JPWO2009125580A1 - ループ型クロック調整回路および試験装置 - Google Patents

ループ型クロック調整回路および試験装置 Download PDF

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Abstract

可変遅延回路は、基準クロックに対しアナログ信号に応じた可変遅延を与え、遅延クロックを生成する。位相検出部は、遅延クロックと基準クロックの位相差を検出し、位相差に応じたレベルをとる位相差信号を生成する。カウンタは、位相差信号のレベルに応じてカウントアップまたはカウントダウンを行う。デジタルアナログ変換器は、カウンタのカウント値をアナログ信号に変換し、可変遅延回路に供給する。カウンタは、第1サーモメータコードを用い、位相差信号に応じてカウント値の下位桁をカウントする第1カウンタ22と、第2サーモメータコードを用い、位相差信号に応じてカウント値の上位桁をカウントする第2カウンタ24と、第1カウンタ22と第2カウンタ24がキャリー動作およびボロー動作においてもハミング距離が1となる制御を行う制御回路26とを含む。

Description

本発明は、DLL(Delay Locked Loop)やPLL(Phase Locked Loop)など、生成したクロックと基準クロックとの比較により、クロックの位相や周波数を調節するループ型クロック調整回路に関する。
DLLやPLLなどのクロック調整回路は、可変遅延回路や電圧制御発振器(以下、VCOという)などのクロック生成部(クロック調整部)と、生成したクロックと基準クロックの位相差を検出する位相検出部と、位相差に応じてクロック生成部をフィードバック制御するループ制御回路を備える。
位相検出部は、2つのクロックの位相を比較し、位相差に応じて、具体的には進み位相か遅れ位相か応じてハイレベル、ローレベルが変化する位相差信号を生成する。
いまループ制御回路が、位相差信号に応じてカウントアップ・カウントダウンするカウンタと、カウンタのカウント値をデジタル/アナログ変換してクロック生成部を制御するデジタル/アナログ変換回路(DAC)で構成される場合について検討する。
カウンタとして、バイナリカウンタを用いた場合、桁上がりあるいは桁下がりの際に、ハミング距離が大きい遷移が発生する場合がある。したがってハミング距離が大きい遷移が発生すると、カウンタ内部の複数のフリップフロップが同時に状態遷移するため、カウンタ自体にノイズが発生するという問題がある。また、カウンタの各ビットの値は、次段のDACに設けられたスイッチのオン、オフに対応するため、後段のDACでのノイズ発生も誘発するおそれがある。たとえばバイナリ値で[01111]からカウントアップして[10000]に遷移する場合、スイッチの遷移のタイムラグによって、階調15(=[01111])から一度階調0(=[00000])に遷移し、その後に階調16(=[10000])に遷移したり、あるいは階調15、31、16([01111]、[11111]、[10000])の順に遷移する場合があり、DACの出力にノイズが重畳される。
この問題を解決するために、サーモメータコードを利用したカウンタを利用する方法が考えられる。この場合、カウントアップ、カウントダウンに際して、サーモメータコードのハミング距離が1となるため、バイナリカウンタを用いた場合に比べてスイッチングノイズを低減できる。しかしながら、カウント値の最大階調分のビット数が必要であるため、そのビット数に応じたフリップフロップやラッチ回路などのデータ保持回路を設ける必要があり、回路面積が大きくなるという問題が発生する。
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ノイズを低減しつつ、回路面積の増大を抑制したクロック調整回路の提供にある。
本発明のある態様は、ループ型クロック調整回路に関する。このクロック調整回路は、基準クロックに対しアナログ信号に応じた可変遅延を与え、遅延クロックを生成する可変遅延回路と、遅延クロックと基準クロックの位相差を検出し、位相差に応じたレベルをとる位相差信号を生成する位相検出部と、位相差信号のレベルに応じてカウントアップまたはカウントダウンを行うカウンタと、カウンタのカウント値をアナログ信号に変換し、可変遅延回路に供給するデジタルアナログ変換器と、を備える。カウンタは、mビット(mは自然数)の第1サーモメータコードを用い、位相差信号に応じてカウント値の下位桁をカウントする第1カウンタと、nビット(nは自然数)の第2サーモメータコードを用い、位相差信号に応じてカウント値の上位桁をカウントする第2カウンタと、第1カウンタと第2カウンタがキャリー動作およびボロー動作においてもハミング距離が1となる制御を行う制御回路と、を含む。
本発明の別の態様もまた、ループ型クロック調整回路に関する。このクロック調整回路は、入力された制御電圧に応じた周波数を有するクロックを生成する電圧制御発振器と、電圧制御発振器により生成されたクロックと基準クロックの位相差を検出し、位相差に応じたレベルをとる位相差信号を生成する位相検出部と、位相検出部からの位相差信号のレベルに応じてカウントアップまたはカウントダウンを行うカウンタと、カウンタのカウント値をアナログ信号に変換し、電圧制御発振器に制御電圧として供給するデジタルアナログ変換器と、を備える。カウンタは、mビット(mは自然数)の第1サーモメータコードを用い、位相差信号に応じてカウント値の下位桁をカウントする第1カウンタと、nビット(nは自然数)の第2サーモメータコードを用い、位相差信号に応じてカウント値の上位桁をカウントする第2カウンタと、第1カウンタと第2カウンタがキャリー動作およびボロー動作においてもハミング距離が1となる制御を行う制御回路と、を含む。
これら態様によると、サーモメータコードを用いることによりカウントアップ、カウントダウン時のハミング距離が1となるため、カウンタ内部のトランジスタのスイッチング動作にともなうノイズを低減することができる。
なお、「上位桁」とは、「下位桁」と隣接する桁を意味し、かならずしも最上位ビットMSBを含む必要はない。つまり、カウンタは、「上位桁」よりもさらに上位の桁をカウントするカウンタを含んでいてもよい。
