KR101590701B1 - Digital Loop Filter and Digital Phase Lock Loop Using the Same - Google Patents

Digital Loop Filter and Digital Phase Lock Loop Using the Same Download PDF

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KR101590701B1 KR1020140041189A KR20140041189A KR101590701B1 KR 101590701 B1 KR101590701 B1 KR 101590701B1 KR 1020140041189 A KR1020140041189 A KR 1020140041189A KR 20140041189 A KR20140041189 A KR 20140041189A KR 101590701 B1 KR101590701 B1 KR 101590701B1
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Abstract

본 실시예에 의한 디지털 위상 고정 루프는 디지털 제어 코드에 의하여 출력 신호의 주파수가 제어되는 디지털 제어 발진기와, 디지털 제어 발진기의 출력 신호 주파수를 분주하여 출력하는 분주기와, 기준 신호와 분주기 출력 신호 사이의 주파수 및 위상차를 검출하여 그에 상응하는 오차 신호를 출력하는 시간-디지털 변환기(Time to Digital Converter) 및 오차 신호를 입력받아 디지털 제어 코드를 형성하는 디지털 루프 필터(Digital Loop Filter)를 포함하며, 디지털 루프 필터는, 인테그레이션 이득(integration gain)을 가지는 인테그레이션 경로(integration path)와, 인테그레이션 경로의 신호를 부궤환(negative feedback)하는 부궤환 경로(negative feedback path)를 가지며, 부궤환 경로는 인테그레이션 경로의 출력 신호를 스케일링 이득 값으로 스케일링하는 이득 스케일러(gain scaler)를 포함한다.The digital phase locked loop according to the present embodiment includes a digital controlled oscillator in which the frequency of an output signal is controlled by a digital control code, a frequency divider for dividing and outputting an output signal frequency of the digital controlled oscillator, Digital converter (Time to Digital Converter) for detecting the frequency and phase difference between the input signal and the output signal, and a digital loop filter for receiving the error signal and forming a digital control code, The digital loop filter has an integration path having an integration gain and a negative feedback path for negatively feedbacking a signal of an integration path and the negative feedback path has an integration path having an integration gain, Which scales the output signal of gain < RTI ID = 0.0 > caler.

Figure R1020140041189
Figure R1020140041189

Description

디지털 루프 필터 및 이를 이용한 디지털 위상 고정 루프{Digital Loop Filter and Digital Phase Lock Loop Using the Same}[0001] The present invention relates to a digital loop filter and a digital phase locked loop using the same,

본 발명은 디지털 루프 필터 및 디지털 위상 고정 루프에 관한 것이다.The present invention relates to a digital loop filter and a digital phase locked loop.

종래의 디지털 위상 고정 루프(Digital PLL, Digital Phase Lock Loop)는 디지털 제어 코드로 출력하는 신호의 주파수가 제어되는 디지털 제어 발진기(DCO, Digitally Controlled Oscillator)와, 디지털 제어 발진기의 출력 신호를 분주하여 출력하는 분주기와, 기준 신호와 분주기 출력 신호의 주파수 및 위상 차이를 검출하여 그에 상응하는 오차 신호(error signal)을 출력하는 시간- 디지털 변환기(TDC, Time-Digital Converter)와 오차 신호를 필터링하여 디지털 제어 발진기의 디지털 제어 코드를 형성하는 디지털 루프 필터(Digital Loop Filter)를 포함한다.Conventionally, a digital PLL (Digital Phase Locked Loop) includes a digitally controlled oscillator (DCO) in which the frequency of a signal output as a digital control code is controlled, and a digital controlled oscillator A time-to-digital converter (TDC) that detects the frequency and phase difference of the reference signal and the frequency-divided output signal and outputs an error signal corresponding thereto, and an error signal And a digital loop filter that forms a digital control code of the digitally controlled oscillator.

일본 공개특허공보 특개2009-027581호Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-027581 공개특허공보 제2012-0072200호Patent Publication No. 2012-0072200 일본 공개특허공보 특개2011-015167호Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2011-015167

종래 위상 고정 루프의 전달함수는

Figure 112014033044249-pat00001
로 표현될 수 있다(KP: 프로포셔널 이득, KI: 인테그럴 이득, K = KTDCKDCO/N, KTDC: TDC 이득, KDCO: DCO 이득). 이 전달함수의 영점의 주파수는
Figure 112014033044249-pat00002
로 정해지며, 위상 고정루프의 대역폭에 해당하는 주파수 인근에 위치한다. 영점과 극점들의 위치관계를 살펴보면, 영점은 극점들 중 낮은 주파수를 가지는 극점에 비하여도 낮은 주파수를 가지는데, 이와 같은 영점과 극점 사이의 위치관계에 의하여 위상 고정 루프에는 그 대역폭(bandwidth) 인근의 주파수에서 피킹(peaking)이 발생한다. The transfer function of the conventional phase locked loop is
Figure 112014033044249-pat00001
(K P : Proportional gain, K I : Integral gain, K = K TDC K DCO / N, K TDC : TDC gain, K DCO : DCO gain). The frequency of the zero point of this transfer function is
Figure 112014033044249-pat00002
And is located near the frequency corresponding to the bandwidth of the phase locked loop. The zero point has a lower frequency than the pole having the lower frequency among the poles. Due to the positional relationship between the zero point and the pole, the phase locked loop has a bandwidth close to the bandwidth Peaking occurs at the frequency.

