JP7255790B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置に関し、特に、クロック信号を生成するために好適に用いられる半導体装置に関する。
クロック信号は、集積回路において回路の同期を確立するために広く用いられる。クロック信号は、最も典型的には、PLL(phase locked loop)回路を用いて生成され、同期して動作すべき回路に分配される。
クロック信号を生成する回路の信頼性の向上は、半導体集積回路全体の動作の信頼性の向上のために有用である。放射線が強い環境、例えば、宇宙空間で用いられる集積回路においては、この問題は特に重要である。放射線が強い環境では、PLL回路は誤動作し得る。クロック信号を生成するPLL回路が誤動作すると、半導体集積回路の誤動作を招き得る。
このような背景から、クロック信号を生成する回路の信頼性を向上するための技術の提供が求められている。
なお、特開2003-163583号公報は、ノイズレベルが入力論理回路の閾値を超える場合でもノイズを除去することができる、非同期型ノイズフィルタ回路が開示されている。
特開2003-163583号公報
したがって、本発明の目的は、クロック信号を生成する回路の信頼性を向上するための技術を提供することにある。本発明の他の目的及び新規な特徴は、以下の開示から当業者には理解されよう。
以下に、「発明を実施するための形態」で使用される符号を付しながら、課題を解決するための手段を説明する。これらの符号は、「特許請求の範囲」の記載と「発明を実施するための形態」との対応関係の一例を示すために付加されたものである。
本発明の一の観点では、半導体装置(100)が、共通の基準クロック信号(CKREF)に同期して動作し、それぞれ、第1~第Nクロック信号(CK1~CK3)(Nは、3以上の奇数)を出力するように構成された第1~第NPLL回路(1~1)と、第1~第Nクロック信号(CK1~CK3)に対して多数決演算を行って多数決クロック信号(CKMJR)を生成する多数決回路(2)と、多数決クロック信号(CKMJR)が入力され、ローパスフィルタとして動作して出力クロック信号(CKOUT)を出力するフィルタ回路(3)とを備えている。
一実施形態では、フィルタ回路(3)は、多数決クロック信号(CKMJR)又はその反転信号がリセット端子に入力される第1RSフリップフロップ(37)と、多数決クロック信号(CKMJR)を遅延して生成した第1遅延信号を第1RSフリップフロップ(37)のセット端子に供給する第1遅延回路(36)とを備えている。出力クロック信号(CKOUT)が、第1RSフリップフロップ(37)のデータ出力から出力される信号に応じて生成される。
フィルタ回路(3)が、更に、多数決クロック信号(CKMJR)が入力される第1インバータ(35)を備えていてもよく、この場合、第1RSフリップフロップ(37)のリセット端子には第1インバータ(35)の出力信号が入力される。
第1遅延回路(36)は、遅延時間が可変であるように構成されることが好ましい。この場合、第1遅延回路(36)の遅延時間を指定する遅延設定データを格納する遅延設定レジスタ(5)を備えることが好ましい。
他の実施形態では、更に、第1~第NPLL回路(1~1)の発振周波数を指定するPLL設定データに基づいて第1遅延回路(36)の遅延時間を設定する遅延設定回路(6)を備えてもよい。
一実施形態では、フィルタ回路(3)は、多数決クロック信号(CKMJR)が入力される第1フィルタ(31)と、第1フィルタ(31)の出力信号が入力される第2インバータ(32)と、第2インバータ(32)の出力信号が入力される第2フィルタ(33)とを備えている。第1フィルタ(31)は、多数決クロック信号(CKMJR)と異なるデューティ比のクロック信号を出力するように構成されている。第1フィルタ(31)と第2フィルタ(33)とは、同一構成を有している。