カウンタは、第1サーモメータコードから第2サーモメータコードに桁上がりするとき、カウント値を1回分、同じ値に維持してもよい。
キャリー動作と、第1サーモメータコード、第2サーモメータコードの遷移を同時に行うと、カウンタの動作が不安定になるおそれがあるところ、カウント値を維持することにより、確実に状態遷移させることができる。
またカウンタは、第2サーモメータコードから第1サーモメータコードに桁下がりするとき、カウント値を1回分、同じ値に維持してもよい。
ボロー動作と、第1サーモメータコード、第2サーモメータコードの遷移を同時に行うと、カウンタの動作が不安定になるおそれがあるが、カウント値を維持することにより、確実に状態遷移させることができる。
第1カウンタは、第1サーモメータコードを正論理にてカウントする第1モードと、反転論理にてカウントする第2モードと、が切り換え可能であってもよい。
第1サーモメータコードを2つのモードで動作させることにより、第1サーモメータコードにキャリーまたはボローが発生したときのハミング距離を小さくでき、さらにノイズを低減できる。
第1カウンタは、第2サーモメータコードが奇数か偶数かに応じて、第1モードと第2モードを切り換えてもよい。
デジタルアナログ変換器は、電流加算型であって、カウント値の1LSB(Least Significant Bit)に対応する電流を生成し、個別にオン、オフが制御可能なm×n個の電流源と、第1サーモメータコードと第2サーモメータコードをデコードし、m×n個の電流源のオン、オフを制御するための制御信号を生成するデコーダと、を含んでもよい。デコーダは、電流源ごとに設けられたm×n個の論理ゲート群を含み、k番目(k=i+(j−1)×m、1≦i≦m、1≦j≦n)の論理ゲート群は、少なくとも第1サーモメータコードのiビット目と、第2サーモメータコードのjビット目を論理演算し、対応する電流源を制御する制御信号を生成してもよい。
k番目の論理ゲート群は、j=1の場合、第1サーモメータコードのiビット目と第2サーモメータコードのjビット目の論理和に応じて対応する電流源を制御し、j≠1の場合、第2サーモメータコードの(j−1)ビット目がアサートされているとき、第1サーモメータコードのiビット目と第2サーモメータコードのjビット目の論理和に応じて対応する電流源を制御し、第2サーモメータコードの(j−1)ビット目がネゲートされているとき、対応する電流源をオフするように構成されてもよい。
k番目の論理ゲート群は、NANDゲートとORゲートを含んでもよい。NANDゲートは、第1サーモメータコードのiビット目に応じたデータと、第2サーモメータコードの(j−1)ビット目(j≠1)に応じたデータとの否定論理積を生成する。ORゲートは、NANDゲートの出力に応じたデータと、第2サーモメータコードのjビット目に応じたデータとの論理和を生成する。j=1に対応するNANDゲートには、第2サーモメータコードの(j−1)ビット目に代えて、ハイレベルが入力される。k番目の論理ゲート群は、ORゲートの出力に応じて対応する電流源を制御してもよい。
デジタルアナログ変換器は、電流加算型であって、カウント値の1LSB(Least Significant Bit)に対応する電流を生成し、個別にオン、オフが制御可能なm×n個の電流源と、第1サーモメータコードと第2サーモメータコードをデコードし、m×n個の電流源のオン、オフを制御するための制御信号を生成するデコーダと、を含んでもよい。m×n個の電流源はそれぞれ、第1トランジスタ、放電トランジスタ、充電トランジスタ、第1スイッチ、第2スイッチを含んでも良い。
充電トランジスタは、第1トランジスタの制御端子と、固定電圧端子との間に設けられる。第1スイッチは、一端に所定のバイアス電圧が入力され、他端が第1トランジスタの制御端子と接続され、対応する制御信号に応じてオン、オフする。充電トランジスタおよび第2スイッチは、固定電圧端子とバイアス電圧が印加されるバイアスラインとの間に直列に設けられる。第2スイッチを第1スイッチと同相でオン、オフさせるとともに、充電トランジスタおよび放電トランジスタをその逆相でオン、オフさせてもよい。
バイアス電圧を生成するバイアス回路は無視できない出力インピーダンスを有する。したがって第1トランジスタをオンする際にゲート容量に充電電流を供給すると、充電電流に比例した電圧降下が発生し、電圧降下分だけバイアス電圧が変動し、電流源により生成される電流が変動してしまう。この態様によれば充電トランジスタを設けることによりバイアス回路から供給すべき電流を減らすことができるため、バイアス電圧の変動量、ひいては電流源が生成する電流の変動量を抑制できる。
本発明のさらに別の態様は、試験装置である。この装置は、ループ型クロック調整回路を備える。試験装置には、タイミング発生器やパターン発生器、インタフェース回路などが搭載される。これらのユニットには、安定したクロックが必要とされるところ、こうしたクロックの生成に上述のクロック調整回路を用いることにより、試験装置内で生ずるノイズを低減できる。
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置などの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明によれば、ノイズを低減することができる。
実施の形態に係るDLLの構成を示す回路図である。 図1のカウンタの構成を示すブロック図である。 第1カウンタの状態遷移図である。 第2カウンタの状態遷移図である。 DACの構成を示す回路図である。 複数の電流源を示す回路図である。 実施の形態に係るPLLの構成を示すブロック図である。
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
本明細書において、「部材Aが部材Bに接続された状態」とは、部材Aと部材Bが物理的に直接的に接続される場合や、部材Aと部材Bが、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Cが、部材Aと部材Bの間に設けられた状態」とは、部材Aと部材C、あるいは部材Bと部材Cが直接的に接続される場合のほか、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