위상 고정 루프의 피킹값을 표시하면

Figure 112014033044249-pat00003
으로 표시할 수 있다. 피킹값을 감소시키기 위하여 댐핑비(
Figure 112014033044249-pat00004
)가 1보다 큰 오버 댐핑의 형태를 가지도록 회로를 설계할 수 있으나, 이 경우 피킹 특성은 양호하게 유지할 수 있으나, 지터 특성과 안정화 시간(settling time) 특성이 열화된다. 반대로 댐핑비를 1보다 작은 언더 댐핑의 형태로 회로를 설계하는 경우에는 지터 특성과 안정화 시간 특성은 양호하게 유지할 수 있으나, 피킹값이 크게 상승하고, 해당 주파수 대역의 지터를 증폭시키게 된다. 나아가, 댐핑비를 1로 하여 오버 댐핑과 언더 댐핑 사이 임계점인 크리티컬 댐핑(critical damping)으로 회로를 설계한다 하더라도 최대 피킹값은 1.25이므로 결국 위상 고정 루프의 대역폭 내 잡음(in-band noise)이 증폭되는 결과를 초래한다. When the peaking value of the phase locked loop is displayed
Figure 112014033044249-pat00003
As shown in FIG. To reduce the peaking value, the damping ratio (
Figure 112014033044249-pat00004
Can be designed to have a form of overdamping greater than 1, but in this case the picking characteristics can be kept good, but the jitter characteristics and settling time characteristics are degraded. On the other hand, when the circuit is designed in the form of under damping in which the damping ratio is less than 1, the jitter characteristic and the stabilization time characteristic can be maintained satisfactorily, but the peak value greatly increases and the jitter of the frequency band is amplified. In addition, even if the circuit is designed with critical damping, which is a critical point between overdamping and under-damping, with a damping ratio of 1, the maximum peaking value is 1.25, which means that the in-band noise of the phase- Lt; / RTI >

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 피킹값을 최소한으로 하며, 지터 특성과 안정화 시간 특성을 열화시키지 않는 디지털 위상 고정 루프를 제공하는 것이 해결하는 것이 그 목적 중 하나이다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a digital phase locked loop which minimizes a peaking value and does not degrade jitter characteristics and stabilization time characteristics.

본 실시예에 의한 디지털 위상 고정 루프는 디지털 제어 코드에 의하여 출력 신호의 주파수가 제어되는 디지털 제어 발진기와, 디지털 제어 발진기의 출력 신호 주파수를 분주하여 출력하는 분주기와, 기준 신호와 분주기 출력 신호 사이의 주파수 및 위상차를 검출하여 그에 상응하는 오차 신호를 출력하는 시간-디지털 변환기(Time to Digital Converter) 및 오차 신호를 입력받아 디지털 제어 코드를 형성하는 디지털 루프 필터(Digital Loop Filter)를 포함하며, 디지털 루프 필터는, 인테그레이션 이득(integration gain)을 가지는 인테그레이션 경로(integration path)와, 인테그레이션 경로의 신호를 부궤환(negative feedback)하는 부궤환 경로(negative feedback path)를 가지며, 부궤환 경로는 인테그레이션 경로의 출력 신호를 스케일링 이득 값으로 스케일링하는 이득 스케일러(gain scaler)를 포함한다.The digital phase locked loop according to the present embodiment includes a digital controlled oscillator in which the frequency of an output signal is controlled by a digital control code, a frequency divider for dividing and outputting an output signal frequency of the digital controlled oscillator, Digital converter (Time to Digital Converter) for detecting the frequency and phase difference between the input signal and the output signal, and a digital loop filter for receiving the error signal and forming a digital control code, The digital loop filter has an integration path having an integration gain and a negative feedback path for negatively feedbacking a signal of the integration path and the negative feedback path has an integration path having an integration gain, Which scales the output signal of gain < RTI ID = 0.0 > caler.

본 실시예에 의한 디지털 루프 필터는 디지털 위상 고정 루프에서 디지털 제어 발진기를 제어하는 제어 코드를 형성하는 디지털 루프 필터(Digital Loop Filter)로, 디지털 루프 필터는 인테그레이션 이득(integration gain)을 가지는 인테그레이션 경로(integration path) 및 인테그레이션 경로의 신호를 부궤환(negative feedback)하는 부궤환 경로(negative feedback path)를 포함하며, 부궤환 경로는 인테그레이션 경로의 출력 신호를 스케일링 이득값으로 스케일링하는 이득 스케일러(gain scaler)를 포함한다. The digital loop filter according to the present embodiment is a digital loop filter that forms a control code for controlling a digital controlled oscillator in a digital phase locked loop, and the digital loop filter has an integration path having an integration gain an integration path and a negative feedback path for negatively feedbacking a signal of an integration path and a negative feedback path includes a gain scaler for scaling an output signal of the integration path to a scaling gain value, .

본 발명의 실시예들에 의하면 위상 고정 루프의 대역폭 인근에서 발생하는 피킹을 효율적으로 방지할 수 있다는 장점이 제공되며, 지터 특성 및 안정화 시간 특성을 양호하게 유지할 수 있다. Embodiments of the present invention provide the advantage of being able to effectively prevent peaking occurring near the bandwidth of the phase locked loop and to maintain good jitter and stabilization time characteristics.

