KR102525786B1 - PLL including Adaptive loop bandwidth gain booster - Google Patents

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KR102525786B1 KR1020200140615A KR20200140615A KR102525786B1 KR 102525786 B1 KR102525786 B1 KR 102525786B1 KR 1020200140615 A KR1020200140615 A KR 1020200140615A KR 20200140615 A KR20200140615 A KR 20200140615A KR 102525786 B1 KR102525786 B1 KR 102525786B1
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Abstract

본 발명은, 본 발명은 루프 대역폭 이득의 적응형 부스터를 구비한 위상 동기 루프에 관한 것으로서, 특히 기준 주파수의 위상 에지와 출력 주파수의 위상 에지를 비교하여 루프 대역폭(Loop Bandwidth)를 조절하는 위상 동기 루프(PLL)에 관한 것이다. 본 발명은 상기 기준 주파수의 위상 에지와 상기 출력 주파수가 N분주된 위상 에지를 비교하여 오차 값을 출력하는 시간 디지털 변환기(TDC: Time to Digital Converter); 상기 오차 값을 입력 받아 저역 대역 필터링을 수행하여 상기 주파수 차이를 조절하기 위한 제어 값을 출력하는 디지털 루프필터(DLF: Digital Loop Filter); 및 상기 제어 값을 입력 받아 PMOS array의 전류 조절을 수행하여 상기 출력 주파수를 제어하는 디지털 제어 발진기(DC0: Digital Controlled Oscillator)를 포함하는 루프 대역폭 이득의 적응형 부스터를 구비한 위상 동기 루프를 제공한다. The present invention relates to a phase-locked loop having an adaptive booster of loop bandwidth gain, and more particularly, a phase-locked loop that adjusts a loop bandwidth by comparing a phase edge of a reference frequency with a phase edge of an output frequency. It is about the loop (PLL). The present invention compares the phase edge of the reference frequency with the phase edge obtained by dividing the output frequency by N, and outputs an error value (TDC: Time to Digital Converter); a digital loop filter (DLF) for outputting a control value for adjusting the frequency difference by receiving the error value and performing low-pass filtering; and a digital controlled oscillator (DC0) for controlling the output frequency by receiving the control value and controlling the output frequency of the PMOS array. .

Description

루프 대역폭 이득의 적응형 부스터를 구비한 위상 동기 루프{PLL including Adaptive loop bandwidth gain booster}Phase locked loop with adaptive loop bandwidth gain booster {PLL including Adaptive loop bandwidth gain booster}

본 발명은 루프 대역폭 이득의 적응형 부스터를 구비한 위상 동기 루프에 관한 것으로서, 특히 기준 주파수의 위상 에지와 출력 주파수의 위상 에지를 비교하여 루프 대역폭(Loop Bandwidth)를 조절하는 위상 동기 루프(PLL)에 관한 것이다.The present invention relates to a phase-locked loop having an adaptive booster of loop bandwidth gain, and more particularly, a phase-locked loop (PLL) that adjusts a loop bandwidth by comparing a phase edge of a reference frequency with a phase edge of an output frequency. It is about.

일반적으로 디지털 시스템에서, 낮은 주파수의 입력 클럭 신호를 이용하여 고주파수의 동작 클럭을 생성하기 위해, 위상 고정 루프 장치(PLL)가 널리 사용되고 있다. PLL(Phase Locked Loop)은 기준 주파수와 출력 주파수와의 위상 비교를 통해 출력 주파수의 위상을 기준 주파수에 동기화시켜 요구하는 주파수를 발생시키는 장치를 말한다. 이때, PLL의 부궤환 구조에서 여러 잡음 요소들이 더해지거나 빼져 위상 잡음이라는 원신호 이외 주파수 성분을 만들게 된다. 이러한 위상 잡음은 시간 상에 지터라는 위상 흔들림으로 나타난다.In general, in a digital system, a phase-locked loop device (PLL) is widely used to generate a high-frequency operation clock using a low-frequency input clock signal. A PLL (Phase Locked Loop) refers to a device that generates a required frequency by synchronizing the phase of the output frequency to the reference frequency through phase comparison between the reference frequency and the output frequency. At this time, in the negative feedback structure of the PLL, various noise components are added or subtracted to create frequency components other than the original signal called phase noise. This phase noise appears as a phase fluctuation called jitter in time.