図1は、実施の形態に係るDLL100の構成を示す回路図である。DLL100は、可変遅延回路10、位相検出部12、ループ制御回路14を備える。可変遅延回路10は、基準クロックREFCLKに対し、入力されたアナログ信号S1に応じた可変遅延を与え、遅延クロックCLKDを生成する。たとえば可変遅延回路10は多段接続されたインバータ(バッファ)を含み、各インバータの電源電圧あるいはバイアス電流が、アナログ信号S1に応じて可変に構成される。その結果、遅延量がアナログ信号S1に応じて調節される。
位相検出部12は、遅延クロックCLKDと基準クロックREFCLKの位相差Δφを検出し、位相差に応じたレベルをとる位相差信号PDを生成する。位相差信号PDは、位相差Δφが目標値より大きいとき、第1レベル(たとえばハイレベル)、小さいとき第1レベルと相補的な第2レベル(ローレベル)をとる。
ループ制御回路14は、位相差Δφを示す位相差信号PDに応じて、可変遅延回路10をフィードバック制御する。ループ制御回路14は、カウンタ20、DAC40を含む。
カウンタ20は、位相差信号PDのレベルに応じてカウントアップまたはカウントダウンするカウント動作を実行する。DAC40は、カウンタ20のカウント値CNTをアナログ信号S1に変換し、可変遅延回路10に供給する。
以上がDLL100の全体構成である。実施の形態に係るDLL100は、ループ制御回路14に特徴を有する。以下、カウンタ20およびDAC40の構成を詳細に説明する。
図2は、図1のカウンタ20の構成を示すブロック図である。カウンタ20は、第1カウンタ22、第2カウンタ24、制御回路26を含む。
カウンタ20は、カウント値CNTを複数の桁に多分割し、桁ごとに設けられた複数のカウンタを用いてカウントする。少なくとも最下位ビットLSBを含む「下位桁」をカウントするカウンタと、「下位桁」と隣接する「上位桁」をカウントするカウンタはそれぞれ、バイナリコードではなく、サーモメータコードを用いてカウント動作を行う。さらに上位の桁が存在する場合、サーモメータコードを用いることが好ましいが、バイナリコードを用いても、あるいはその他のコードを用いてもよい。以下では、理解を容易とするためにカウント値を「上位桁」と「下位桁」に2分割する場合を説明する。この場合「上位桁」は最上位ビットMSBを含む。
第1カウンタ22は、mビット(mは自然数)の第1サーモメータコードTC1を用い、位相差信号PDに応じてカウント値CNTの下位桁をカウントする。第1サーモメータコードTC1の各ビットを上位ビットから順に、L、Lm−1、…Lと表記する。正論理のサーモメータコードを用いる場合、1となるビットの個数が、10進数での第1カウンタ22のカウント値(以下、第1カウント値CNT1と表記する)を示す。つまり第1カウント値CNT1が10進数でk(0≦k≦m)のとき、L〜Lk+1=0、L〜L=1となる。
第2カウンタ24は、nビット(nは自然数)の第2サーモメータコードTC2を用い、位相差信号PDに応じてカウント値CNTの上位桁をカウントする。第2サーモメータコードTC2の各ビットを上位ビットから順に、U、Un−1、…Uと表記する。第2サーモメータコードTC2は、第1サーモメータコードTC1の上位桁であるから、U〜Uはそれぞれ、10進数ではmの重みを持つ。
正論理のサーモメータコードを用いる場合、第2カウンタ24のカウント値(以下、第2カウント値CNT2と表記する)が10進数でl(0≦l≦n)のとき、U〜Ul+1=0、U〜U=1となる。
制御回路26は、第1カウンタ22および第2カウンタ24間のキャリー動作、ボロー動作を制御する。さらに制御回路26は、後述する第1カウンタ22のモードを制御する。
次に第1カウンタ22、第2カウンタ24、制御回路26の動作について説明する。
第1カウンタ22は、カウントアップもしくはカウントダウンを示す位相差信号PDを受け、クロックCLKのポジティブエッジのタイミングで、カウントアップまたはカウントダウンを行う。クロックCLKの周波数は、分周器等によって可変とすることが好ましい。この周波数を可変とすることで、DLL100のループゲインを制御できる。たとえばクロックCLKを生成するために、所定のクロックを可変の分周比で分周する可変分周器を設けてもよい。
第1カウンタ22は、以下の第1モードと第2モードの2つのモードで動作する。
第1モードにおいて、第1カウンタ22は正論理(Positive Logic)でカウント動作する。第2モードにおいて、第1カウンタ22は反転論理(Negative Logic)にてカウント動作するモードである。
第1モードと第2モードは、第1サーモメータコードTC1から第2サーモメータコードTC2に桁上がり(キャリー)が発生する度に、あるいは第2サーモメータコードTC2から第1サーモメータコードTC1に桁下がりが発生する度に、切り換えられる。
別の観点から見れば、第1カウンタ22の動作モードは、第2サーモメータコードTC2が奇数か偶数かに応じて切り換えられる。したがって、第1モードを奇数モード、第2モードを偶数モードともいう。
たとえば第1サーモメータコードTC1が4ビットの場合、10進数で0、1、2、3、4、5、6、7、8、9…とカウントアップする際、そのビット列は、(0000)、(0001)、(0011)、(0111)、(1111)、(0111)、(0011)、(0001)、(0000)…のように遷移する。つまり第1モードでは、(0000)が“0”を、(1111)が“4”を表し、第2モードでは、(1111)が“0”を、”0000”が“4”を表す。
図3は、第1カウンタ22の状態遷移図である。ODD Modeが第1モードに、EVEN Modeが第2モードに対応する。UPは位相差信号PDに対応し、1のときがカウントアップ、0のときがカウントダウンを示す。図3の状態遷移図は、第1サーモメータコードTC1が16ビットの場合を示し、そのビット列を16進数に変換して表記している。つまり、正論理の第1モードでは、10進数、サーモメータコード、16進数の対応は以下のとおりである。
1=(0000000000000000)=0x0000