본 발명의 실시예들에 의하면 실질적으로 영점이 형성되지 않거나, 형성되어도 그 영향이 미미하므로, 밴드폭 주파수 인근에서 발생하는 피킹의 영향이 최소화되며, 위상 고정 루프 대역폭 내 노이즈인 인밴드 노이즈의 증폭을 막을 수 있으며, 지터 축적에 의한 위상차 오버슈트의 발생을 막고, 위상 고정 루프의 고정 시간을 감소시킬 수 있다는 효과가 제공된다. According to the embodiments of the present invention, the effect of picking occurring near the band width frequency is minimized and the influence of the in-band noise, which is noise in the phase locked loop bandwidth, is minimized. It is possible to prevent the occurrence of phase difference overshoot due to jitter accumulation and to reduce the fixing time of the phase locked loop.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 고정 루프의 개요를 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 위상 고정 루프의 개요를 도시한 블록도이다.
도 3은 본 실시예에 따른 위상 고정 루프를 65nm LP CMOS 공정을 이용하여 구현한 칩을 촬영한 현미경 사진이다.
도 4a와 도 4b는 종래의 위상 고정 루프와 본 실시예에 따라 구현된 위상 고정 루프에 입력된 클록 위상이 스텝으로 변화할 때 출력 신호의 위상 응답을 각각 도시한 도면이다.
도 5는 본 실시예에 따라 구현된 위상 고정 루프의 대역폭 인근에서 지터 발생이 억제된 것을 보여주는 도면이다.
1 is a block diagram showing an outline of a phase locked loop according to an embodiment of the present invention.
2 is a block diagram illustrating an outline of a phase locked loop according to another embodiment of the present invention.
3 is a photomicrograph of a chip in which a phase locked loop according to the present embodiment is implemented using a 65 nm LP CMOS process.
FIGS. 4A and 4B are diagrams each showing the phase response of the output signal when the clock phase input to the conventional phase locked loop and the phase locked loop implemented according to the present embodiment changes stepwise.
5 is a graph showing that jitter generation is suppressed in the vicinity of the bandwidth of the phase locked loop implemented according to the present embodiment.

본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The description of the present invention is merely an example for structural or functional explanation, and the scope of the present invention should not be construed as being limited by the embodiments described in the text. That is, the embodiments are to be construed as being variously embodied and having various forms, so that the scope of the present invention should be understood to include equivalents capable of realizing technical ideas.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.It should be understood that the singular " include "or" have "are to be construed as including a stated feature, number, step, operation, component, It is to be understood that the combination is intended to specify that it is present and not to preclude the presence or addition of one or more other features, numbers, steps, operations, components, parts or combinations thereof.

각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.Each step may take place differently from the stated order unless explicitly stated in a specific order in the context. That is, each step may occur in the same order as described, may be performed substantially concurrently, or may be performed in reverse order.

본 개시의 실시예들을 설명하기 위하여 참조되는 도면은 설명의 편의 및 이해의 용이를 위하여 의도적으로 크기, 높이, 두께 등이 과장되어 표현되어 있으며, 비율에 따라 확대 또는 축소된 것이 아니다. 또한, 도면에 도시된 어느 구성요소는 의도적으로 축소되어 표현하고, 다른 구성요소는 의도적으로 확대되어 표현될 수 있다.The drawings referred to for explaining embodiments of the present disclosure are exaggerated in size, height, thickness, and the like intentionally for convenience of explanation and understanding, and are not enlarged or reduced in proportion. In addition, any of the components shown in the drawings may be intentionally reduced, and other components may be intentionally enlarged.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
All terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs, unless otherwise defined. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted to be consistent with the meanings in the context of the relevant art and can not be construed as having ideal or overly formal meaning unless explicitly defined in the present application .

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 실시예에 따른 디지털 위상 고정 루프를 설명한다. 본 명세서는 신호 선로의 종류를 구분하지 않으며, 각 선로는 단일 신호 또는 하나 이상의 아날로그 신호 또는 디지털 신호로 구성된 버스 신호로 해석될 수 있다.Hereinafter, a digital phase locked loop according to the present embodiment will be described with reference to the accompanying drawings. The present specification does not distinguish types of signal lines, and each line can be interpreted as a single signal or a bus signal composed of one or more analog signals or digital signals.

본 실시예에 의한 디지털 위상 고정 루프는 디지털 제어 코드에 의하여 출력 신호의 주파수가 제어되는 디지털 제어 발진기와, 디지털 제어 발진기의 출력 신호 주파수를 분주하여 출력하는 분주기와, 기준 신호와 분주기 출력 신호 사이의 주파수 및 위상차를 검출하여 그에 상응하는 오차 신호를 출력하는 시간-디지털 변환기(Time to Digital Converter) 및 오차 신호를 입력받아 디지털 제어 코드를 형성하는 디지털 루프 필터(Digital Loop Filter)를 포함하며, 디지털 루프 필터는, 인테그레이션 이득(integration gain)을 가지는 인테그레이션 경로(integration path)와, 인테그레이션 경로의 신호를 부궤환(negative feedback)하는 부궤환 경로(negative feedback path)를 가지며, 부궤환 경로는 인테그레이션 경로의 출력 신호를 스케일링 이득값으로 스케일링하는 이득 스케일러(gain scaler)를 포함한다.The digital phase locked loop according to the present embodiment includes a digital controlled oscillator in which the frequency of an output signal is controlled by a digital control code, a frequency divider for dividing and outputting an output signal frequency of the digital controlled oscillator, Digital converter (Time to Digital Converter) for detecting the frequency and phase difference between the input signal and the output signal, and a digital loop filter for receiving the error signal and forming a digital control code, The digital loop filter has an integration path having an integration gain and a negative feedback path for negatively feedbacking a signal of the integration path and the negative feedback path has an integration path having an integration gain, Which scales the output signal of gain < RTI ID = 0.0 > sc aler).

도 1은 본 실시예에 따른 디지털 위상 고정 루프의 개요를 도시한 블록도(block diagram)이다. 디지털 제어 발진기(DCO, Digitally Controlled Oscillator, 100)는 출력 신호의 주파수와 위상이 디지털 루프 필터(400)로부터 제공된 디지털 제어 코드(Dctr)에 의하여 제어되어 디지털 제어 코드에 상응하는 주파수와 위상을 가지는 출력 신호(CKout)를 출력한다.FIG. 1 is a block diagram showing an outline of a digital phase locked loop according to the present embodiment. A digitally controlled oscillator (DCO) 100 outputs a frequency and a phase of an output signal, which are controlled by a digital control code Dctr provided from the digital loop filter 400, And outputs the signal CKout.

