小さければ０〜２^Ｎ−１の範囲に含まれることとなる。
中央値と目的値Ａの比較により一度の検索で、目的値の含まれない半分の要素を判別、無視することが可能となる。
次に、狭められた半分の範囲での中央値と目的値Ａを比較し（ＳＴ１２〜ＳＴ１５）、目的値を検索する。
最小の検索単位１まで、同様の過程を続けることで検索精度１での検索が可能となる（ＳＴ１６）。

このバイナリ方式二分探索での検索時間はＮとなり、順次探索の最大検索時間２^Ｎ と比較し速い。
具体例として、図４にＮ＝４，Ａ＝１１をバイナリ方式二分探索の検索過程を、図５にバイナリ方式二分探索実現のフローチャート一例を示している。
以下、図４について説明する。

Ｎ＝４となるため、検索範囲は２^Ｎ＝１６となる。最初の検索での中央値は２^Ｎ−１＝８となり、この値と目的値１１（Ａ）を比較する。
比較結果は検索値８＜目的値１１となり、目的値Ａが大きく、次の検索範囲は２^Ｎ−１〜２^Ｎまでの８〜１６に絞られる。
このときの中央値は２^Ｎ−１＋２^Ｎ−２＝１２となる。この値を検索値とし、目的値１１と比較して、二度目の検索を行う。
比較結果は検索値１２＞目的値１１である。目的値が小さく、次の検索範囲は２^Ｎ−１〜２^Ｎ−１＋２^Ｎ−２である８〜１２に絞られる。値８〜１２の中間値である２^Ｎ−１＋２^Ｎ−３＝１０を次の検索値とし、三度目の検索を行う。
検索値１０＜目的値１１となり、目的値Ａが大きい。次の検索範囲は２^Ｎ−１＋２^Ｎ−３〜２^Ｎ−１＋２^Ｎ−２の１０〜１２となる。
４度目の検索の中央値は２^Ｎ−１＋２^Ｎ−３＋２^Ｎ−４＝１１である。Ｎ＝４のため、この検索が最小検索単位での比較となる。検索値１１＝目的値１１となり、検索終了となる。

バイナリ方式二分探索の場合、図４での具体例のように、検索過程で使用する検索単位は２^Ｎ，２^Ｎ−１，…２^１，２^０の組み合わせであり、それぞれが準備できればよい。
このとき、２^０となる最小の検索単位をＬＳＢと呼び、２^Ｎ−１となる最大の検索単位をＭＳＢと呼ぶ。

このそれぞれの検索単位をアナログ回路で実現する場合、面積比例での実現が一般的である。半導体アナログ回路の面積はそのままコストに直結する。面積効率を考え、検索単位の配置は図６のような配置で実現することが多い。
この検索単位の使用は順次探索でも採用は可能であり、図２を書き改め、図７のように示すことが可能である。

［順次検索、二分探索の検索単位についての考察］
図８は、バイナリ方式二分探索において検索単位がばらついた場合の検索結果例を示す図である。
図９は、順次探索において検索単位がばらついた場合の検索結果例を示す図である。

検索単位の実現をアナログ回路で行った場合、半導体製造工程のばらつきにより、理想の値の検索単位の実現は困難である。つまり、検索単位の大きさはばらつく。
順次探索およびバイナリ方式二分探索ともに、最小検索単位ＬＳＢの検索精度を保つため、各検索単位のアナログばらつきは最小検索単位ＬＳＢ以下に抑えることが前提となる。
順次探索の場合、端から順番に最小検索単位ごとに検索を行うため、検索の単調性が保たれる利点を持つ。
これに対して、バイナリ方式二分探索の場合、端から順番に検索を行うのではなく、検索範囲をその中央値により二分し、目的値を含まない片側を無視するという方法をとる。
このため、バイナリ方式二分探索では、各検索単位がばらついた場合、探索範囲の中央値を正確に二分することができず、検索できない領域が存在する可能性があり、検索精度に違いがでる。
検索に使用した検索単位側の検索範囲は検索できるが、残り半分の検索範囲を、実際には検索していないことが原因である。

以下に、検索単位がばらついた場合の、バイナリ方式二分探索の検索結果・順次探索の検索結果の具体例を示し、説明する。ともにＮ＝４，Ａ＝８とし、ばらつきにより最大検索単位が＋σ、それ以外の検索単位が−σずれるとする。