2=(0000000000000001)=0x0001
3=(0000000000000011)=0x0003
4=(0000000000000111)=0x0007
5=(0000000000001111)=0x000F
6=(0000000000011111)=0x003F
中略
11=(0000011111111111)=0x07FF
12=(0000111111111111)=0x0FFF
13=(0001111111111111)=0x1FFF
14=(0011111111111111)=0x3FFF
15=(0111111111111111)=0x7FFF
16=(1111111111111111)=0xFFFF
10進数の1〜16に対して、上記真理値表を論理反転したコードが対応する。
第1カウンタ22、第2カウンタ24の桁上がり、桁下がりを制御するために、第1キャリービットCY1、第2キャリービットCY2、第1ボロービットBL1、第2ボロービットBL2のフラグが、制御回路26によって管理される。
カウントアップ動作(UP=1)の場合、奇数モードにおいてTC1=16(=#FFFF)となると、第1キャリービットCY1のフラグが立つ(CY1=1)。また偶数モードにおいてTC1=16(=#0000)となると、第2キャリービットCY2のフラグが立つ(CY2=1)。
カウントダウン動作(UP=0)の場合、奇数モードにおいてTC1=0(=#0000)となると、第2ボロービットBL2のフラグが立つ(BL2=1)。また偶数モードにおいて0(=#FFFF)となると、第1ボロービットBL1のフラグが立つ(BL1=1)。
また、奇数モードと偶数モードの切り換えは、アップ信号UPおよび第1サーモメータコードTC1の値に応じて実行される。この切り換えに利用されるビットを、図3にハッチングして示す。
第1キャリービットCY1、第1ボロービットBL1は、第2カウンタ24による第2サーモメータコードTC2の奇数ビットのカウントアップ、カウントダウンに利用される。また、第2キャリービットCY2、第2ボロービットBL2は、第2カウンタ24による第2サーモメータコードTC2の偶数ビットのカウントアップ、カウントダウンに利用される。
以上がカウンタ20の基本的な構成である。このカウンタ20によれば、カウント値CNTを上位桁と下位桁に分割して、それぞれをサーモメータコードによりカウントする。したがって、下位桁内でのカウントアップ、カウントダウンに着目すると、ハミング距離が1であるため、カウンタ20自体および後段のDAC40において発生するノイズを低減することができる。
この効果は以下の具体例により明らかになる。たとえば、サーモメータコードを用いずにバイナリカウンタを用いた場合、カウント値が7から8にカウントアップする際に、バイナリカウント値は(0111)から(1000)へと遷移する。したがって、ハミング距離が4となり、カウンタ20内でスイッチングするゲート素子の個数が増加し、ノイズが大きくなる。これに対して、サーモメータコードを用いた実施の形態に係る技術では、同じカウントアップする際に、サーモメータコードは(01111111)から(11111111)に遷移することになるため、ハミング距離は1であり、ノイズが低減されることになる。
一方、もしカウンタ20のカウント値を分割せずに、ひとつのサーモメータコードを用いてカウントする場合、ハミング距離は常に1となるから、ノイズの観点からはより望ましい設計となろう。しかしながら、同じ最大カウント値を実現しようとした場合のサーモメータコードのビット数が指数関数的に大きくなるという問題が発生する。たとえば最大カウント値256のカウンタを実現する場合、バイナリカウンタを用いれば8ビットで足りるところ、サーモメータコードを用いる場合、256ビットが必要となる。
このビット数の観点からも、実施の形態に係るカウンタ20は優れている。たとえば最大256階調のカウント値を上位桁と下位桁に分割し、それぞれを16ビットのサーモメータコードでカウントすれば、計32ビットで足り、単一のサーモメータコードを用いる場合にくらべて、ビット数を1/8に低減できる。
カウンタ20は、フリップフロップやラッチ回路等の順序回路を用いて構成されるため、その回路面積はカウンタの出力ビット数に比例して増加するところ、実施の形態に係るカウンタ20によれば、バイナリカウンタに比べればフリップフロップやラッチ回路の個数は増加するものの、フルビットをサーモメータコードでカウントする場合に比べて、回路面積を大幅に減少できる。
以上から、実施の形態に係るカウンタ20は、回路面積の観点において優れるバイナリコードを用いたカウンタの利点と、ノイズの観点において優れる単一のサーモメータコードを用いたカウンタの利点とを併せ持っているといえる。
また、実施の形態に係るカウンタ20は、第1カウンタ22を2つの動作モードで切り替え可能に構成することにより、以下の問題が解決できる。もし、第1モード(正論理)のみでカウント動作をする場合、第1サーモメータコードTC1と第2サーモメータコードTC2間の桁上がり、桁下がりが発生する際にハミング距離が大きくなるという問題は避けられない。たとえば4ビットの第1サーモメータコードTC1を第1モードのみを用いてカウントする場合、カウント値が4から5へ遷移する場合、第2サーモメータコードTC2への桁上がりと同時に、第1サーモメータコードTC1が(1111)から(0000)へと遷移してしまい、ハミング距離が大きくなってしまう。第1サーモメータコードTC1のビット数が大きくなるほど、この問題は顕著となる。
カウンタ20によれば、第1モードと第2モードを切り換えることにより、たとえ桁上がりや桁下がりが発生したとしても、ハミング距離を1とすることができ、上記問題を好適に解決できる。たとえば、カウント値が4から5に遷移する場合、第2サーモメータコードTC2への桁上がりと同時に、第1サーモメータコードTC1は正論理の(1111)から、反転論理の(0111)#へと遷移する。”#”は反転論理であることを示す。つまりハミング距離は1であるため、ノイズを低減することができる。