분주기(200)는 디지털 제어 발진기(DCO, 200)가 출력한 출력 신호(CKout)를 제공 받아 소정의 분주비로 분주한 피드백 클록 신호(CKfb)를 출력한다. 위상 고정 루프(PLL)에 포함된 분주기는 분주비를 조절하여 출력 신호(CKout)의 위상 및 주파수를 조절한다. The frequency divider 200 receives the output signal CKout output from the digital controlled oscillator (DCO) 200 and outputs a feedback clock signal CKfb divided by a predetermined frequency division ratio. The frequency divider included in the PLL adjusts the phase and frequency of the output signal CKout by adjusting the frequency division ratio.

시간-디지털 변환기(TDC, 300)는 피드백 클록 신호(CKfb)와 기준 클록(CKref)신호의 주파수와 위상 차이를 검출하여 그에 상응하는 오차신호(Derr)를 출력한다(S200). 일 예로, 오차 신호(Derr)는 기준 신호에 비하여 피드백 클록 신호의 주파수 및 위상이 뒤쳐지는 경우에 디지털 제어 발진기가 출력하는 출력 신호(CKout)의 위상 및 주파수를 증가시키기 위한 업(up) 신호와 그 반대의 경우에 출력 신호의 위상 및 주파수를 감소시키기 위한 다운(down)신호를 포함한다. The TDC 300 detects the frequency and phase difference of the feedback clock signal CKfb and the reference clock signal CKref and outputs an error signal Derr corresponding thereto in operation S200. For example, the error signal Derr includes an up signal for increasing the phase and frequency of the output signal CKout output from the digital controlled oscillator when the frequency and phase of the feedback clock signal are lower than the reference signal, And a down signal for reducing the phase and frequency of the output signal in the reverse case.

디지털 루프 필터(400)는 오차 신호(Derr)를 제공받아 디지털 제어 발진기(DCO, 100)를 제어하는 디지털 제어 코드를 형성하여 디지털 제어 발진기에 제공한다. 종래의 디지털 루프 필터는 시간-디지털 신호가 제공하는 오차 신호(Derr)를 필터링하여 디지털 제어 발진기(DCO, 100)가 출력하는 신호의 주파수를 제어하는 프로포셔널 이득(proportional gain) 신호와, 위상을 제어하는 인테그레이션 이득(integration gain) 신호를 형성한다. 종래의 디지털 루프 필터를 사용하는 경우에는 위상 고정 루프 전달함수의 형태가 분자에 1차식, 분모에 2차식을 가지는 형태가 되어 영점(zero)이 형성된다. 따라서, 위상 고정 루프의 대역폭에 상응하는 주파수 인근에서 영점에 의한 피킹의 영향을 피할 수 없는 것은 이미 상술한 바와 같다. The digital loop filter 400 receives the error signal Derr to form a digital control code for controlling the digital controlled oscillator (DCO) 100 and provides the digital control code to the digital controlled oscillator. The conventional digital loop filter filters a proportional gain signal that controls the frequency of a signal output from the digital controlled oscillator (DCO) 100 by filtering the error signal Derr provided by the time-digital signal, And an integration gain signal for controlling the integration gain. When a conventional digital loop filter is used, the shape of the phase-locked loop transfer function becomes a form of having a first order in a molecule and a quadratic form in a denominator to form a zero. Therefore, the influence of the peaking due to the zero point near the frequency corresponding to the bandwidth of the phase locked loop can not be avoided as described above.

본 실시예에 의한 디지털 위상 고정 루프에 사용되는 디지털 루프 필터(400)는 인테그레이션 경로(integration path, 410)와 부궤환 경로(negative feedback path, 420)를 포함한다. 일 실시예로, 인테그레이션 경로(410)는 오차신호(Derr)를 제공받아 인테그레이션 이득(KI)을 곱하여 적분연산을 수행하는 적분기(integrator, 412)를 포함하며, 적분기(412)는 인테그레이션 이득(KI)을 조절하여 기준 신호와 피드백 클록 신호(CKfb)의 위상 보정(phase compensation)을 수행한다. The digital loop filter 400 used in the digital phase locked loop according to the present embodiment includes an integration path 410 and a negative feedback path 420. In one embodiment, the integration path 410 includes an integrator 412 that receives the error signal Derr and multiplies the integration gain K I to perform an integration operation, and the integrator 412 includes an integration gain K I ) to perform phase compensation of the reference signal and the feedback clock signal CKfb.

부궤환 경로(420)는 디지털 제어 코드(Dctr) 신호를 제공받아 스케일링 이득(KD, scaling gain)을 곱하여 스케일링(scaling)한다. 일 예로, 부궤환 경로(420)는 디지털 제어 코드(Dctr)을 제공받아 스케일링 이득(KD)로 스케일링(scaling)하는 이득 스케일러(422)를 포함한다. 부궤환 경로(420)는 가산기(500)를 이용하여 스케일링된 신호를 오차 신호(Derr)에 감산하여 디지털 루프 필터의 입력으로 부궤환된다. The negative feedback path 420 receives a digital control code (Dctr) signal and scales it by multiplying the scaling gain K D. In one example, the negative feedback path 420 includes a gain scaler 422 that receives a digital control code Dctr and scales it with a scaling gain K D. The negative feedback path 420 subtracts the scaled signal from the error signal Derr using the adder 500 and is fed back to the input of the digital loop filter.