バイナリ方式二分探索の場合の検索結果を図８に、順次探索の検索結果を図９に示している。
バイナリ方式二分探索の探索結果は、図８に示すように、｛２^０−σ+２^１−σ+２^２−σ｝となり、順次探索の探索結果は、図９に示すように、２^３+σとなる。
このとき、ばらつきσは最小検索単位ＬＳＢ以下であるという前提のため、順次探索では最小検索単位以下の精度での検索が可能であるが、二分探索では最小検索単位以下の精度での検索が不可能なことが分かる。

バイナリ方式二分探索ではこのような傾向にありその回避策が必要となる。
回避策として用いられる方法の１つは、各々の検索単位の冗長性の確保である。
図８のような現象を防ぐには各検索単位Ｘと、それ以下の検索単位の合計値Ｙを比較しＸ＜Ｙとすることができれば、検索しない領域をなくすことができるため、最小検索単位の精度での検索が可能となるという考え方である。
図８の例を適用した場合、Ｘ＝２^３＋σ，Ｙ＝２^２−σ＋２^１−σ＋２^０−σとなりＸ＜Ｙを満たすことができない。
よって、最小検索単位を固定したまま、検索範囲を固定したまま、Ｘ＜Ｙを満たすには各検索単位にスケーリング係数Ｚをかけ、検索範囲分割数を決めるＮを大きくする必要がある。
したがって、バイナリ方式二分探索は、上記設計のため、設計コストが上がる傾向にあり、また、各検索単位にスケーリング係数をかけ、２のべき乗での実現が困難な場合がある。このため、図６のような面積効率を考慮した配置が困難となる場合があり、さらに、検索範囲分割数Ｎが増えるため、検索時間が伸び、量産時の機能確認等が必要になる。
そこで、本実施形態では、次に説明するサーモメータコード方式二分探索による周波数キャリブレーション方法を採用すると良い。

＜４．サーモメータコード方式二分探索による周波数キャリブレーション＞
次に、サーモメータコード方式二分探索による周波数キャリブレーションについて説明する。
図１０は、サーモメータコード方式二分探索の探索過程を模式的に示す図である。

上述したように、バイナリ方式二分探索方法では冗長性確保のため、アナログ回路の低コストでの設計や小面積化が困難となる場合がある。
検索精度、検索時間を変えないまま、その点を改良した方法がこのサーモメータコード方式である。
バイナリ方式二分探索での冗長性を持たせる必要がある要因は次の通りである。
バイナリ方式二分探索では、検索単位が検索ごとに変わり、その検索単位で検索範囲を二分するが、アナログ特性のばらつきのため、正確に二分できないため、検索しない領域が発生することであり、順次比較のような線形性を保った検索ができない。
逆に、常に同じ検索単位を用いて検索を行うことができれば、線形性を確保することができ、冗長性を持つ必要はない。

面積効率を考えた図６の検索単位の使用方法を、図１０に示す検索単位の使用方法に変更することで、線形性を保つことが可能であり、冗長性を回避することが可能である。
図６の場合では各検索単位２^Ｎ，２^Ｎ−１，…２^０を１つにまとめて配置し使用した。
図１０ではこれを最小検索単位で分割し、その使用個数を制御することによって２^Ｎ，２^Ｎ−１，…２^０の検索単位を実現する。
その使用個数の制御を以下のように工夫することで検索しない領域の発生を防ぎ線形性を確保する。
二分探索により、検索範囲を二分し、次の検索に進む際、以前に使用した最小検索単位をそのまま用いるようにする。
つまり、二分探索により目的値Ａ＞検索値Ｂとなった場合には、以前使用したものと同じ最小検索単位と残りの領域の半分の最小検索単位を使用し、目的値＜検索値となった場合には、以前使用した最小検索単位の半分を使用する制御方法を採用する。
この方法を採用すれば、たとえアナログ特性がばらついたとしても、検索しない領域の発生を防ぎ、線形性を保つことが可能となる。

ところで、順次探索やバイナリ方式二分探索の場合は、図６のように検索単位を配置し、２^Ｎ，２^Ｎ−１,…２^０、それぞれの検索単位に制御線を準備すればよく、合計Ｎ本の制御線で実現できた。
サーモメータコード方式での実現の場合、各最小検索単位に制御線を準備する必要があり、合計２^Ｎの制御線が必要となる。