一実施形態では、フィルタ回路(3)は、多数決クロック信号(CKMJR)が入力される第1フィルタ(31)と、第1フィルタ(31)の出力信号が入力される第2インバータ(32)と、第2インバータ(32)の出力信号が入力される第2フィルタ(33)とを備えていてもよい。一実施形態では、第1フィルタ(31)は、多数決クロック信号(CKMJR)が入力される第3インバータと、第1RSフリップフロップ(37)と、多数決クロック信号(CKMJR)を遅延して生成した第1遅延信号を第1RSフリップフロップ(37)のセット端子に供給する第1遅延回路(36)とを備えている。第2フィルタ(33)は、第2インバータ(32)の出力信号が入力される第4インバータ(38)と、第2RSフリップフロップ(40)と、第2インバータ(32)の出力信号を遅延して生成した第2遅延信号を第2RSフリップフロップ(40)のセット端子に供給する第2遅延回路(39)とを備える。
一実施形態では、第1遅延回路(36)及び第2遅延回路(39)は、同一の遅延時間を有し、且つ、遅延時間が可変であるように構成されている。この場合、第1~第NPLL回路(1~1)の発振周波数を指定するPLL設定データに基づいて第1遅延回路(36)及び第2遅延回路(39)の遅延時間を設定する遅延設定回路(6)を備えていてもよい。
本発明によれば、クロック信号を生成する回路の信頼性を向上することができる。
一実施形態における半導体装置の構成を示すブロック図である。 PLL回路の構成の一例を示すブロック図である。 多数決クロック信号にノイズを発生させるようなクロック信号の位相差の例を示すタイミングチャートである。 多数決クロック信号の波形のシミュレーション結果を示すタイミングチャートである。 前段フィルタ及び後段フィルタの動作を示すタイミングチャートである。 他の実施形態の半導体装置の構成を示すブロック図である。 更に他の実施形態の半導体装置の構成を示すブロック図である。 同一の信号がゲートに供給されている複数のMOSトランジスタを直列に接続したインバータの構成の一例を示す回路図である。
以下、添付図面を参照しながら、実施形態を説明する。
図1は、一実施形態における半導体装置100の構成を示すブロック図である。半導体装置100は、PLL回路の多重化によって放射線が強い環境においても高信頼度で出力クロック信号CKOUTを生成するように構成されており、具体的には、PLL回路1~1と、多数決回路2と、フィルタ回路3とを備えている。
PLL回路1~1には基準クロック信号CKREFが共通に入力されており、PLL回路1~1は、基準クロック信号CKREFに同期するクロック信号CK1~CK3をそれぞれ生成する。PLL回路1~1は、PLL設定レジスタ4に接続されており、PLL設定レジスタ4に設定されたPLL設定データによって指定される周波数でクロック信号CK1~CK3を生成する。設定データは、一実施形態では、PLL回路1~1に含まれる分周器の分周比を含んでいてもよい。
図2は、PLL回路1~1の構成の一例を示すブロック図である。本実施形態では、PLL回路1~1は、同一の構成を有しており、それぞれが、分周器11、12と、位相比較器13と、チャージポンプ14と、ループフィルタ15と、電圧制御発振器(VCO:voltage controlled oscillator)16とを備えている。PLL回路1~1の電圧制御発振器16の出力信号が、それぞれ、クロック信号CK1~CK3として多数決回路2に入力される。
分周器11は、基準クロック信号CKREFを分周し、分周器12は、電圧制御発振器16の出力信号を分周する。分周器11の分周比はRであり、分周器11の出力信号の周波数は、基準クロック信号CKREFの周波数の1/Rである。一方、分周器12の分周比はNであり、分周器12の出力信号の周波数は、電圧制御発振器16の出力信号の1/Nである。
位相比較器13は、分周器11、12の出力信号の位相を比較し、これらの出力信号の位相差に対応する出力信号を出力する。
チャージポンプ14は、位相比較器13からの出力信号に応じて、分周器11、12の出力信号の位相差に対応する信号レベルを有する電圧信号を、ループフィルタ15を介して電圧制御発振器16に供給する。一実施形態では、ループフィルタ15は、ローパスフィルタとして構成される。