본 실시예는 이산 시간 디지털(discrete time digital) 회로로 구현될 수 있으며, 디지털 루프 필터(400)의 z 영역 전달함수를 구하면 아래의 수학식 1과 같다. The present embodiment can be implemented as a discrete time digital circuit, and the z-domain transfer function of the digital loop filter 400 can be expressed by Equation (1) below.

Figure 112014033044249-pat00005
Figure 112014033044249-pat00005

이를 이용하여 위상 고정 루프의 z 영역 개방 루프 전달함수를 구하면 아래의 수학식 2와 같다. The z-region open loop transfer function of the phase locked loop is obtained using Equation (2) below.

Figure 112014033044249-pat00006
Figure 112014033044249-pat00006

디지털 루프 필터의 나이퀴스트 주파수(Nyquist Frequency)는 디지털 루프 필터 샘플링 주파수의 1/2로, 나이퀴스트 주파수(fN)가 위상 고정 루프의 대역폭(BPLL)에 비하여 큰 경우(예를 들어, fN > 10×BPLL)에는

Figure 112014033044249-pat00007
으로 근사될 수 있다. 이러한 근사를 이용하여 위상 고정 루프(PLL)의 개방 루프(open loop) s 영역 전달함수는 아래의 수학식 3과 같다.The Nyquist frequency of the digital loop filter is 1/2 of the digital loop filter sampling frequency. If the Nyquist frequency f N is larger than the bandwidth of the PLL (B PLL ) , f N > 10 x B PLL )
Figure 112014033044249-pat00007
. ≪ / RTI > Using this approximation, the open loop s region transfer function of the phase locked loop (PLL) is given by Equation 3 below.

Figure 112014033044249-pat00008
Figure 112014033044249-pat00008

수학식 3으로 표시된 개방 루프 s 영역 전달함수를 이용하여 위상 고정 루프의 폐 루프(closed loop) s 영역 전달함수를 구하면 아래의 수학식 4와 같다.The closed loop s-domain transfer function of the phase locked loop is obtained by using the open loop s-domain transfer function expressed by Equation (3).

Figure 112014033044249-pat00009
Figure 112014033044249-pat00009

수학식 4에서 알 수 있는 바와 같이 본 실시예에 의한 디지털 위상 고정 루프의 전달함수는 종래의 디지털 위상 고정 루프의 전달함수와는 달리 분자에 s의 1차식이 없어 영점이 존재하지 않으며, 단순한 2차 저역통과필터(LPF, Low Pass Filter)의 형태를 가지는 것을 알 수 있다. 따라서, 종래 기술에 의한 위상고정 루프와는 달리 절점 주파수 인근에서의 피킹이 없어지는 것을 수식적으로 확인할 수 있다. As can be seen from Equation (4), unlike the transfer function of the conventional digital phase locked loop, the transfer function of the digital phase locked loop according to the present embodiment has no zero point because there is no first order s of the molecules, And a low pass filter (LPF). Therefore, unlike the phase locked loop of the related art, it can be confirmed mathematically that peaking near the node frequency disappears.

인테그레이션 경로와 부궤환 경로를 가지는 본 실시예에 의한 디지털 루프 필터(400)는 종래의 위상 고정 루프에서 발생하던 대역폭 주파수 인근에서 발생하던 영점이 형성되지 않으므로 대역폭 주파수 인근에서 발생하던 피킹이 형성되지 않는다. 따라서 지터 특성 및 안정화 시간 특성을 양호하게 유지한 채로 피킹이 발생하지 않도록 할 수 있다. The digital loop filter 400 according to the present embodiment having the integration path and the negative feedback path does not form a zero point that has occurred near the bandwidth frequency generated in the conventional phase locked loop and therefore does not form peaking near the bandwidth frequency . Therefore, the peaking can be prevented from occurring while the jitter characteristic and the stabilization time characteristic are maintained satisfactorily.

디지털 루프 필터(400)는 이와 같이 형성된 디지털 제어 코드(Dctr)를 디지털 제어 발진기(100)에 인가한다. 디지털 제어 코드(Dctr)를 인가받은 디지털 제어 발진기는 목적하는 주파수를 가지는 신호를 형성하여 출력한다.
The digital loop filter 400 applies the digital control code Dctr thus formed to the digitally controlled oscillator 100. The digitally controlled oscillator to which the digital control code Dctr is applied forms and outputs a signal having a desired frequency.

본 발명의 또 다른 실시예를 도 2를 참조하여 설명한다. 다만, 간결하고 명확한 설명을 위하여 위에서 설명된 실시예와 중복되는 내용에 대한 설명은 생략할 수 있다. 본 실시예에 따른 디지털 루프 필터(400)는 부궤환 경로(420)내에 고역 통과 필터(HPF, High Pass Filter, 424)를 더 포함한다. 디지털 제어 코드(Dctr)는 디지털 제어 발진기(100)의 주파수와 위상을 제어하는 코드가 중첩된 것이다. 일 예로, 디지털 제어 발진기(DCO, 100)가 출력하도록 설정된 주파수가 2GHz라 하면, 디지털 루프 필터(400)는 디지털 제어 발진기(DCO, 100)가 2GHz 주파수를 가지는 신호를 지속적으로 출력하도록 제어하는 코드와 기준 신호와의 위상차를 보상하도록 비교적 짧은 시간으로 변화하는 코드를 중첩하여 출력한다.Another embodiment of the present invention will be described with reference to Fig. However, for the sake of brevity and clarity, the description of the contents overlapping with the embodiment described above can be omitted. The digital loop filter 400 according to the present embodiment further includes a high pass filter (HPF) 424 in the negative feedback path 420. The digital control code Dctr is a superposition of codes for controlling the frequency and phase of the digital controlled oscillator 100. [ For example, if the frequency set for output by the digital controlled oscillator (DCO) 100 is 2 GHz, the digital loop filter 400 generates a code for controlling the digital controlled oscillator (DCO) 100 to continuously output a signal having a frequency of 2 GHz And the reference signal in a relatively short time so as to compensate for the phase difference.