＜５．本実施形態に係るハイブリッド方式の周波数キャリブレーション＞
次に、本実施形態に係るハイブリッド方式の周波数キャリブレーションについて、図１１および図１２に関連付けて説明する。
図１１は、本実施形態に係るハイブリッド方式の検索過程を模式的に示す図である。
図１２は、本実施形態に係るハイブリッド方式のフローチャートである。

本実施形態では、順次探索とバイナリ方式二分探索とサーモメータコード方式二分探索のアルゴリズムの特徴を備えたハイブリッド方式を採用している。
そして、本実施形態に係るハイブリッド方式では、探索過程における最初の過程（ＳＴ２１、ＳＴ２２）と最後の過程（ＳＴ２９〜ＳＴ３１）にのみ、二分探索を採用し、それ以外の検索過程（ＳＴ２３〜ＳＴ２８）を順次探索とする。

本実施形態に係る方法では、アナログ回路設計コストを上げる検索単位の冗長性を持たせる必要なく、実現可能な規模に制限のない、検索時間を順次探索よりも約２〜４倍速くなる。
図１１に本実施形態のハイブリッド方式での検索過程を具体例としてＮ＝４，Ａ＝１１として示し、図１２にそのフローチャートを示している。

最初の一度目の検索に二分探索を用いる。このとき、デジタルアシストキャリブレーション回路３０では、シーケンス制御回路３９によりスイッチ回路３７がオンに制御され、比較回路３３の出力は二分探索回路３４に供給される。
目的値Ａが検索範囲の大きい側、小さい側の片方に絞り、大きい側であれば検索範囲の最大値２^Ｎから検索、小さい側であれば検索範囲の最小値０から検索することで、検索時間を順次探索と比較し最大半分にすることが可能となる。
最小検索単位１、検索範囲を２^Ｎとし、目的値をＡとしたとき、２^Ｎ−１＜Ａの場合、検索を２^Ｎから降順で目的値Ａまで順次探索を行い、２^Ｎ−１＞Ａの場合、検索を０から昇順で目的値Ａまで順次探索を行う。このとき、デジタルアシストキャリブレーション回路３０では、シーケンス制御回路３９によりスイッチ回路３８がオンに制御され、比較回路３３の出力は順次探索回路３５に供給される。
この検索の最初に行う二分探索は目的値Ａが検索範囲の中央値と離れるほど検索時間の短縮効果が大きくなる。
検索単位１、検索範囲２^Ｎでの順次比較の場合、最大の検索時間は２^Ｎであり、これは検索範囲の中央値と一番離れた条件である。

最初に二分探索を行うことで、この最大の条件の時間を半分にすることが可能である。
二分探索のため、半導体アナログ回路での実現の場合、冗長性を持つ必要がある。
しかし、最初の一度目のみで昇順、降順の検索の方向を決めるのみであり、実際には順次探索を行うため、単調性が保たれており、冗長性確保の必要はない。
バイナリ方式二分探索のような回路実現時に冗長性をもつアナログ設計を必要としない利点を持ち、かつ、検索時間の短縮が可能な方法として、本実施形態では探索の最初の過程では二分探索を採用する。

また、検索の最後に二分探索を行うことで、最初と最後以外の検索である順次探索においては、検索単位２で検索を行うことが可能となり、検索単位１での順次比較よりも半分の時間で検索が可能となる。
図１２の例では、ステップＳＴ２４，ＳＴ２５において、検索単位２はＣ＝−２，＋２とすることで、ステップ幅を大きくしている。
最後に二分探索を行うことにより、冗長性を保つ必要を検討する必要があるが、最後の一度だけは二分探索にしても冗長性の確保は困難である。
冗長性確保として、各検索単位Ｘと、それ以下の検索単位の合計値Ｙを比較しＸ＜Ｙとすることを条件としていた。ただし、最後の検索に関してはＹ＝０のため、条件を満たすことはそもそも困難であり、最後の検索に求められる条件は最小検索単位を満たすことであり、この条件は順次探索においても必要な条件である。
よって、本実施形態では冗長性確保が必要なく、かつ、検索時間の短縮な方法として、最後の検索に二分探索を行う方法を採用する。