カウンタ20に生ずるノイズは、DLL100により生成されるクロックのジッタとなって現れる。したがってカウンタ20に生ずるノイズを低減することにより、ジッタの少ないクロックを生成できる。
カウンタ20はノイズを低減するためのさらなる特徴を有している。以下この特徴を説明する。
カウンタ20は、第1サーモメータコードTC1から第2サーモメータコードTC2に桁上がりするとき、カウント値を1回分、同じ値に維持する。たとえば、第1サーモメータコードTC1が4ビットの場合のカウント動作は、カウント値CNTは、1、2、3、4、4、5、6、7、8、8、9、10、11、12、12、13、…のように遷移する。
キャリー動作と、第1サーモメータコード、第2サーモメータコードの遷移を同時に行うと、カウンタの動作が不安定になるおそれがある。たとえばカウント値が4から5に遷移する際にカウント値を保持しない場合、(0:1111)から(1:0111)#に遷移するが、この過程で第1サーモメータコードと第2サーモメータコードの遷移に時間差が生ずると、(0:1111)→(0:0111)#→(1:0111)#、つまり4、1、5のように遷移する場合があり、DACの出力にノイズが重畳されてしまう。実施の形態では、カウント値を維持することにより、確実に状態遷移させることができ、ノイズをさらに低減できる。
同様に、カウンタ20は、第2サーモメータコードTC2から第1サーモメータコードTC1に桁下がりするとき、カウント値を1回分、同じ値に維持する。たとえば、第1サーモメータコードTC1が4ビットの場合のカウントダウンにおいて、カウント値CNTは、…、13、12、12、11、10、9、8、8、7、6、5、4、4、3、2、1、0のように遷移する。
ボロー動作時においても、第1サーモメータコード、第2サーモメータコードの遷移を同時に行うと、カウンタの動作が不安定になりDACの出力にノイズが重畳されるおそれがあるが、実施の形態ではカウント値を維持してこのノイズを抑制できる。
言い換えれば、桁上がりもしくは桁下がりが発生すると、第1モードと第2モードの切換のみが行われる。つまり1回分、カウントアップもしくはカウントダウンせず、もとの状態を保持する(ホールド動作という)。
ホールド動作を行うために、制御回路26は、第1ホールドビットHLD1、第2ホールドビットHLD2を管理する。
第1ホールドビットHLD1は、第1キャリービットCY1、第1ボロービットBL1がともに“0”のときのみ“1”となる。第1ホールドビットHLD1は、第1キャリービットCY1、第1ボロービットBL1とともに、第2サーモメータコードTC2の奇数ビットのカウントダウン、カウントアップ、ホールド動作に利用される。
また、第2ホールドビットHLD2は、第2キャリービットCY2、第2ボロービットBL2がともに“0”のときのみ“1”となる。第2ホールドビットHLD2は、第2キャリービットCY2、第2ボロービットBL2とともに、第2サーモメータコードTC2の偶数ビットのカウントダウン、カウントアップ、ホールド動作に利用される。
図4は、第2カウンタ24の状態遷移図である。第2カウンタ24は、第1カウンタ22からの制御ビットCY1、BL1、HLD1を受けて、クロックCLKのポジティブエッジによって第2サーモメータコードTC2の奇数ビットをカウントアップ、カウントダウンし、もしくはホールドする。また、第2カウンタ24は、第1カウンタ22からの制御ビットCY2、BL2、HLD2を受けて、クロックCLKのポジティブエッジによって第2サーモメータコードTC2の偶数ビットをカウントアップ、カウントダウンし、もしくはホールドする。
ホールド動作を行うことにより、上位の第2サーモメータコードTC2と、下位の第1サーモメータコードTC1が同時に遷移するのを防止できる。ホールド動作を行わない場合、カウント値CNTが4から5にカウントアップすると、(00:1111)から(01:0111)への遷移が発生し、第2サーモメータコードTC2と第1サーモメータコードTC1が同時に遷移する。ここで”(TC2:TC1)”のように表記し、“:”は第1サーモメータコードTC1と第2サーモメータコードTC2の境界を示す。下位の第1サーモメータコードTC1の論理反転を行う際に、後述する図5のNANDゲートに入力する信号によってDAC40に供給されるビットが反転される。ビット反転のタイミングと、第1サーモメータコードTC1、第2サーモメータコードTC2の遷移のタイミングにスキューが存在すると、後段のDAC40においてスイッチングノイズが発生することになる。
以上がカウンタ20の構成および動作である。DLL100は、カウンタ20の後段のDAC40にもいくつかの特徴を有している。以下、DAC40について説明する。
図5は、DAC40の構成を示す回路図である。DAC40は、デコーダ42および複数の電流源CS〜CSm×n(単にCSと総称する)を備える。DAC40はいわゆる電流加算型であり、複数の電流源CS〜CSm×nそれぞれは、前段のカウンタ20によるカウント値の1LSBに対応する電流Icを生成する。複数のCS〜CSm×nには、それぞれに対応する制御信号RS〜RSm×nに応じて個別にオン、オフが制御可能なスイッチSW〜SWm×nが設けられている。i番目のスイッチSWがオンすると、i番目の電流源CSにより生成される電流が加算される。なお、スイッチSWの構成および設ける位置は特に限定されず、電流Icをオン、オフできればよい。加算された電流Itotalは、カウンタ20によるカウント値CNTに比例する。
デコーダ42は、第1サーモメータコードTC1および第2サーモメータコードTC2を受け、これらを制御信号RS〜RSm×nにデコードする。
デコーダ42は、電流源CS〜CSm×nごとに設けられたm×n個の論理ゲート群を含む。k番目(k=i+(j−1)×m、1≦i≦m、1≦j≦n)の論理ゲート群は、第1サーモメータコードTC1のiビット目Lと、第2サーモメータコードTC2のjビット目Uを論理演算し、対応するk番目の電流源CSを制御する制御信号RSを生成する。つまり論理ゲート群は、第1サーモメータコードTC1と第2サーモメータコードTC2の各ビットに対してマトリクス配置される。
