KR20040092477A - 저역통과필터, 피드백 시스템 및 반도체집적회로 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 PLL이나 DLL에서의 루프필터로서의 사용에 적합한 저역통과필터에 대해, 용량소자의 소형화에 따르는 회로면적, 회로복잡성 및 저항값의 증대 등 부수적인 문제를 발생시키는 일없이 종래와 동등한 필터특성을 실현하는 것이다.
직렬로 접속된 용량소자(31) 및 저항소자(32)를 구비한 루프필터(30A)에 있어서, 저항소자(32) 쪽에 입력단(IN1)을 배치함과 동시에, 용량소자(31)와 저항소자(32)의 접속개소에 입력단(IN2)을 배치한다. 그리고 입력단(IN1)에는 전류(Ip)를 부여한다. 한편 입력단(IN2)으로부터는, 입력단(IN1)에 부여되는 전류(Ip)의 일부인 전류(αIp)를 빼내어, 용량소자(31)로 흘러드는 전류가 저항소자(32)를 흐르는 전류보다 작아지도록 한다.
Description
본 발명은, 저역통과필터에 관한 것이며, 특히 위상동기회로나 지연 록 루프회로 등의 피드백 시스템에서 루프필터로서의 사용에 적합한 저역통과필터의 기술에 속한다.
피드백 시스템 특히, 위상동기회로(이하, "PLL"로 칭함)는, 현재 반도체집적회로 시스템의 필수 구성요소가 됐으며, 거의 모든 LSI에 탑재되어있다. 또 그 응용범위는, 통신기기를 비롯해 마이크로 프로세서, IC카드 등, 여러 분야에 걸치고 있다.
도 13은, 일반적인 전하펌프형 PLL의 구성을 나타낸다. 도 13을 참조하면서PLL의 개요를 설명한다. 위상비교기(10)는, PLL에 부여되는 입력클록(CKin)과 귀환클록(CKdiv)의 위상 차를 비교하고, 이 위상 차에 따라 업신호(UP) 및 다운신호(DN)를 출력한다. 전하펌프회로(20)는, 업신호(UP) 및 다운신호(DN)에 기초하여, 전류(Ip)를 출력(토출 및 흡입)한다. 루프필터(30)는 전류(Ip)를 평활화하여 전압(Vout)으로서 출력한다. 전압제어 발진기(40)는 전압(Vout)에 기초하여 PLL의 출력클록(CKout)의 주파수를 변화시킨다. 분주기(50)는, 출력클록(CKout)을 N 분주시켜, 귀환클록(CKdiv)으로서 위상비교기(10)로 피드백한다. 이상의 동작을 반복하는 중, 출력클록(CKout)은 점차 소정의 주파수로 수속되어 록킹된다.
상기의 PLL 구성요소 중, 루프필터(30)는 특히 중요한 요소이다. 루프필터(30)의 필터특성에 따라, PLL의 응답특성이 결정된다고 할 수 있다.
도 14는, 일반적인 루프필터를 나타낸다. 이 중 (a)는 수동필터이며, (b)는 능동필터이다. 양자는 서로 등가변환이 가능하며, 그 전달특성은 같다. 도 14에서 알 수 있는 바와 같이, 루프필터(30)는 수동형식 및 능동형식의 다름에 상관없이, 실질적으로는 저항소자와 용량소자의 조합에 의한 저역통과필터이다.
그런데, PLL 제어이론에 의하면, PLL의 응답대역 폭은 최대라도 입력클록의 10분의 1 정도의 주파수로 하는 것이 바람직하다 한다. 이 이론에 따르면, 비교적 낮은 주파수의 기준클록을 입력으로 하는 PLL에서는, 루프필터의 컷오프 주파수를 낮게 하여 응답대역 폭을 좁게 할 필요가 있다. 따라서 종래 PLL의 루프필터는, 비교적 큰 시간상수, 즉 CR곱을 갖는다. 커다란 CR곱을 실현하기 위해서는 용량소자를 크게 하는 것이 일반적이다.
그러나 용량소자를 크게 하는 것은 회로규모 증대의 요인이 된다. 이는 특히, 다수의 PLL을 구비한 반도체집적회로, 예를 들어 마이크로 프로세서 등에서는 심각한 문제가 된다. 또 특히 IC카드에서는 신뢰성의 관점에서, 카드 두께 이상의 부품을 실장하는 것은 피해야만 하므로, 대형 용량소자의 외부장착 등의 대책을 강구하는 것은 실질적으로 불가능하다. 그래서 루프필터의 용량소자를 작게 하기 위해, 종래 다음과 같은 수단이 강구되었다.
제 1 예는, 통상은 직렬접속되는 용량소자 및 저항소자를 분리시켜 루프필터를 구성하고, 이들 소자에 개별로 전류를 주어 각각에 발생한 전압을 가산회로에서 가산하여 출력한다는 것이다(예를 들어 일특허 제 2778421호 공보(제 3 쪽 제 1 도)). 이에 따르면, 용량소자에 주어지는 전류를 저항소자에 주어지는 전류보다 작게 함으로써, 종래와 동등한 필터특성을 유지하면서 상대적으로 용량소자의 소형화가 가능해진다.