上記のように最初と最後に二分探索を行うことで冗長性確保の必要なく検索時間を短縮することが可能となる。
順次探索のみの場合と比較し二分探索を最初と最後の二度行うことで順次探索の検索時間を１／４、二分探索を二度行うことで＋２、つまり２^Ｎ−２＋２の検索時間に短縮することが可能となる。
また、冗長性を考える必要が無いため、アナログ設計コストを抑え、また、図６に示した配置が面積効率を考慮した検索単位の配置が可能であり、制御線の本数もＮで十分である。
さらに、上記説明では最初と最後に一度のみ二分探索を行うことで、これらの二分探索の回数を任意とすることにより検索時間、回路規模のトレードオフの実現が容易となる。
したがって、本実施形態によれば、アナログ特性を容易な設計で高速なデジタルアシストが可能となる。

上述した本実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱しない限り、適宜、変更しうることはいうまでもない。

また、以上詳細に説明した方法は、上記手順に応じたプログラムとして形成し、ＣＰＵ等のコンピュータで実行するように構成することも可能である。
また、このようなプログラムは、半導体メモリ、磁気ディスク、光ディスク、フロッピー（登録商標）ディスク等の記録媒体、この記録媒体をセットしたコンピュータによりアクセスし上記プログラムを実行するように構成可能である。

１０・・・位相同期装置、２０・・・位相同期回路（ＰＬＬ）、２１・・・位相比較器（ＰＦＤ）、２２・・・チャージポンプ（ＣＰ）、２３・・・ループフィルタ（ＬＰ）、電圧制御発振器（ＶＣＯ）、３０・・・デジタルアシストキャリブレーション回路、３１・・・周波数カウンタ、３２・・・第１の記憶回路、３３・・・比較回路、３４・・・二分探索回路、３５・・・順次探索回路、３６・・・第２の記憶回路、３７，３８・・・スイッチ回路、３９・・・シーケンス制御回路、４０・・・周波数ゲイン調整回路。

Claims (12)