고성능 디지털 시스템(digital system)의 동작 주파수는 나날이 증가되고 있는데, 이에 따라 외부 노이즈(noise) 등에 대하여 최소한의 지터(jitter) 및 빠른 클럭 리커버리 타임(clock recovery time)을 갖는 위상 고정 루프 장치의 설계가 중요시되고 있다. 외부 노이즈에 대하여 최소한의 지터 및 빠른 클럭 리커버리 타임을 갖기 위해서는 루프 대역폭이 가능한 크게 설계되어야 한다. 그러나 루프 대역폭을 크게 설정하는 경우, 안정성 문제가 야기된다. The operating frequency of high-performance digital systems is increasing day by day, and accordingly, the design of a phase-locked loop device with minimum jitter and fast clock recovery time against external noise is essential. is being given importance. In order to have minimum jitter and fast clock recovery time against external noise, the loop bandwidth should be designed as large as possible. However, when the loop bandwidth is set large, a stability problem is caused.

이와 관련, 종래의 대한민국 공개특허공보 2002-0042032에는 위상 동기 루프 회로 중에서 고정적인 펌프 이득을 갖는 전하 펌프 회로 관련 기술이 기재되어 있으며, 위상 동기 루프 회로의 위상/주파수 검출 회로 관련 기술이 기재되어 있다.In this regard, Korean Patent Laid-open Publication No. 2002-0042032 discloses a charge pump circuit-related technology having a fixed pump gain among phase-locked loop circuits, and a phase/frequency detection circuit-related technology of a phase-locked loop circuit. .

다만 종래의 위상 동기 루프의 내용은 입력 클럭과 동작 클럭의 정확하고 안정적인 동기화를 보장할 수 없는 문제가 발생한다. Analog PLL과 비교하면 잡음 특성이 나빠 개선되어야 할 부분이 많다는 단점이 있어 Digital PLL에 관한 많은 연구가 필요하며, 특히 상술한 문제를 해결하기 위해, 적응적 대역폭 위상 고정 루프 장치(Adaptive Bandwidth PLL)가 필요한 실정이다.However, the content of the conventional phase-locked loop has a problem in that accurate and stable synchronization between the input clock and the operating clock cannot be guaranteed. Compared to the analog PLL, the noise characteristics are poor and there are many areas to be improved, so a lot of research on the digital PLL is required. It is necessary.

한국공개특허 제2002-0042032호Korean Patent Publication No. 2002-0042032

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 적응적 대역폭 위상 고정 루프 장치(Adaptive Bandwidth PLL)의 일종으로, BBPD의 출력 값을 실시간으로 모니터링 하여 현재 상황에 따라 digital gain을 조절하는 루프 대역폭 이득의 적응형 부스터를 구비한 위상 동기 루프를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention is a type of adaptive bandwidth phase-locked loop device (Adaptive Bandwidth PLL) to solve the above-mentioned problems, and an adaptive type of loop bandwidth gain that monitors the output value of BBPD in real time and adjusts the digital gain according to the current situation. It is an object to provide a phase locked loop with a booster.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 실시간으로 출력되는 출력 주파수의 위상 에지와 기준 주파수의 위상 에지를 비교하여 주파수 차이를 조절하는 루프 대역폭 이득의 적응형 부스터를 구비한 위상 동기 루프에 있어서, 상기 기준 주파수의 위상 에지와 상기 출력 주파수가 N분주된 위상 에지를 비교하여 오차 값을 출력하는 시간 디지털 변환기(TDC: Time to Digital Converter); 상기 오차 값을 입력 받아 저역 대역 필터링을 수행하여 상기 주파수 차이를 조절하기 위한 제어 값을 출력하는 디지털 루프필터(DLF: Digital Loop Filter); 및 상기 제어 값을 입력 받아 PMOS array의 전류 조절을 수행하여 상기 출력 주파수를 제어하는 디지털 제어 발진기(DC0: Digital Controlled Oscillator)를 포함하는 루프 대역폭 이득의 적응형 부스터를 구비한 위상 동기 루프를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention compares the phase edge of an output frequency output in real time with the phase edge of a reference frequency to adjust the frequency difference. In a phase-locked loop having an adaptive booster of loop bandwidth gain, the a time-to-digital converter (TDC) for outputting an error value by comparing a phase edge of a reference frequency with a phase edge obtained by dividing the output frequency by N; a digital loop filter (DLF) for outputting a control value for adjusting the frequency difference by receiving the error value and performing low-pass filtering; and a digital controlled oscillator (DC0) for controlling the output frequency by receiving the control value and controlling the output frequency of the PMOS array. .