디지털 제어 발진기(DCO, 100)가 일정한 주파수를 유지하도록 제어하는 코드는 위상 고정 루프가 고정된 이후 변화하지 않거나, 낮은 주파수로 변화한다. 그러나 위상차를 보상하는 코드는 주파수를 유지하도록 제어하는 코드에 비하여 높은 주파수로 변화한다. The code that controls the digital controlled oscillator (DCO) 100 to maintain a constant frequency does not change after the phase locked loop is fixed, or changes to a low frequency. However, the code that compensates for the phase difference changes to a higher frequency than the code that controls to maintain the frequency.

부궤환 경로에 이득 스케일러 만을 포함하는 경우에는 2GHz 주파수를 가지는 신호를 출력하도록 제어하는 코드가 이득 스케일러로 스케일링 되고, 지속적으로 부궤환되어 루프 필터로 인가되므로 그 차이만큼 기준 신호(CKref)와 디지털 제어 발진기(DCO, 100) 출력 신호(CKout) 사이에는 지속적인 위상차가 형성될 수 있다. In the case where only the gain scaler is included in the negative feedback path, a code for controlling the output of the signal having the frequency of 2 GHz is scaled by the gain scaler and is continuously fed back to the loop filter. Therefore, the reference signal (CKref) A continuous phase difference can be formed between the oscillator (DCO, 100) output signal (CKout).

따라서, 부궤환 경로(420)에 고역 통과 필터(HPF, 424)를 두어 부궤환 경로에 제공되는 디지털 제어 코드(Dctr)에 대하여 고역 통과 필터링을 수행하면 고역 통과 필터는 디지털 제어 발진기(DCO, 100)가 일정한 주파수를 출력하도록 지속적으로 유지되는 코드의 통과를 억제하고, 기준 신호와의 위상차를 보상하도록 짧은 시간으로 변화하는 코드를 통과시켜 이득 스케일러(420)에 제공한다. 이득 스케일러(422)는 고역 통과 필터가 제공한 코드에 스케일링 이득으로 스케일링하고, 이를 가산기(500)를 이용하여 오차신호에 감산하여 디지털 루프 필터로 부궤환한다. Therefore, if a high pass filter (HPF) 424 is provided on the negative feedback path 420 and high pass filtering is performed on the digital control code Dctr provided on the negative feedback path, the high pass filter can be a digital controlled oscillator ) Passes through a code that changes in a short time so as to compensate the phase difference from the reference signal, and provides the gain scaler 420 with the code. The gain scaler 422 scales the code provided by the high-pass filter with a scaling gain, subtracts it from the error signal using the adder 500, and feeds back the result to the digital loop filter.

고역 통과 필터를 포함하는 본 실시예에 의하면 디지털 제어 발진기(DCO, 100)가 소정의 주파수를 가지는 신호를 출력하도록 제어하는 코드의 통과에 의하여 형성되는 위상차가 발생하지 않아 디지털 제어 발진기(DC, 100)는 기준 신호(CKref)와 동기된 출력신호(CKout)를 출력할 수 있다. According to the present embodiment including the high-pass filter, the phase difference caused by the passage of the code for controlling the digital controlled oscillator (DCO) 100 to output the signal having the predetermined frequency does not occur, Can output the output signal CKout synchronized with the reference signal CKref.

본 실시예의 동작을 수학적으로 살펴보면 다음과 같다. 일 예로 고역 통과 필터(424)가 1차 고역 통과 필터이면 고역 통과 필터(424)를 포함하는 루프 필터의 z 영역 전달함수는 아래의 수학식 5와 같이 표시될 수 있다.The operation of this embodiment will be described mathematically as follows. For example, if the high-pass filter 424 is a first-order high-pass filter, the z-domain transfer function of the loop filter including the high-pass filter 424 can be expressed by Equation (5) below.

Figure 112014033044249-pat00010
Figure 112014033044249-pat00010

수학식 5의 위상 고정 루프를 포함하는 위상 고정 루프에서 종전 실시예와 동일한 근사를 이용하여 위상 고정 루프의 s 영역 개방 루프 전달함수를 구하면 아래의 수학식 6과 같다.In the phase locked loop including the phase locked loop of Equation (5), the s region open loop transfer function of the phase locked loop is obtained using the same approximation as in the previous embodiment, as shown in Equation (6) below.

Figure 112014033044249-pat00011
Figure 112014033044249-pat00011

수학식 6의 개방 루프 전달함수(G(s))를 이용하여 위상고정루프의 s 영역 폐루프 전달함수(H(s))를 구하면 아래의 수학식 7과 같다. The s-domain closed-loop transfer function H (s) of the phase-locked loop is obtained by using the open-loop transfer function G (s) of Equation (6).

Figure 112015095296809-pat00030
Figure 112015095296809-pat00030

수학식 7로 표현된 전달함수에서 알 수 있는 바와 같이, 분자에 s의 1차항이 형성되어있어 영점이 형성되는 것을 알 수 있다. 그러나, 고역 통과 필터의 이득인 κ가 α와β의 곱에 비하여 충분히 작다면 위 수학식 6는 아래의 수학식 8과 같이 근사될 수 있다. As can be seen from the transfer function expressed by Equation (7), it can be seen that the zero point is formed because the first order term of s is formed in the molecule. However, if the gain κ of the high-pass filter is sufficiently smaller than the product of α and β, Equation (6) can be approximated as Equation (8) below.