1. 発振出力信号と基準信号との位相比較情報に基づく電圧制御信号に応じた周波数で発振する電圧制御発振器を含む位相同期回路と、
   探索範囲においてあらかじめ設定される目的値と検索値とを比較して探索することにより、上記電圧制御発振器の周波数キャリブレーションを行うに当たり電圧制御発振器に適切なキャリブレーション電圧を与えるための電圧補正機能を有するデジタルアシストキャリブレーション回路と、を有し、
   上記デジタルアシストキャリブレーション回路は、
   探索範囲を所定の値から順番に検索値を変更して、検索値と上記目的値との大小関係を確認する順次探索と、
   探索範囲の検索値の中央値と上記目的値との大小関係を確認し、上記目的値が含まれる側の半分の検索範囲に対してのみ当該半分の検索範囲の検索値の中央値と上記目的値との大小関係を確認して、目的値を検索していく二分探索であって検索範囲を二分し、次の検索に進む際、以前に使用した最小検索単位を使用する二分探索と、を選択的に処理可能で、
   検索過程における最初の過程と最後の過程において上記二分探索を行い、残りの過程では上記順次探索を行い、
   上記二分検索において、
   上記目的値が上記検索値より大きい場合は、以前使用した最小検索単位と同じ最小検索単位と残りの領域の半分の最小検索単位を使用し、
   上記目的値が上記検索値より小さい場合は、以前使用した最小検索単位の半分の最小検索単位を使用する
   位相同期装置。
2. 上記デジタルアシストキャリブレーション回路は、
   最初の過程における上記二分検索では、次に続く順次探索処理における昇順、降順の検索の方向を決定する
   請求項１記載の位相同期装置。
3. 上記デジタルアシストキャリブレーション回路は、
   最小検索単位１、検索範囲を２^Ｎとし、目的値をＡとしたとき、２^Ｎ−１＜Ａの場合、検索を２^Ｎから降順で目的値Ａまで順次探索を行い、２^Ｎ−１＞Ａの場合、検索を０から昇順で目的値Ａまで順次探索を行う
   請求項２記載の位相同期装置。
4. 上記デジタルアシストキャリブレーション回路は、
   上記順次探索において、検索幅である検索単位を変更可能である
   請求項１から３のいずれか一に記載の位相同期装置。
5. 上記デジタルアシストキャリブレーション回路は、
   最初の過程と最後の過程の上記二分探索を１または複数回処理可能である
   請求項１から４のいずれか一に記載の位相同期装置。
6. 前記デジタルアシストキャリブレーション回路は、
   上記電圧制御発振器の出力周波数をカウントする周波数カウンタと、
   上記周波数カウンタのカウント結果と出力周波数である目的値と比較する比較回路と、
   上記比較回路の比較結果を受けて、上記二分探索を行う二分探索回路と、
   上記順次探索を行う順次探索回路と、
   上記二分探索回路と上記順次探索回路を選択的に使用するタイミングを決定するシーケンス制御回路と、
   上記二分探索回路の探索結果と上記順次探索回路の探索結果を上記電圧制御発振器にフィードバックするための発振周波数を変化させる調整信号を上記電圧制御発振器に出力する周波数ゲイン調整回路と、を含む
   請求項１から５のいずれか一に記載の位相同期装置。
7. 発振出力信号と基準信号との位相比較情報に基づく電圧制御信号に応じた周波数で発振する電圧制御発振器を含む位相同期回路に対して、
   探索範囲においてあらかじめ設定される目的値と検索値とを比較して探索することにより、上記電圧制御発振器の周波数キャリブレーションを行うに当たり電圧制御発振器に適切なキャリブレーション電圧を与えるためのデジタルアシストキャリブレーションステップを有し、
   上記デジタルアシストキャリブレーションステップにおいて、
   探索範囲を所定の値から順番に検索値を変更して、検索値と上記目的値との大小関係を確認する順次探索と、
   探索範囲の検索値の中央値と上記目的値との大小関係を確認し、上記目的値が含まれる側の半分の検索範囲に対してのみ当該半分の検索範囲の検索値の中央値と上記目的値との大小関係を確認して、目的値を検索していく二分探索であって検索範囲を二分し、次の検索に進む際、以前に使用した最小検索単位を使用する二分探索と、を選択的に処理可能で、
   検索過程における最初の過程と最後の過程において上記二分探索を行い、残りの過程では上記順次探索を行い、
   上記二分検索において、
   上記目的値が上記検索値より大きい場合は、以前使用した最小検索単位と同じ最小検索単位と残りの領域の半分の最小検索単位を使用し、
   上記目的値が上記検索値より小さい場合は、以前使用した最小検索単位の半分の最小検索単位を使用する
   位相同期回路の周波数キャリブレーション方法。
8. 最初の過程における上記二分検索では、次に続く順次探索処理における昇順、降順の検索の方向を決定する
   請求項７記載の位相同期回路の周波数キャリブレーション方法。
9. 最小検索単位１、検索範囲を２^Ｎとし、目的値をＡとしたとき、２^Ｎ−１＜Ａの場合、検索を２^Ｎから降順で目的値Ａまで順次探索を行い、２^Ｎ−１＞Ａの場合、検索を０から昇順で目的値Ａまで順次探索を行う
   請求項８記載の位相同期回路の周波数キャリブレーション方法。
10. 上記順次探索において、検索幅である検索単位を変更可能である
    請求項７から９のいずれか一に記載の位相同期回路の周波数キャリブレーション方法。
11. 最初の過程と最後の過程の上記二分探索を１または複数回処理可能である
    請求項７から１０のいずれか一に記載の位相同期回路の周波数キャリブレーション方法。
12. 発振出力信号と基準信号との位相比較情報に基づく電圧制御信号に応じた周波数で発振する電圧制御発振器を含む位相同期回路に対して、
    探索範囲においてあらかじめ設定される目的値と検索値とを比較して探索することにより、上記電圧制御発振器の周波数キャリブレーションを行うに当たり電圧制御発振器に適切なキャリブレーション電圧を与えるためのデジタルアシストキャリブレーション処理を有し、
    上記デジタルアシストキャリブレーション処理において、
    探索範囲を所定の値から順番に検索値を変更して、検索値と上記目的値との大小関係を確認する順次探索と、
    探索範囲の検索値の中央値と上記目的値との大小関係を確認し、上記目的値が含まれる側の半分の検索範囲に対してのみ当該半分の検索範囲の検索値の中央値と上記目的値との大小関係を確認して、目的値を検索していく二分探索であって検索範囲を二分し、次の検索に進む際、以前に使用した最小検索単位を使用する二分探索と、を選択的に処理可能で、
    検索過程における最初の過程と最後の過程において上記二分探索を行い、残りの過程では上記順次探索を行い、
    上記二分検索において、
    上記目的値が上記検索値より大きい場合は、以前使用した最小検索単位と同じ最小検索単位と残りの領域の半分の最小検索単位を使用し、
    上記目的値が上記検索値より小さい場合は、以前使用した最小検索単位の半分の最小検索単位を使用する
    位相同期回路の周波数キャリブレーション処理をコンピュータに実行させるプログラム。

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