바람직하게 상기 시간 디지털 변환기(TDC)는, 상기 출력 주파수의 위상 에지가 상기 기준 주파수보다 앞서면 양의 오차 값을 출력하고, 뒤쳐지면 음의 오차 값을 산출하는 BBTDC(Bang bang TDC)를 더 포함할 수 있다.Preferably, the time digital converter (TDC) may further include a bang bang TDC (BBTDC) that outputs a positive error value when the phase edge of the output frequency is ahead of the reference frequency and calculates a negative error value when it lags behind the reference frequency. can

바람직하게 상기 디지털 루프필터는, 상기 오차 값을 입력 받아 상기 루프 대역폭 이득을 조절하기 위한 루프 대역폭 부스트(LBW boost: Loop Bandwidth boost)를 더 포함할 수 있다.Preferably, the digital loop filter may further include a loop bandwidth boost (LBW boost) for adjusting the loop bandwidth gain by receiving the error value.

바람직하게 상기 루프 대역폭 부스트(LBW)는, 상기 루프가 시작하는 시점에서 위상 오차가 클 때는 대역폭 이득(digital gain)을 키우고 루프 대역폭을 키우고, 상기 루프가 완료되는 시점에서 위상 오차가 적을 때는 대역폭 이득(digital gain)을 줄여 루프 대역폭을 줄일 수 있다.Preferably, the loop bandwidth boost (LBW) increases a digital gain and increases a loop bandwidth when the phase error is large at the time the loop starts, and increases the bandwidth gain when the phase error is small at the time the loop is completed. You can reduce the loop bandwidth by reducing the (digital gain).

바람직하게 상기 적응형 부스터는, 상기 루프가 시작해서 완료되는 시점까지 상기 대역폭 이득(digital gain)을 조정하여 상기 기준 주파수와 상기 출력 주파수의 동작 환경에 따라 상기 루프 대역폭(Loop Bandwidth)을 적응형으로 변화시킬 수 있다.Preferably, the adaptive booster adjusts the digital gain from the start of the loop to the point of completion to adjust the loop bandwidth adaptively according to operating environments of the reference frequency and the output frequency. can change

실시 예로 본 발명은 상기 디지털 제어 발진기의 출력 주파수를 상기 기준 주파수의 대역폭으로 조절하는 N분주기(N divider)를 더 포함하고, 상기 N분주기는 위상 동기(phase loop)를 수행하는 경우, [출력 주파수 = 기준 주파수 * N] 의 수식을 만족하는 것을 특징으로 한다.[ It is characterized in that it satisfies the formula of output frequency = reference frequency * N].

또한 본 발명은 상술한 실시 예가 구현될 수 있도록, 위 장치로 실행되는 방법을 프로그램으로 구현하기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체도 포함할 수 있다.In addition, the present invention may also include a computer-readable recording medium on which a program for implementing a method executed by the above device as a program is recorded so that the above-described embodiments can be implemented.

전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따르면, 아날로그 PLL에 비해 속도 면에서 뒤처지는 디지털 PLL의 한계를 극복하는 이점이 있다.According to the present invention having the configuration as described above, there is an advantage overcoming the limitations of the digital PLL that is behind in speed compared to the analog PLL.

또한 본 발명은 디지털 회로에서 발생하는 양자화 잡음에 따른 성능 저하를 개선하고 Loop bandwidth를 동작에 따라 적응형으로 변화시키는 이점이 있다.In addition, the present invention has an advantage of improving performance degradation due to quantization noise generated in a digital circuit and adaptively changing the loop bandwidth according to operation.

또한 본 발명은 디지털 주파수 합성기에 관한 연구 및 개발에 중요한 지표를 제공하여, 종래의 위상 동기 루프의 내용은 입력 클럭과 동작 클럭의 정확하고 안정적인 동기화를 보장하는 적응적 대역폭 위상 고정 루프 장치를 제공하는 이점이 있다.In addition, the present invention provides an important indicator for research and development of digital frequency synthesizers, and the content of the conventional phase-locked loop provides an adaptive bandwidth phase-locked loop device that guarantees accurate and stable synchronization between an input clock and an operating clock. There is an advantage.

도 1은 종래 TDC(Time to digital converter) 기반의 Digital PLL 전체의 블록 다이어그램을 나타낸다.
도 2는 종래 TDC(Time to digital converter)의 상세 블록 다이어그램을 나타낸다.
도 3은 종래 Bang Bang phase detector 기반의 Digital PLL의 전체 블록 다이어그램을 나타낸다.
도 4는 종래 BBPD(Bang Bang Phase Detector)의 상세 블록 다이어그램을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 루프 대역폭 이득의 적응형 부스터가 포함된 BBTDC Digital PLL의 블록 다이어그램을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 루프 대역폭 이득의 적응형 부스터의 상세 블록 다이어그램을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 도 7의 적응형 부스터의 동작 원리(좌)와 순서도(우)를 나타낸다.
1 shows a block diagram of the entire digital PLL based on a conventional time to digital converter (TDC).
2 shows a detailed block diagram of a conventional time to digital converter (TDC).
3 shows an overall block diagram of a digital PLL based on a conventional Bang Bang phase detector.
4 shows a detailed block diagram of a conventional Bang Bang Phase Detector (BBPD).
5 shows a block diagram of a BBTDC Digital PLL including an adaptive booster of loop bandwidth gain according to an embodiment of the present invention.
6 shows a detailed block diagram of an adaptive booster of loop bandwidth gain according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 shows an operating principle (left) and a flowchart (right) of the adaptive booster of FIG. 7 according to the present invention.