具体的には、m×n個の論理ゲート群はそれぞれ、負論理入力のORゲートおよびNANDゲートを含む。k番目の論理ゲート群は、ORゲートORjiとNANDゲートNANDjiを含む。ORゲートORjiの2つの反転入力端子にはそれぞれ、NANDゲートNANDjiの出力と、第2サーモメータコードTC2のjビット目Uを論理反転した信号#Uが入力される。
jが奇数の場合、NANDゲートNANDjiの2つの入力端子にはそれぞれ、第1サーモメータコードTC1のiビット目Lと第2サーモメータコードTC2の(j−1)ビット目Uj−1が入力される。j=1の場合、NANDゲートNAND1iの2つの入力端子にはそれぞれ、第1サーモメータコードTC1のiビット目Lとハイレベル(すなわち“1”)が入力される。
jが偶数の場合、NANDゲートNANDjiの2つの入力端子にはそれぞれ、第1サーモメータコードTC1のiビット目Lの反転信号#Lと第2サーモメータコードTC2の(j−1)ビット目Uj−1が入力される。
このように構成された図6のデコーダ42の動作を説明する。
k番目の電流源CSを制御する論理ゲート群の動作に着目する。NANDゲートNANDjiに入力されているひとつ下位のビットUj−1は、その論理ゲート群のイネーブル信号として機能する。
NANDゲートNANDjiは、第2サーモメータコードTC2のひとつ下位のビットUj−1が1のとき、第1サーモメータコードTC1のiビット目L(あるいは#L)を反転して出力する。このとき、負論理入力のORゲートORjiの出力は、第1サーモメータコードTC1のiビット目L/#Lと、第2サーモメータコードTC2のjビット目Uの論理和となる。
なお、NAND11〜NAND1mには、”H”が入力されているため、常時イネーブルであり、負論理入力のORゲートORjiの出力は、第1サーモメータコードTC1のiビット目Lと、第2サーモメータコードTC2の1ビット目Uの論理和となる。
NANDゲートNANDjiは、ひとつ下位のビットUj−1が0のとき、1を出力する。このとき、負論理入力のORゲートORjiの出力は0となるため、電流源CSkはオフとなる。
例えば、Uj−1グループの下位ビットL〜Lがカウントし終わり、全ビットが1となると、ひとつ上位のUグループのNANDj1〜NANDjmには1が入力され、Uのグループがカウント可能となる。つまり、U〜Uのグループの総和は(n−1)×m分の重みとなる。また、UのグループのNANDには、”H”が入力されるため、このグループの重みmを加えると、
(n−1)×m+m=n×m
までのカウントが可能となる。
以上のデコーダ42によれば、第1サーモメータコードTC1、第2サーモメータコードTC2を適切にデコードして、対応する電流源CSを確実に制御できる。なお、信号の論理レベルを反転してANDゲート、ORゲート、NANDゲート、NORゲートなどを相互に置換したものも本発明の範囲に含まれる。
図6は、複数の電流源CS〜CSm×nを示す回路図である。各電流源は同じ構成であるため、代表として1番目の電流源CS1の構成を説明する。
電流源CS1は、第1トランジスタM1と、第1トランスファゲートTG1、第2トランスファゲートTG2、充電トランジスタM2、放電トランジスタM3、インバータINV1を備える。第1トランジスタM1はNチャンネルMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)であり、ソースが接地される。
第1トランスファゲートTG1は、第1のスイッチとして機能し、その一端に所定のバイアス電圧Vbiasが入力され、その他端が第1トランジスタM1の制御端子(ゲート)と接続される。第1トランスファゲートTG1は、対応する制御信号RSに応じてオン、オフする。制御信号RSがハイレベルとなると、第1トランスファゲートTG1がオンし、第1トランジスタM1のゲートにバイアス電圧Vbaisが供給され、バイアス電圧Vbiasに応じたドレイン電流Icが流れる。
第1トランジスタM1のゲートと、固定電圧端子(接地端子)の間には、放電トランジスタM3が設けられる。放電トランジスタM3は、第1トランスファゲートTG1と相補的にオン、オフするように構成される。具体的には、インバータINV1によって制御信号RSが反転され、放電トランジスタM3の制御端子(ゲート)に供給される。放電トランジスタM3を設けることにより、制御信号RSがローレベルとなり電流源CSがオフするときに、第1トランジスタM1のゲート容量を高速に放電することができ、瞬時にオフすることができる。
ここで第1トランジスタM1のスイッチング速度に着目する。制御信号RSがローレベルの状態では、第1トランスファゲートTG1がオフするため、第1トランジスタM1のゲートにバイアス電圧Vbiasが供給されず、電流Icが流れない。
続いて制御信号RSがハイレベルに遷移すると、第1トランスファゲートTG1がオンし、バイアス電圧Vbaisが第1トランジスタM1のゲートに供給される。オフ時に接地電位付近まで低下していた第1トランジスタM1のゲート電圧が、バイアス電圧Vbiasまで上昇するには、図示しないバイアス回路から供給される充電電流Ichg1によって第1トランジスタM1のゲート容量を充電する必要がある。バイアス回路は無視できない出力インピーダンスを有するため、充電電流Ichg1に比例した電圧降下によりバイアス電圧Vbiasが低下し、第1トランジスタM1により生成される電流Icが減少する。このときの減少量をΔIcと書くならば、オンしている電流源CSの個数がn個(nは自然数)だった場合、DAC40全体としてはΔIc×nの電流変動が発生することになる。
この電流変動を抑制するために、バイアス回路と並列に設けられた補助的な充電回路46が設けられる。この充電回路46は、バイアスライン44と固定電圧端子(電源端子)の間に直列に設けられた第2トランスファゲートTG2および充電トランジスタM2を含む。
充電トランジスタM2はPチャンネルMOSFETであり、そのゲートに制御信号RSが入力され、ソースが電源端子と接続される。充電トランジスタM2は、制御信号RSがローレベルのときオン、つまり第1トランスファゲートTG1と逆相でオンとなる。
第2トランスファゲートTG2は、充電トランジスタM2のドレインとバイアスライン44の間に設けられる。第2トランスファゲートTG2にも制御信号RSが入力されており、第1トランスファゲートTG1と同相でオン、オフが制御される。