Figure 112014033044249-pat00013
Figure 112014033044249-pat00013

즉, 고역 통과 필터(424)의 이득인 κ가 α와β의 곱에 비하여 충분히 작다면 전달함수의 1 차항은 제거되어 수학식 8로 근사된다. 따라서, 실질적으로 영점이 형성되지 않아 밴드폭 주파수 인근에서 발생하는 피킹도 발생하지 않는다.That is, if the gain κ of the high-pass filter 424 is sufficiently small compared with the product of α and β, the first order term of the transfer function is removed and approximated by the following equation (8). Therefore, a substantially zero point is not formed and no peaking occurs near the band width frequency.

위에서 설명된 바와 같이 본 발명의 실시예 들에 따르면 위상 고정 루프의 대역폭 인근에 발생하는 피킹을 효과적으로 제거할 수 있다. 따라서 위상 고정 루프 대역폭내 노이즈인 대역폭 내 노이즈의 증폭을 막을 수 있으며, 지터 축적에 의한 위상차 오버슈트의 발생을 막고, 위상 고정 루프의 고정 시간을 감소시킬 수 있다는 효과가 제공된다.
As described above, according to embodiments of the present invention, peaking occurring near the bandwidth of the phase locked loop can be effectively removed. Therefore, it is possible to prevent amplification of noise in the bandwidth, which is noise in the phase locked loop bandwidth, to prevent occurrence of phase difference overshoot due to jitter accumulation, and to reduce the fixing time of the phase locked loop.

구현예Example  And 시험예Test Example

본 실시예에 따른 위상 고정 루프를 65nm LP CMOS 공정을 이용하여 도 3에 도시된 바와 같이 구현하였다. 이를 구현한 칩의 특성의 아래의 표 1과 같다. The phase locked loop according to this embodiment is implemented as shown in FIG. 3 using a 65 nm LP CMOS process. Table 1 below shows the characteristics of the chip that implements this.

공정fair 65nm 1p8m CMOS LP65nm 1p8m CMOS LP 공급 전압Supply voltage 1.2V1.2V 입력 신호 주파수Input signal frequency 139~148.44MHz139 to 148.44 MHz 출력 신호 주파수Output signal frequency 8.9~9.5GHz8.9 to 9.5 GHz 대역폭Bandwidth 0.3~1.5MHz0.3 to 1.5 MHz 누적 accumulate 지터Jitter 1.2psrms(0.1 to 100MHz)1.2 ps rms (0.1 to 100 MHz) 위상 잡음Phase noise -92.8dBc/Hz at 1MHz 오프셋-92.8dBc / Hz at 1MHz offset -114dBc/Hz at 10MHz 오프셋-114dBc / Hz at 10MHz offset 클록 Clock 지터Jitter
(÷8 (÷ 8 ClockClock ))
3.477psrms at 1.15GHz3.477 ps rms at 1.15 GHz
24pspp 24 ps pp 안정화 시간Stabilization time 1.58μs at 0.7 MHz BW1.58 μs at 0.7 MHz BW 전력 소모Power consumption 63.9 mW63.9 mW

도 4a와 도 4b는 종래의 위상 고정 루프와 본 실시예에 따라 구현된 위상 고정 루프에 입력된 클록 위상이 스텝으로 변화할 때 출력 신호의 위상 응답을 각각 도시한 도면이다. 도 4a에서 확인할 수 있는 바와 같이 종래 위상 고정 루프는 지터 축적에 의한 오버슈트가 발생하는 것을 확인할 수 있으나, 도 4b에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 위상 고정루프는 오버슈트없이 위상고정이 이루어지는 것을 확인할 수 있으며, 그에 따라 종래의 위상 고정 루프에 비하여 2.68배 가량 빠른 위상 고정 시간을 제공하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 5에서 확인할 수 있는 바와 같이 위상 고정 루프의 대역폭 인근에서 지터 발생이 억제되는 것을 확인할 수 있다.
FIGS. 4A and 4B are diagrams each showing the phase response of the output signal when the clock phase input to the conventional phase locked loop and the phase locked loop implemented according to the present embodiment changes stepwise. As shown in FIG. 4A, it can be seen that the conventional phase locked loop generates overshoot due to jitter accumulation. However, as shown in FIG. 4B, the phase locked loop according to the present embodiment is phase locked And thus it can be confirmed that the phase fixing time is 2.68 times faster than that of the conventional phase locked loop. Also, as can be seen from FIG. 5, it can be seen that jitter generation is suppressed in the vicinity of the bandwidth of the phase locked loop.

본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 실시를 위한 실시예로, 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of illustration, It will be appreciated that other embodiments are possible. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the appended claims.

100: 디지털 제어 발진기 200: 분주기
300: 시간-디지털 변환기 400: 디지털 루프 필터
410: 인테그레이션 경로 412: 인테그레이터
420: 부궤환 경로 422: 이득 스케일러
424: 고역 통과 필터 500: 가산기
100: digital controlled oscillator 200: frequency divider
300: time-to-digital converter 400: digital loop filter
410: Integration path 412: Integrator
420: Negative feedback path 422: Gain scaler
424: high pass filter 500: adder

Claims (19)