分周器11、12の分周比R、Nは、PLL設定レジスタ4に格納されたPLL設定データによって指定される。PLL回路1~1の発振周波数は、分周器11、12の分周比R、NをPLL設定データによって適宜に設定することにより、所望の周波数に設定される。
図1に戻り、多数決回路2は、PLL回路1~1から受け取ったクロック信号CK1~CK3に対して多数決演算を行うことにより多数決クロック信号CKMJRを生成する。多数決演算とは、全入力のうちの過半数を占める状態を持つ出力を得る演算のことである。本実施形態では、多数決回路2は、NANDゲート21~24を備えている。
NANDゲート21は、PLL回路1からのクロック信号CK1が入力される第1入力と、PLL回路1からのクロック信号CK2が入力される第2入力とを有しており、クロック信号CK1、CK2の否定論理積の値を有する出力信号を出力する。NANDゲート22は、PLL回路1からのクロック信号CK2が入力される第1入力と、PLL回路1からのクロック信号CK3が入力される第2入力とを有しており、クロック信号CK2、CK3の否定論理積の値を有する出力信号を出力する。NANDゲート23は、PLL回路1からのクロック信号CK3を受け取る第1入力と、PLL回路1からのクロック信号CK1を受け取る第2入力とを有しており、クロック信号CK3、CK1の否定論理積の値を有する出力信号を出力する。NANDゲート24は、NANDゲート21~23の出力信号がそれぞれに入力される第1~第3入力を有しており、NANDゲート21~23の出力信号の否定論理積の値を有する出力信号を出力する。NANDゲート24の出力信号が多数決クロック信号CKMJRである。
多数決回路2から出力される多数決クロック信号CKMJRは、クロック信号CK1~CK3に対して多数決演算を行うことにより得られているので、PLL回路1~1のうちの一つが例えば放射線の影響によって誤動作しても、適正な多数決クロック信号CKMJRを生成することができる。
しかしながら、PLL回路1~1は、それぞれが独立したフィードバックループを有しているので、PLL回路1~1から出力されるクロック信号CK1~CK3の間で位相差が生じ得る。クロック信号CK1~CK3の位相差は、多数決クロック信号CKMJRにノイズが発生する原因となり得る。
図3は、多数決クロック信号CKMJRにノイズを発生させるようなクロック信号CK1~CK3の間の位相差の例を示している。図3の例では、クロック信号CK1~CK3は、同一の周期Tを有している。クロック信号CK2は、クロック信号CK1から遅延時間d2だけ遅延されている。クロック信号CK3は、クロック信号CK1から反転され(即ち、T/2だけ遅延され)、更に、遅延時間d3だけ遅延されている。
図4は、クロック信号CK1~CK3の周波数が200MHzであり、クロック信号CK2の遅延時間d2が300psであり、クロック信号CK3の遅延時間d3が60~240psである場合の多数決クロック信号CKMJRの波形のシミュレーション結果を示している。図4から理解されるように、遅延時間d3が80~200psである場合に多数決クロック信号CKMJRのパルスの立ち上がりエッジ及び立ち下がりエッジの近傍に顕著なノイズが発生し、多数決クロック信号CKMJRの波形が乱れる。このような波形の乱れは好ましくない。
上述されているようなノイズを除去するために、本実施形態では、多数決クロック信号CKMJRがローパスフィルタとして動作するフィルタ回路3に入力され、フィルタ回路3から出力クロック信号CKOUTが出力される。
図1を再度に参照して、本実施形態では、フィルタ回路3が、前段フィルタ31と、インバータ32と、後段フィルタ33と、インバータ34とを備えている。