이하, 본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용으로서 본 발명의 바람직한 실시 예의 구성과 작용에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, terms used in this specification will be briefly described, and the configuration and operation of a preferred embodiment of the present invention will be described in detail as specific contents for carrying out the present invention.

본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다. The terms used in this specification have been selected from general terms that are currently widely used as much as possible while considering the functions in the present invention, but these may vary depending on the intention of a person skilled in the art, precedent, or the emergence of new technologies. In addition, in a specific case, there is also a term arbitrarily selected by the applicant, and in this case, the meaning will be described in detail in the description of the invention. Therefore, the term used in the present invention should be defined based on the meaning of the term and the overall content of the present invention, not simply the name of the term.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, 명세서 전체에서 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, "그 중간에 다른 구성을 사이에 두고" 연결되어 있는 경우도 포함한다.When it is said that a certain part "includes" a certain component throughout the specification, it means that it may further include other components without excluding other components unless otherwise stated. In addition, terms such as "...unit" and "module" described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented as hardware or software or a combination of hardware and software. . In addition, when a part is said to be "connected" to another part throughout the specification, this includes not only the case of being "directly connected" but also the case of being connected "with another component in between".

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily practice with reference to the accompanying drawings. However, the present invention may be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.

본 발명에서는 일반적인 영문 명칭을 국문과 혼합하여 사용하며, 각 용어의 경우, 시간 디지털 변환기(TDC: Time to Digital Converter), 디지털 루프필터(DLF: Digital Loop Filter), 디지털 제어 발진기(DC0: Digital Controlled Oscillator), 루프 대역폭 부스트(LBW boost: Loop Bandwidth boost)의 형태로 사용될 수 있다.In the present invention, general English names are mixed with Korean names, and in the case of each term, Time to Digital Converter (TDC), Digital Loop Filter (DLF), Digital Controlled Oscillator (DC0) ), and can be used in the form of a loop bandwidth boost (LBW boost).

도 1은 종래 TDC(Time to digital converter) 기반의 Digital PLL 전체의 블록 다이어그램을 나타낸다.1 shows a block diagram of the entire digital PLL based on a conventional time to digital converter (TDC).

도 1을 참조하면, TDC(Time to digital converter)는 기준 주파수의 위상 에지와 N분주된 출력 주파수의 위상 에지를 비교하여 오차 값을 출력한다. DLF(Digital loop filter)는 Low pass filter로써 입력받은 오차값을 필터링하여 DCO의 주파수를 조절하는 제어 값을 출력한다.Referring to FIG. 1, a time to digital converter (TDC) compares a phase edge of a reference frequency with a phase edge of an N-divided output frequency and outputs an error value. DLF (Digital loop filter) is a low pass filter and outputs a control value that adjusts the frequency of the DCO by filtering the input error value.

도 2는 종래 TDC(Time to digital converter)의 상세 블록 다이어그램을 나타낸다.2 shows a detailed block diagram of a conventional time to digital converter (TDC).

도 2를 참조하면, 분주된 출력 주파수의 위상 에지를 Inverter 체인으로 탐지한 후 DFF을 통해 기준 주파수로 샘플링한다. 이때 디지털 LSB의 resolution은 하나의 인버터 지연 시간이다. Referring to FIG. 2, after detecting the phase edge of the divided output frequency with an inverter chain, sampling is performed as a reference frequency through DFF. At this time, the resolution of the digital LSB is one inverter delay time.

여기서,

Figure 112020114292993-pat00001
의 수식을 통해 TDC resolution (Tres)가 크면 In-band phase noise가 증가하여 PLL의 성능이 나빠진다. 이 경우, Loop bandwidth가 과도하게 커 Loop gain 주변에서의 발진을 유발하는 noise peaking이 발생할 수 있는 Limit cycle oscillation 문제가 발생할 수 있다.here,
Figure 112020114292993-pat00001
Through the formula of , if the TDC resolution (Tres) is large, the in-band phase noise increases and the performance of the PLL deteriorates. In this case, a limit cycle oscillation problem may occur, which may cause noise peaking that causes oscillation around the loop gain due to excessively large loop bandwidth.

도 3은 종래 Bang Bang phase detector 기반의 Digital PLL의 전체 블록 다이어그램을 나타낸다.3 shows an overall block diagram of a digital PLL based on a conventional Bang Bang phase detector.