출력 신호의 주파수가 디지털 제어 코드에 의하여 제어되는 디지털 제어 발진기;
디지털 제어 발진기의 출력 신호 주파수를 분주하여 출력하는 분주기;
기준 신호와 분주기 출력 신호 사이의 주파수 및 위상차를 검출하여 그에 상응하는 오차 신호를 출력하는 시간-디지털 변환기(Time to Digital Converter); 및
상기 오차 신호를 입력받아 상기 디지털 제어 코드를 형성하는 디지털 루프 필터(Digital Loop Filter)를 포함하며,
상기 디지털 루프 필터는, 상기 오차 신호를 적분하는 인테그레이션 경로(integration path)와, 디지털 루프 필터의 출력 신호를 부궤환(negative feedback)하는 부궤환 경로(negative feedback path)를 가지며, 상기 부궤환 경로는 상기 디지털 루프 필터의 출력 신호를 스케일링 이득값으로 스케일링하는 이득 스케일러(gain scaler)를 포함하며,
상기 부궤환 경로는, 상기 인테그레이션 경로의 신호를 입력받아 기준 신호와의 위상차를 보상하는 고역 통과된 신호를 상기 이득 스케일러에 출력하는 고역 통과 필터(High Pass Filter)를 더 포함하는 디지털 위상 고정 루프.
A digital controlled oscillator in which the frequency of the output signal is controlled by a digital control code;
A frequency divider for dividing and outputting an output signal frequency of the digitally controlled oscillator;
A time to digital converter for detecting a frequency and a phase difference between the reference signal and the frequency divider output signal and outputting an error signal corresponding thereto; And
And a digital loop filter for receiving the error signal and forming the digital control code,
Wherein the digital loop filter has an integration path for integrating the error signal and a negative feedback path for negatively feedbacking an output signal of the digital loop filter, And a gain scaler for scaling the output signal of the digital loop filter to a scaling gain value,
Wherein the negative feedback path further comprises a high pass filter for receiving a signal of the integration path and outputting a high pass signal to the gain scaler for compensating for a phase difference from the reference signal.
제1항에 있어서,
상기 디지털 위상 고정 루프는 상기 오차 신호에서 상기 이득 스케일러가 출력한 신호를 감산하는 가산기(adder)를 더 포함하는 디지털 위상 고정 루프.
The method according to claim 1,
The digital phase locked loop further comprising an adder for subtracting the signal output by the gain scaler from the error signal.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 인테그레이션 경로는 상기 오차 신호를 입력받아 소정의 인테그레이션 이득(integration gain)을 가지고 적분하는 인테그레이터를 포함하는 디지털 위상 고정 루프.
The method according to claim 1,
Wherein the integration path includes an integrator that receives the error signal and integrates the integration signal with a predetermined integration gain.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
루프 필터의 z 영역 전달함수는
Figure 112015095296809-pat00018

인 디지털 위상 고정 루프.
The method according to claim 1,
The z-domain transfer function of the loop filter is
Figure 112015095296809-pat00018

Digital phase locked loop.
제1항에 있어서,
위상 고정 루프의 개방 루프 s 영역 전달함수는
Figure 112015095296809-pat00019

로 근사되는 디지털 위상 고정 루프.
The method according to claim 1,
The open-loop s-domain transfer function of the phase-locked loop
Figure 112015095296809-pat00019

Digital phase locked loop.
제1항에 있어서,
위상 고정 루프의 폐루프 s 영역 전달함수는
Figure 112015095296809-pat00031

로 표시되는 디지털 위상 고정 루프.
The method according to claim 1,
The closed-loop s-domain transfer function of the phase locked loop
Figure 112015095296809-pat00031

Digital phase locked loop.
제1항에 있어서,
위상 고정 루프의 폐루프 s 영역 전달함수는
Figure 112015095296809-pat00021

로 근사되는 디지털 위상 고정 루프.
The method according to claim 1,
The closed-loop s-domain transfer function of the phase locked loop
Figure 112015095296809-pat00021

Digital phase locked loop.
디지털 위상 고정 루프에서 디지털 제어 발진기를 제어하는 제어 코드를 형성하는 디지털 루프 필터(Digital Loop Filter)로, 상기 디지털 루프 필터는
인테그레이션 이득(integration gain)을 가지는 인테그레이션 경로(integration path); 및
상기 인테그레이션 경로의 신호를 부궤환(negative feedback)하는 부궤환 경로(negative feedback path)를 포함하며,
상기 부궤환 경로는 인테그레이션 경로의 출력 신호를 스케일링 이득값으로 스케일링하는 이득 스케일러(gain scaler)를 포함하며,
상기 부궤환 경로는, 상기 인테그레이션 경로의 신호를 입력받아 기준 신호와의 위상차를 보상하는 고역 통과된 신호를 상기 이득 스케일러에 출력하는 고역 통과 필터(High Pass Filter)를 더 포함하는 디지털 루프 필터.
A digital loop filter (Digital Loop Filter) for forming a control code for controlling a digitally controlled oscillator in a digital phase locked loop,
An integration path having an integration gain; And
And a negative feedback path for negatively feeding a signal of the integration path,
The negative feedback path comprising a gain scaler for scaling the output signal of the integration path to a scaling gain value,
Wherein the negative feedback path further comprises a high pass filter for receiving a signal of the integration path and outputting a high pass signal for compensating for a phase difference from the reference signal to the gain scaler.
제14항에 있어서,
상기 디지털 루프 필터의 z 영역 전달함수는
Figure 112014033044249-pat00022

인 디지털 루프 필터.
15. The method of claim 14,
The z-domain transfer function of the digital loop filter
Figure 112014033044249-pat00022

In digital loop filter.
삭제delete 삭제delete 제14항에 있어서,
루프 필터의 z 영역 전달 함수는
Figure 112015095296809-pat00023

인 디지털 루프 필터.
15. The method of claim 14,
The z-domain transfer function of the loop filter is
Figure 112015095296809-pat00023

In digital loop filter.
제14항에 있어서,
디지털 루프 필터의 s 영역 전달함수는
Figure 112015095296809-pat00024

로 근사되는 디지털 루프 필터.
15. The method of claim 14,
The s-domain transfer function of the digital loop filter is
Figure 112015095296809-pat00024

Digital loop filter.
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