前段フィルタ31は、インバータ35と、可変遅延回路36と、RSフリップフロップ37とを備えている。インバータ35は、その入力に多数決クロック信号CKMJRが入力されており、多数決クロック信号CKMJRを反転して得られる反転信号をRSフリップフロップ37のリセット端子に供給する。可変遅延回路36は、多数決クロック信号CKMJRを遅延して得られる遅延信号をRSフリップフロップ37のセット端子に供給する。可変遅延回路36は、その遅延時間が可変であるように構成されている。可変遅延回路36の遅延時間d1は、PLL回路1~1の発振周波数に合わせて設定される。本実施形態では、可変遅延回路36の遅延時間d1は、遅延設定レジスタ5に格納された遅延設定データによって指定される。
インバータ32は、前段フィルタ31の出力信号を反転して後段フィルタ33に供給する。
後段フィルタ33は、前段フィルタ31と同一の構成を有しており、インバータ38と、可変遅延回路39と、RSフリップフロップ40とを備えている。インバータ38は、その入力にインバータ32の出力信号が入力されており、インバータ32の出力信号を反転して得られる反転信号をRSフリップフロップ40のリセット端子に供給する。可変遅延回路39は、インバータ32の出力信号を遅延して得られる遅延信号をRSフリップフロップ40のセット端子に供給する。可変遅延回路39は、その遅延時間が可変であるように構成されている。可変遅延回路39は、遅延設定レジスタ5に格納された遅延設定データにより、前段フィルタ31の可変遅延回路36と同一の遅延時間d1を有するように設定される。
インバータ34は、後段フィルタ33の出力信号の反転信号を生成し、出力クロック信号CKOUTとして出力する。
前段フィルタ31、後段フィルタ33の可変遅延回路36、39の遅延時間d1を、PLL回路1~1の発振周波数に応じて設定することで、前段フィルタ31、後段フィルタ33は、ローパスフィルタとして機能する。
前段フィルタ31は、それ単独でも、ローパスフィルタとして動作し、ノイズを除去する機能を有している。しかしながら、前段フィルタ31は、可変遅延回路36の遅延時間d1だけ、パルス幅を広げる(ハイレベルに維持される時間を長くする)動作を行うので、多数決クロック信号CKMJRのデューティ比が50%であっても、前段フィルタ31の出力信号のデューティ比は50%にはならない。
インバータ32と後段フィルタ33は、デューティ比が50%の出力クロック信号CKOUTを得るために用いられる。後段フィルタ33は、前段フィルタ31と同一の構成を有しており、前段フィルタ31の出力信号の反転信号について、可変遅延回路39の遅延時間d1だけパルス幅を広げる動作を行うので、結果として、後段フィルタ33から出力される出力信号のデューティ比は50%になる。
図5は、前段フィルタ31と後段フィルタ33の動作の例を示すタイミングチャートである。記号“A”~“H”は、それぞれ、フィルタ回路3のノードA~Hにおける信号波形を示している。
前段フィルタ31は、下記のように動作する。ノードAには、多数決クロック信号CKMJRが入力されており、ノードAの信号波形のデューティ比は50%である。ノードBには、多数決クロック信号CKMJRの反転信号が生成される。ノードCには、多数決クロック信号CKMJRを遅延時間d1だけ遅延した遅延信号が生成される。
ノードBがRSフリップフロップ37のリセット端子に接続され、ノードCがRSフリップフロップ37のセット端子に接続されているので、RSフリップフロップ37のデータ出力に接続されたノードDには、多数決クロック信号CKMJRのパルス幅が遅延時間d1だけ広げられた信号が生成される。
一方で、後段フィルタ33は、前段フィルタ31から出力された出力信号の反転信号に対して前段フィルタ31と同様の動作を行う。ノードEには、インバータ32の出力信号の反転信号が生成される。ノードには、インバータ32の出力信号を遅延時間d1だけ遅延した遅延信号が生成される。ノードEがRSフリップフロップ40のリセット端子に接続され、ノードFがRSフリップフロップ40のセット端子に接続されているので、RSフリップフロップ40のデータ出力に接続されたノードGには、インバータ32の出力信号(即ち、前段フィルタ31の出力信号の反転信号)のパルス幅が遅延時間d1だけ広げられた信号が生成される。結果として、後段フィルタ33の出力信号、及び、出力クロック信号CKOUTのデューティ比は、50%になる。