도 3을 참조하면, BBPD는 기준 주파수의 위상 에지와 N분주된 출력 주파수의 위상 에지를 비교하여 오차 값을 출력하는데, DLF(Digital loop filter)는 Low pass filter로써 입력 받은 오차 값을 필터링 하여 DCO의 주파수를 조절하는 제어 값을 출력한다.Referring to FIG. 3, the BBPD compares the phase edge of the reference frequency with the phase edge of the N-divided output frequency and outputs an error value. Outputs a control value that adjusts the frequency of

도 4는 종래 BBPD(Bang Bang Phase Detector)의 상세 블록 다이어그램을 나타낸다.4 shows a detailed block diagram of a conventional Bang Bang Phase Detector (BBPD).

도 4를 참조하면, BBPD의 상세 블록 다이어그램이다. 전통적인 TDC 기반의 Digital PLL과 달리, Phase detector를 Sense amplifier D flip-flop과 같이 입력과 샘플링 주파수가 준안정성을 가져 resolution의 의미가 없이 1아니면 -1을 가지는 값을 출력하게 된다. Referring to Fig. 4, it is a detailed block diagram of BBPD. Unlike the traditional TDC-based Digital PLL, the input and sampling frequency of the phase detector are metastable, such as Sense amplifier D flip-flop, so that a value of 1 or -1 is output without meaning of resolution.

이와 같이 동작하는 것을 Bang bang이라고 하는데, 타이밍 다이어그램에서 보는 바와 같이 출력 주파수의 위상 에지보다 기준 주파수의 위상 에지가 앞서면 -1을 출력하고, 출력 주파수의 위상 에지보다 기준 주파수의 위상 에지가 뒤처지면 1을 출력한다. This operation is called Bang bang. As shown in the timing diagram, -1 is output when the phase edge of the reference frequency precedes the phase edge of the output frequency, and 1 is output when the phase edge of the reference frequency lags behind the phase edge of the output frequency. outputs

도 4의 경우,

Figure 112020114292993-pat00002
의 수식을 통해 Phase detector의 resolution(Tres)는 Phase noise에 전혀 영향을 미치지 않음을 알 수 있다. 그러나 BBPD는 한 번 루프가 돌 때 1 또는 -1의 값만 출력하게 되므로 Loop의 속도가 느려 Slew rate limitation 문제가 생길 수 있다. 또한, Loop bandwidth가 낮은 주파수 대역폭에 있어, Out-band에 spur가 생기고 phase noise가 나빠질 수 있다.In the case of Figure 4,
Figure 112020114292993-pat00002
Through the formula of , it can be seen that the resolution (Tres) of the phase detector does not affect the phase noise at all. However, since BBPD outputs only 1 or -1 when the loop runs once, the loop speed is slow, which can cause slew rate limitation. Also, in the frequency bandwidth where the loop bandwidth is low, spurs may occur in the out-band and phase noise may deteriorate.

본 발명은 상술한 도 1 내지 도 4의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명에 대해 이하 도 5 내지 도 7을 통해 설명한다.The present invention is to solve the above-described problems of FIGS. 1 to 4, and the present invention will be described below with reference to FIGS. 5 to 7.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 루프 대역폭 이득의 적응형 부스터가 포함된 BBTDC Digital PLL의 블록 다이어그램을 나타낸다.5 shows a block diagram of a BBTDC Digital PLL including an adaptive booster of loop bandwidth gain according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 경우, 실시간으로 출력되는 출력 주파수의 위상 에지와 기준 주파수의 위상 에지를 비교하여 주파수 차이를 조절하는 루프 대역폭 이득의 적응형 부스터를 구비한 위상 동기 루프를 제공한다.In the case of the present invention, a phase-locked loop having an adaptive booster of loop bandwidth gain that adjusts a frequency difference by comparing a phase edge of an output frequency outputted in real time with a phase edge of a reference frequency is provided.

본 발명은 상기 기준 주파수의 위상 에지와 상기 출력 주파수가 N분주된 위상 에지를 비교하여 오차 값을 출력하는 시간 디지털 변환기(TDC: Time to Digital Converter); 상기 오차 값을 입력 받아 저역 대역 필터링을 수행하여 상기 주파수 차이를 조절하기 위한 제어 값을 출력하는 디지털 루프필터(DLF: Digital Loop Filter); 및 상기 제어 값을 입력 받아 PMOS array의 전류 조절을 수행하여 상기 출력 주파수를 제어하는 디지털 제어 발진기(DC0: Digital Controlled Oscillator)를 포함할 수 있다.The present invention compares the phase edge of the reference frequency with the phase edge obtained by dividing the output frequency by N, and outputs an error value (TDC: Time to Digital Converter); a digital loop filter (DLF) for outputting a control value for adjusting the frequency difference by receiving the error value and performing low-pass filtering; and a digital controlled oscillator (DC0) for controlling the output frequency by receiving the control value and controlling the current of the PMOS array.