充電回路46が設けられたDAC40の動作を説明する。制御信号RSがローレベルの状態では、第1トランスファゲートTG1がオフ、放電トランジスタM3がオンとなり、第1トランジスタM1のゲート電位が接地電位付近に固定される。この状態において充電トランジスタM2はオンとなり、充電トランジスタM2と第2トランスファゲートTG2の接続ノードN2の電位は電源電圧にプルアップされ、その容量に電荷が蓄えられる。
続いて制御信号RSがハイレベルに遷移すると、第1トランスファゲートTG1がオンし、第1トランジスタM1のゲート容量がバイアス回路(不図示)からの充電電流Ichg1によって充電される。またこのとき、第2トランスファゲートTG2がオンするため、接続ノードN2に蓄えられた電荷が、第2トランスファゲートTG2および第1トランスファゲートTG1を介して、第1トランジスタM1のゲートに補助的に流れ込む。したがってバイアス回路から供給される充電電流Ichg1が、充電回路46を設けない場合に比べて小さくなるため、バイアス電圧Vbiasの変動を低減することができる。その結果、個々の第1トランジスタM1に流れる電流Icの変動を抑制し、ひいてはDAC40全体の電流Itotalの変動量を減少させることができる。
また、この補助的な充電電流Ichg2によって、充電回路46を設けない場合に比べて第1トランジスタM1のゲート容量の充電速度が速められ、高速にオンさせることが可能となる。
以上、実施の形態に係るDLL100について説明した。続いてそのアプリケーションを説明する。実施の形態に係るDLL100は、半導体試験装置に好適に利用できる。半導体試験装置には、タイミング発生器、パターン発生器、シリアルインタフェースなどのクロックを利用するユニットが多数搭載される。こうしたクロックの生成に、実施の形態に係るDLL100を利用することにより、DLL100内部で生ずるノイズを低減することができ、またジッタの少ないクロックを生成できる。
以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。
実施の形態では、クロック調整回路としてDLL100を例に説明したが、PLLにも本発明は適用可能である。図7は、実施の形態に係るPLL100aの構成を示すブロック図である。PLL100aは、図1の可変遅延回路10に代えて、VCO16および分周器18を備える。
VCO16、入力された制御電圧S1に応じた周波数を有するクロックCLKを生成する。分周器18は、クロックCLKを分周する。位相検出部12は、分周されたクロックCLK2と基準クロックREFCLKの位相差を検出する。ループ制御回路14の動作は図1のDLL100と同様である。DAC40により生成されたアナログ信号S1に応じた制御電圧が、VCO16へと入力される。
実施の形態に係るループ制御回路14をPLL100aに利用することにより、DLL100の場合と同様に、ノイズを低減をはじめとする上述の様々な効果を得ることができる。
実施の形態においてMOSFETとして例示されたトランジスタは、バイポーラトランジスタで構成してもよい。また、天地反転にともなうPチャンネルとNチャンネルの置換や、抵抗の挿入などによる回路の変形例は、当然に本発明の技術的範囲に含まれる。
たとえば図6の電流源CSは、電流シンク(吸い込み)型で構成されるが、第1トランジスタM1をPチャンネルMOSFETとして電流ソース(吐き出し)型で構成してもよい。
実施の形態では、カウント値CNTを上位桁と下位桁に2分割し、2つのサーモメータコードを用いてカウントする場合を説明したが、本発明はこれに限定されない。上位桁をさらに複数に分割してカウントしてもよい。本発明の効果を得るためには、カウント値を複数に分割し、少なくとも最下位の桁と、その次の桁をサーモメータコードによりカウントすればよい。
分割数を増加させると、複数のサーモメータコードの合計ビット数を減らすことができる。たとえば、最大256階調のカウントを行う場合に、16ビット、16ビットに分割する場合、計32ビットが必要であったが、8ビット、8ビット、4ビットのサーモメータコードを用いる場合、計20ビットに減らすことができ、回路面積を低減できる。
なお、3分割以上する場合に、下位から3つ目以降の桁については、必ずしもサーモメータコードを用いる必要はなく、バイナリコードを用いてカウントしてもよい。
実施の形態にもとづき本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が可能である。
本発明によれば、ノイズを低減することができる。
100…DLL、100a…PLL、10…可変遅延回路、12…位相検出部、14…ループ制御回路、16…VCO、18…分周器、20…カウンタ、22…第1カウンタ、24…第2カウンタ、26…制御回路、40…DAC、42…デコーダ、CS…電流源、44…バイアスライン、46…充電回路、M1…第1トランジスタ、M2…充電トランジスタ、M3…放電トランジスタ、TG1…第1トランスファゲート、TG2…第2トランスファゲート、INV1…インバータ、TC1…第1サーモメータコード、TC2…第2サーモメータコード、CY1…第1キャリービット、CY2…第2キャリービット、BL1…第1ボロービット、BL2…第2ボロービット、HLD1…第1ホールドビット、HLD2…第2ホールドビット。

Claims (11)

  1. 基準クロックに対しアナログ信号に応じた可変遅延を与え、遅延クロックを生成する可変遅延回路と、
    前記遅延クロックと基準クロックの位相差を検出し、位相差に応じた位相差信号を生成する位相検出部と、
    前記位相差信号に応じてカウントアップまたはカウントダウンを行うカウンタと、
    前記カウンタのカウント値をアナログ信号に変換し、前記可変遅延回路に供給するデジタルアナログ変換器と、
    を備え、
    前記カウンタは、
    mビット(mは自然数)の第1サーモメータコードを用い、前記位相差信号に応じて前記カウント値の下位桁をカウントする第1カウンタと、