なお、前段フィルタ31のインバータ35及び可変遅延回路36は、総合すると、RSフリップフロップ37のリセット端子とセット端子に適切な位相差で多数決クロック信号CKMJRを供給する機能を有しているので、可変遅延回路36の遅延時間d1を適切に設定すれば、インバータ35は、必ずしも必要ではない。同様の理由により、後段フィルタ33のインバータ38も、必ずしも必要ではない。
図6は、インバータ35、38を設けない構成のフィルタ回路3を示している。図6の構成では、RSフリップフロップ37のリセット端子に多数決クロック信号CKMJRが入力され、RSフリップフロップ40のリセット端子にインバータ32の出力信号が入力される。ただし、図6の構成では、可変遅延回路36、39の遅延時間d1を長く設定する必要があるので、図1に図示されるように、インバータ35、38が設けられることが好ましい。
フィルタ回路3の構成は、他にも様々に変更され得る。例えば、フィルタ回路3として、ローパスフィルタとして動作する他のフィルタ、例えば、RCフィルタが用いられてもよい。
可変遅延回路36、39の遅延時間d1をPLL回路1~1の発振周波数に応じて設定することを容易にするためには、図7に図示されているように、PLL設定レジスタ4に格納されたPLL設定データから、遅延時間d1を算出して遅延時間d1を指定する遅延設定データを生成する遅延設定回路6が設けられてもよい。この場合、可変遅延回路36、39は、遅延設定回路6によって生成された遅延設定データに指定された遅延時間d1を有するように設定される。
本実施形態では、多数決回路2及びフィルタ回路3の多重化は行われていないので、多数決回路2及びフィルタ回路3を構成する回路素子への放射線の入射は、誤動作の原因になり得る。しかしながら、多数決回路2及びフィルタ回路3の回路規模は小さくできるので、放射線が強い環境でも誤動作は生じにくい。多数決回路2及びフィルタ回路3の動作の信頼性を高めるためには、多数決回路2及びフィルタ回路3に含まれる論理ゲートにおいて、同一の信号がゲートに供給されている複数のMOSトランジスタを直列に接続してもよい。
例えば、図8に示すように、インバータ50が、PMOSトランジスタMP1、MP2と、NMOSトランジスタMN1、MN2とを備えていてもよい。PMOSトランジスタMP1、MP2は、そのゲートが入力端子51に共通に接続されており、出力端子52と電源電圧VDDが生成された電源ライン53との間に直列に接続されている。NMOSトランジスタMN1、MN2は、そのゲートが入力端子51に共通に接続されており、出力端子と接地電位VSSを有する接地ライン54との間に直列に接続されている。
以上には、本発明の実施形態が具体的に記述されているが、本発明は、上記の実施形態に限定されない。本発明が種々の変更と共に実施され得ることは、当業者には理解されよう。
100 :半導体装置
~1 :PLL回路
2 :多数決回路
3 :フィルタ回路
4 :PLL設定レジスタ
5 :遅延設定レジスタ
6 :遅延設定回路
11 :分周器
12 :分周器
13 :位相比較器
14 :チャージポンプ
15 :ループフィルタ
16 :電圧制御発振器
21~24:NANDゲート
31 :前段フィルタ
32 :インバータ
33 :後段フィルタ
34 :インバータ
35 :インバータ
36 :可変遅延回路
37 :RSフリップフロップ
38 :インバータ
39 :可変遅延回路
40 :RSフリップフロップ
50 :インバータ
51 :入力端子
52 :出力端子
53 :電源ライン
54 :接地ライン

Claims (9)

  1. 共通の基準クロック信号に同期して動作し、それぞれ、第1~第Nクロック信号を出力するように構成された第1~第NPLL回路と、
    前記第1~第Nクロック信号に対して多数決演算を行って多数決クロック信号を生成する多数決回路と、
    前記多数決クロック信号が入力され、ローパスフィルタとして動作して出力クロック信号を出力するフィルタ回路
    とを備え、