도 5를 참조하면, 적응형 루프 대역폭 부스터(Adaptive loop bandwidth booster)를 포함하는데, BBTDC는 기준 주파수의 위상 에지와 출력 주파수의 위상 에지를 비교하여 출력 주파수의 위상 에지가 앞서면 양의 오차 값, 뒤처지면 음의 오차 값을 출력한다.Referring to FIG. 5, an adaptive loop bandwidth booster is included. The BBTDC compares the phase edge of the reference frequency and the phase edge of the output frequency, and if the phase edge of the output frequency leads, a positive error value and a lag If it is, it outputs a negative error value.

상기 시간 디지털 변환기(TDC)는, 상기 출력 주파수의 위상 에지가 상기 기준 주파수보다 앞서면 양의 오차 값을 출력하고, 뒤쳐지면 음의 오차 값을 산출하는 BBTDC(Bang bang TDC)를 더 포함할 수 있다.The time digital converter TDC may further include a bang bang TDC (BBTDC) outputting a positive error value when the phase edge of the output frequency leads ahead of the reference frequency and calculating a negative error value when it lags behind the reference frequency. .

또한, 상기 디지털 루프필터는, 상기 오차 값을 입력 받아 상기 루프 대역폭 이득을 조절하기 위한 루프 대역폭 부스트(LBW boost: Loop Bandwidth boost)를 더 포함할 수 있다.In addition, the digital loop filter may further include a loop bandwidth boost (LBW boost) for adjusting the loop bandwidth gain by receiving the error value.

상기 루프 대역폭 부스트(LBW boost)는, 상기 루프가 시작하는 시점에서 위상 오차가 클 때는 대역폭 이득(digital gain)을 키우고 루프 대역폭을 키우고, 상기 루프가 완료되는 시점에서 위상 오차가 적을 때는 대역폭 이득(digital gain)을 줄여 루프 대역폭을 줄이는 것을 특징으로 한다.The loop bandwidth boost (LBW boost) increases the bandwidth gain (digital gain) and increases the loop bandwidth when the phase error is large at the time the loop starts, and when the phase error is small at the time the loop is completed, the bandwidth gain ( It is characterized by reducing the loop bandwidth by reducing the digital gain).

이러한 출력 값을 LBW booster는 입력받아, 현재 루프 상황에 맞게 digital gain을 곱해줘 Loop bandwidth를 조절한다. 조절된 값을 α의 gain을 가진 Proportional path와 β의 gain을 가진 Integral path를 통해 Low pass filtering 된 제어 값을 출력한다. 이 제어 값은 DCO의 주파수를 제어하여 출력 주파수 위상 에지와 기준 주파수의 위상 에지를 정렬시킨다.The LBW booster receives these output values and adjusts the loop bandwidth by multiplying the digital gain according to the current loop situation. The adjusted value is output as a low pass filtered control value through a proportional path with a gain of α and an integral path with a gain of β. This control value controls the frequency of the DCO to align the phase edge of the output frequency with the phase edge of the reference frequency.

DCO(Digital controlled oscillator)는 디지털 제어를 통한 PMOS array의 전류 조절로 주파수를 제어한다. N 분주기(divider) 는 기준 주파수와 출력 주파수가 보통 50~100배 이상 차이가 나기 때문에 출력 주파수를 기준 주파수와 비슷하게 맞춰주기 위해서 주파수 분주를 해준다. 따라서 PLL에서 phase lock이 되면 [출력 주파수 = 기준 주파수 * N]이 된다.DCO (Digital Controlled Oscillator) controls the frequency by adjusting the current of the PMOS array through digital control. Since the reference frequency and output frequency usually differ by more than 50 to 100 times, the N divider performs frequency division to adjust the output frequency to be similar to the reference frequency. Therefore, when the PLL is phase locked, [output frequency = reference frequency * N].

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 루프 대역폭 이득의 적응형 부스터의 상세 블록 다이어그램을 나타낸다.6 shows a detailed block diagram of an adaptive booster of loop bandwidth gain according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, BBTDC의 출력은 Adaptive gain boost algorithm의 입력으로 들어간다. BBTDC의 출력은 위상 정보인데 이를 미분해서 주파수 정보로 바꿔주고, 바뀐 주파수 정보에서 현재 정보와 과거 정보를 비교해 EDIFF값을 출력한다. Referring to Figure 6, the output of the BBTDC goes into the input of the adaptive gain boost algorithm. The output of BBTDC is phase information, which is differentiated and converted into frequency information, and the current and past information are compared with the changed frequency information to output E DIFF .