    nビット(nは自然数)の第2サーモメータコードを用い、前記位相差信号に応じて前記カウント値の上位桁をカウントする第2カウンタと、
    前記第1カウンタと前記第2カウンタがキャリー動作およびボロー動作においてもハミング距離が1となる制御を行う制御回路と、
    を含むことを特徴とするループ型クロック調整回路。
  2. 入力された制御電圧に応じた周波数を有するクロックを生成する電圧制御発振器と、
    前記電圧制御発振器により生成されたクロックと基準クロックの位相差を検出し、位相差に応じた位相差信号を生成する位相検出部と、
    前記位相検出部からの位相差信号に応じてカウントアップまたはカウントダウンを行うカウンタと、
    前記カウンタのカウント値をアナログ信号に変換し、前記電圧制御発振器に前記制御電圧として供給するデジタルアナログ変換器と、
    を備え、
    前記カウンタは、
    mビット(mは自然数)の第1サーモメータコードを用い、前記位相差信号に応じて前記カウント値の下位桁をカウントする第1カウンタと、
    nビット(nは自然数)の第2サーモメータコードを用い、前記位相差信号に応じて前記カウント値の上位桁をカウントする第2カウンタと、
    前記第1カウンタと前記第2カウンタがキャリー動作およびボロー動作においてもハミング距離が1となる制御を行う制御回路と、
    を含むことを特徴とするループ型クロック調整回路。
  3. 前記カウンタは、前記第1サーモメータコードから前記第2サーモメータコードに桁上がりするとき、前記カウント値を1回分、同じ値に維持することを特徴とする請求項1または2に記載のループ型クロック調整回路。
  4. 前記カウンタは、前記第2サーモメータコードから前記第1サーモメータコードに桁下がりするとき、前記カウント値を1回分、同じ値に維持することを特徴とする請求項1または2に記載のループ型クロック調整回路。
  5. 前記第1カウンタは、前記第1サーモメータコードを正論理にてカウントする第1モードと、反転論理にてカウントする第2モードと、が切り換え可能であることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のループ型クロック調整回路。
  6. 前記第1カウンタは、前記第2サーモメータコードが奇数か偶数かに応じて、前記第1モードと前記第2モードを切り換えることを特徴とする請求項5に記載のループ型クロック調整回路。
  7. 前記デジタルアナログ変換器は、電流加算型であって、
    前記カウント値の1LSB(Least Significant Bit)に対応する電流を生成し、個別にオン、オフが制御可能なm×n個の電流源と、
    前記第1サーモメータコードと前記第2サーモメータコードをデコードし、前記m×n個の電流源のオン、オフを制御するための制御信号を生成するデコーダと、
    を含み、
    前記デコーダは、前記電流源ごとに設けられたm×n個の論理ゲート群を含み、k番目(k=i+(j−1)×m、1≦i≦m、1≦j≦n)の論理ゲート群は、少なくとも前記第1サーモメータコードのiビット目と、前記第2サーモメータコードのjビット目を論理演算し、対応する前記電流源を制御する制御信号を生成することを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載のループ型クロック調整回路。
  8. 前記k番目の論理ゲート群は、
    j=1の場合、第1サーモメータコードのiビット目と第2サーモメータコードのjビット目の論理和に応じて対応する電流源を制御し、
    j≠1の場合、第2サーモメータコードの(j−1)ビット目がアサートされているとき、第1サーモメータコードのiビット目と第2サーモメータコードのjビット目の論理和に応じて対応する電流源を制御し、第2サーモメータコードの(j−1)ビット目がネゲートされているとき、対応する電流源をオフするように構成されることを特徴とする請求項7に記載のループ型クロック調整回路。
  9. 前記k番目の論理ゲート群は、
    第1サーモメータコードのiビット目に応じたデータと、第2サーモメータコードの(j−1)ビット目(j≠1)に応じたデータとの否定論理積を生成するNANDゲートと、
    前記NANDゲートの出力に応じたデータと、第2サーモメータコードのjビット目に応じたデータとの論理和を生成するORゲートと、
    を含み、j=1に対応する前記NANDゲートには、第2サーモメータコードの(j−1)ビット目に代えて、ハイレベルが入力され、
    前記ORゲートの出力に応じて対応する電流源を制御することを特徴とする請求項8に記載のループ型クロック調整回路。
  10. 前記デジタルアナログ変換器は、電流加算型であって、
    前記カウント値の1LSB(Least Significant Bit)に対応する電流を生成し、個別にオン、オフが制御可能なm×n個の電流源と、
    前記第1サーモメータコードと前記第2サーモメータコードをデコードし、前記m×n個の電流源のオン、オフを制御するための制御信号を生成するデコーダと、
    を含み、
    前記m×n個の電流源はそれぞれ、
    第1トランジスタと、
    前記第1トランジスタの制御端子と、固定電圧端子との間に設けられた放電トランジスタと、
    一端に所定のバイアス電圧が入力され、他端が前記第1トランジスタの制御端子と接続され、対応する前記制御信号に応じてオン、オフする第1スイッチと、
    固定電圧端子と前記バイアス電圧が印加されるバイアスラインとの間に直列に設けられた充電トランジスタおよび第2スイッチと、
    を含み、
    前記第2スイッチを前記第1スイッチと同相でオン、オフさせるとともに、前記充電トランジスタおよび前記放電トランジスタをその逆相でオン、オフさせることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載のループ型クロック調整回路。
  11. 請求項1から10のいずれかに記載のループ型クロック調整回路を備えることを特徴とする試験装置。
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