    Nは、3以上の奇数であり、
    前記フィルタ回路は、
    前記多数決クロック信号又は前記多数決クロック信号を反転した反転信号がリセット端子に入力される第1RSフリップフロップと、
    前記多数決クロック信号を遅延して生成した第1遅延信号を前記第1RSフリップフロップのセット端子に供給する第1遅延回路
    とを備え、
    前記出力クロック信号が、前記第1RSフリップフロップのデータ出力から出力される信号に応じて生成され、
    前記第1遅延回路の遅延時間が、前記第1~第NPLL回路から出力される前記第1~第Nクロック信号の周期の半分より短くなるように前記第1~第NPLL回路の発振周波数に応じて設定された
    半導体装置。
  2. 請求項1に記載の半導体装置であって、
    前記フィルタ回路が、更に、前記多数決クロック信号が入力される第1インバータを備え、
    前記第1RSフリップフロップの前記リセット端子には前記第1インバータの出力信号が入力される
    半導体装置。
  3. 請求項1又は2に記載の半導体装置であって、
    前記第1遅延回路は、遅延時間が可変であるように構成された
    半導体装置。
  4. 請求項3に記載の半導体装置であって、
    更に、前記遅延時間を指定する遅延設定データを格納する遅延設定レジスタを備える
    半導体装置。
  5. 請求項3に記載の半導体装置であって、
    更に、前記第1~第NPLL回路の発振周波数を指定するPLL設定データに基づいて、前記第1遅延回路の前記遅延時間が前記第1~第NPLL回路から出力される前記第1~第Nクロック信号の周期の半分より短くなるように前記第1遅延回路の前記遅延時間を設定する遅延設定回路を備える
    半導体装置。
  6. 請求項1に記載の半導体装置であって、
    前記フィルタ回路は、
    前記多数決クロック信号が入力され、前記第1RSフリップフロップと前記第1遅延回路とを備える第1フィルタと、
    前記第1RSフリップフロップから出力される信号が入力される第2インバータと、
    前記第2インバータの出力信号が入力される第2フィルタ
    とを備え、
    前記第1フィルタは、前記多数決クロック信号と異なるデューティ比のクロック信号を出力するように構成され、
    前記第1フィルタと前記第2フィルタとが同一構成を有している
    半導体装置。
  7. 請求項1に記載の半導体装置であって、
    前記フィルタ回路は、
    前記多数決クロック信号が入力される第1フィルタと、
    前記第1フィルタの出力信号が入力される第2インバータと、
    前記第2インバータの出力信号が入力される第2フィルタ
    とを備え、
    前記第1フィルタは、
    前記多数決クロック信号が入力される第3インバータと、
    前記第1RSフリップフロップと、
    前記第1遅延回路
    とを備え、
    前記第2フィルタは、
    前記第2インバータの出力信号が入力される第4インバータと、
    第2RSフリップフロップと、
    前記第2インバータの前記出力信号を遅延して生成した第2遅延信号を前記第2RSフリップフロップのセット端子に供給する第2遅延回路
    とを備える
    半導体装置。
  8. 請求項7に記載の半導体装置であって、
    前記第1遅延回路及び前記第2遅延回路は、同一の遅延時間を有し、且つ、前記遅延時間が可変であるように構成された
    半導体装置。
  9. 請求項8に記載の半導体装置であって、
    前記第1~第NPLL回路の発振周波数を指定するPLL設定データに基づいて、前記第1遅延回路及び前記第2遅延回路の前記遅延時間が、前記第1~第NPLL回路から出力される前記第1~第Nクロック信号の周期の半分より短くなるように前記第1遅延回路及び前記第2遅延回路の前記遅延時間を設定する遅延設定回路を備える
    半導体装置。
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