이 값은 적층기(Accumulator)의 Adaptive gain barrel shifter를 제어하는 제어 값을 조정한다. 이 제어 값은 GADP로서, 이 값에 따라 barrel shifter를 2-3에서 24까지 gain을 변화 시켜줄 수 있다. 변화된 gain을 BBPD의 출력에 곱해 DLF로 입력되어 Low pass filtering 된 후 DCO를 제어할 수 있다.This value adjusts the control value that controls the accumulator's adaptive gain barrel shifter. This control value is G ADP , and according to this value, the gain of the barrel shifter can be changed from 2 -3 to 2 4 . The changed gain is multiplied by the output of BBPD and input to DLF, and after low pass filtering, DCO can be controlled.

도 7은 본 발명의 도 7의 적응형 부스터의 동작 원리(좌)와 순서도(우)를 나타낸다.FIG. 7 shows an operating principle (left) and a flowchart (right) of the adaptive booster of FIG. 7 according to the present invention.

상기 적응형 부스터는, 상기 루프가 시작해서 완료되는 시점까지 상기 대역폭 이득(digital gain)을 조정하여 상기 기준 주파수와 상기 출력 주파수의 동작 환경에 따라 상기 루프 대역폭(Loop Bandwidth)을 적응형으로 변화시키는 것을 특징으로 한다.The adaptive booster adjusts the bandwidth gain (digital gain) from the start of the loop to the point of completion to adaptively change the loop bandwidth according to the operating environment of the reference frequency and the output frequency. characterized by

도 7을 참조하면, Gain adaptation during Startup 그림에서 알 수 있듯이, BBTDC의 과거 출력 값 X[n]과 현재 출력 값 X[n+1]을 미분하여 EDIF0를 만든다. 이는 주파수 정보이다. Referring to FIG. 7, as can be seen from the Gain adaptation during Startup figure, E DIF0 is created by differentiating the past output value X[n] and the current output value X[n+1] of BBTDC. This is frequency information.

이러한 방식으로 실시간으로 주파수 정보를 구한 후, 과거 주파수 정보 EDIF0과 EDIF1을 비교하여, 주파수 차이가 크면 GADP를 키우고 주파수 차이가 작으면 GADP를 줄일 수 있으며, 결과적으로 오른쪽 Flow Diagram에 나타나 있듯이 PLL이 Lock이 되면 GADP를 고정한다.After obtaining the frequency information in real time in this way, comparing the past frequency information E DIF0 and E DIF1 , if the frequency difference is large, G ADP can be increased and if the frequency difference is small, G ADP can be decreased. As you can see, when the PLL is locked, G ADP is fixed.

본 발명에 따르면, 아날로그 PLL에 비해 속도 면에서 뒤처지는 디지털 PLL의 한계를 극복할 수 있고, 디지털 회로에서 발생하는 양자화 잡음에 따른 성능 저하를 개선하고 Loop bandwidth를 동작에 따라 적응형으로 변화시키는 이점이 있다.According to the present invention, it is possible to overcome the limitations of the digital PLL, which is behind in speed compared to the analog PLL, to improve the performance degradation due to quantization noise generated in the digital circuit, and to adaptively change the loop bandwidth according to the operation. there is

이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.Although the present invention has been described in detail through representative embodiments, those skilled in the art will understand that various modifications are possible to the above-described embodiments without departing from the scope of the present invention. will be. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments and should not be defined, and should be defined by all changes or modifications derived from the claims and equivalent concepts as well as the claims to be described later.

Claims (7)

실시간으로 출력되는 출력 주파수의 위상 에지와 기준 주파수의 위상 에지를 비교하여 주파수 차이를 조절하는 루프 대역폭 이득의 적응형 부스터를 구비한 위상 동기 루프에 있어서,
상기 기준 주파수의 위상 에지와 상기 출력 주파수가 N분주된 위상 에지를 비교하여 오차 값을 출력하는 시간 디지털 변환기(TDC: Time to Digital Converter);
상기 오차 값을 입력 받아 저역 대역 필터링을 수행하여 상기 주파수 차이를 조절하기 위한 제어 값을 출력하는 디지털 루프필터(DLF: Digital Loop Filter); 및
상기 제어 값을 입력 받아 PMOS array의 전류 조절을 수행하여 상기 출력 주파수를 제어하는 디지털 제어 발진기(DC0: Digital Controlled Oscillator)를 포함하고,
상기 시간 디지털 변환기(TDC)는,
상기 출력 주파수의 위상 에지가 상기 기준 주파수보다 앞서면 양의 오차 값을 출력하고, 뒤쳐지면 음의 오차 값을 산출하는 BBTDC(Bang bang TDC)를 포함하고,
상기 디지털 루프필터(DLF)는,
상기 오차 값을 입력 받아 상기 루프 대역폭 이득을 조절하기 위한 루프 대역폭 부스트(Loop Bandwidth boost)를 포함하고,
상기 루프 대역폭 부스트는,
위상 정보인 상기 BBTDC의 출력을 미분하여 주파수 정보로 변경하고, 상기 주파수 정보에서 현재 정보와 과거 정보를 비교해 EDIFF값을 출력하고, 상기 EDIFF값을 GADP로서 배럴 쉬프터(Adaptive gain barrel shifter)에 입력하여 2-3에서 24까지 대역폭 이득(digital gain)을 변화시키고,
상기 루프 대역폭 부스트는,
상기 루프가 시작해서 완료되는 시점까지 상기 대역폭 이득(digital gain)을 조정하여 상기 기준 주파수와 상기 출력 주파수의 동작 환경에 따라 상기 루프 대역폭(Loop Bandwidth)을 적응형으로 변화시키되, 조절된 α의 gain을 가진 Proportional path 및 β의 gain을 가진 Integral path를 통해 Low pass filtering 된 상기 제어 값을 출력하고,
상기 제어 값은, 상기 DCO의 주파수를 제어하여 출력 주파수의 위상 에지와 기준 주파수의 위상 에지를 정렬시키고,
상기 디지털 제어 발진기의 출력 주파수를 상기 기준 주파수의 대역폭으로 조절하는 N분주기(N divider)를 더 포함하고,
상기 N분주기는 위상 동기(phase loop)를 수행하는 경우,
[출력 주파수 = 기준 주파수 * N] 의 수식을 만족하는 것인, 루프 대역폭 이득의 적응형 부스터를 구비한 위상 동기 루프.
In a phase-locked loop having an adaptive booster of loop bandwidth gain that adjusts a frequency difference by comparing a phase edge of an output frequency output in real time with a phase edge of a reference frequency,
a Time to Digital Converter (TDC) for outputting an error value by comparing a phase edge of the reference frequency with a phase edge obtained by dividing the output frequency by N;
a digital loop filter (DLF) for outputting a control value for adjusting the frequency difference by receiving the error value and performing low-pass filtering; and
A digital controlled oscillator (DC0) for controlling the output frequency by receiving the control value and controlling the current of the PMOS array;
The time digital converter (TDC),
A Bang Bang TDC (BBTDC) outputting a positive error value when the phase edge of the output frequency leads the reference frequency and calculating a negative error value when it lags behind the reference frequency;
The digital loop filter (DLF),
A loop bandwidth boost for adjusting the loop bandwidth gain by receiving the error value,
The loop bandwidth boost,
Differentiates the output of the BBTDC, which is phase information, and changes it to frequency information, compares current information and past information in the frequency information to output an E DIFF value, and takes the E DIFF value as G ADP , a barrel shifter (Adaptive gain barrel shifter) to change the bandwidth gain (digital gain) from 2 -3 to 2 4 ,
The loop bandwidth boost,
The loop bandwidth is adaptively changed according to the operating environment of the reference frequency and the output frequency by adjusting the digital gain from the start of the loop to the point of completion, but the adjusted gain of α Outputting the control value low pass filtered through a proportional path with and an integral path with a gain of β,
The control value controls the frequency of the DCO to align the phase edge of the output frequency with the phase edge of the reference frequency;
Further comprising an N divider for adjusting the output frequency of the digitally controlled oscillator to a bandwidth of the reference frequency,
When the N divider performs a phase loop,
A phase-locked loop with an adaptive booster of loop bandwidth gain, which satisfies the formula [output frequency = reference frequency * N].
삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 루프 대역폭 부스트(LBW)는,
상기 루프가 시작하는 시점에서 위상 오차가 클 때는 대역폭 이득(digital gain)을 키우고 루프 대역폭을 키우고,
상기 루프가 완료되는 시점에서 위상 오차가 적을 때는 대역폭 이득(digital gain)을 줄여 루프 대역폭을 줄이는 것을 특징으로 하는 루프 대역폭 이득의 적응형 부스터를 구비한 위상 동기 루프.
According to claim 1,
The loop bandwidth boost (LBW),
When the phase error is large at the start of the loop, increase the digital gain and increase the loop bandwidth,
A phase-locked loop having an adaptive booster of loop bandwidth gain, characterized in that to reduce the loop bandwidth by reducing the bandwidth gain (digital gain) when the phase error is small at the time the loop is completed.
삭제delete 삭제delete 삭제delete
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