제 2 예는, 본원 발명자가 관여한 특허출원(WO 03-098807 A1)에 관한 저역통과필터이다. 당해 저역통과필터에서는, 제 1 필터수단에 의해 입력신호의 필터링 처리를 실행함과 동시에, 제 2 필터수단에 의해, 제 1 필터수단을 흐르는 제 1 전류에 기초하여 생성된 제 2 전류의 필터링 처리를 실행하고, 가산수단에 의해, 제 1 및 제 2 필터수단에서 각각 발생하는 제 1 및 제 2 전압을 가산하여 출력한다는 것이다. 이에 따르면, 제 1 전류보다 작아지도록 제 2 전류를 생성함으로써, 종래와 동등한 필터특성을 유지하면서 상대적으로 제 2 필터수단의 용량소자 소형화가 가능해진다.
상기 제 1 및 제 2 예에 의하면, 용량소자의 소형화란 목적은 달성되지만, 그와 함께 부수적인 문제도 생겨버린다. 예를 들어 상기 제 1 예에서는, 수동형식의 루프필터를 구성하는 경우라도 가산회로가 필요해지므로, 그만큼 회로면적이 증대되어 회로의 복잡성도 증대된다. 한편 상기 제 2 예에서는, 원래 능동형식의 루프필터를 대상으로 하므로 기본적으로는 연산증폭기를 구비한다. 때문에 제 1 예와는 달리, 여분의 가산수단을 필요로 하지는 않는다. 상기 제 2 예에서 오히려 문제가 되는 것은, 제 2 전류를 작게 하여 제 2 필터수단의 용량소자를 작게 하는 대신, 이 제 2 전류를 생성하는 전류생성수단에서 저항소자의 저항값이 증대한다는 것이다. 저항은 열 잡음을 발생시키므로, 저항값의 증대는 노이즈특성 악화의 요인이 되어 바람직하지 못하다.
상기 문제에 감안하여 본 발명은, 저역통과필터에 대해 용량소자의 소형화에 따르는 회로면적, 회로복잡성 및 저항값의 증대 등 부수적인 문제를 발생시키는 일없이, 종래와 동등한 필터특성을 실현하는 것을 과제로 한다. 그리고 이와 같은 저역통과필터를 루프필터로서 구비한 피드백 시스템, 및 이와 같은 피드백 시스템을 구비한 반도체집적회로의 제공을 과제로 한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 관한 피드백 시스템의 구성도.
도 2는 일반적인 수동필터 및 본 발명의 제 1 실시예에 관한 저역통과필터의 회로도.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 관한 피드백 시스템의 구성도.
도 4는 일반적인 능동필터 및 본 발명의 제 2 실시예에 관한 저역통과필터의 회로도.
도 5는 본 발명의 제 1 및 제 2 실시예에 관한 피드백 시스템의 전하펌프회로의 회로도.
도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 관한 피드백 시스템의 구성도.
도 7은 일반적인 수동필터 및 본 발명의 제 3 실시예에 관한 저역통과필터의 회로도.
도 8은 본 발명의 제 3 실시예에 관한 피드백 시스템에 적응 가능한 능동필터의 회로도.
도 9는 본 발명의 피드백 시스템을 IC카드에 응용한 예.
도 10은 본 발명의 피드백 시스템을 COC부품에 응용한 예.
도 11은 본 발명의 피드백 시스템을 LSI패드영역에 실장한 예.
도 12는 본 발명의 피드백 시스템을 마이크로 프로세서에 실장한 예.
도 13은 일반적인 전하펌프형 PLL의 구성도.
도 14는 일반적인 루프필터의 회로도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
30A, 30B, 30C, 30D, 30E, 30F, 30G : 루프필터(저역통과필터)
31 : 용량소자(제 1 소자블록) 32 : 저항소자(제 2 소자블록)
33 : 용량소자(제 3 소자블록) 35 : 연산증폭기
IN1 : 입력단(제 1 입력단) IN2 : 입력단(제 2 입력단)
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명이 강구한 수단은, 저역통과필터로서 용량소자를 갖는 제 1 소자블록과, 저항소자를 가지며 상기 제 1 소자블록과 직렬로 접속된 제 2 소자블록과, 상기 제 1 및 제 2 소자블록 중 어느 한쪽에 배치되어 제1 전류를 받는 제 1 입력단과, 상기 제 1 소자블록과 상기 제 2 소자블록의 접속개소에 접속되어 제 2 전류를 받는 제 2 입력단을 구비하여, 상기 제 1 및 제 2 소자블록에 걸쳐 발생하는 전압을 출력신호로 하는 것이다. 여기서 상기 제 1 소자블록은 상기 제 1 전류의 적어도 일부로서, 상기 제 2 소자블록을 흐르는 전류와 상기 제 2 전류의 차에 상당하는 전류를 받는 것으로 한다.
이에 의하면, 제 1 소자블록을 흐르는 전류를, 제 2 소자블록을 흐르는 전류보다 작게 할 수 있다. 즉 제 1 소자블록에서 제 2 소자블록 방향으로 전류가 흐를 경우에는, 제 1 소자블록을 흐르는 전류에 제 2 입력단이 받는 제 2 전류가 합류하여, 제 2 소자블록을 흐르게 된다. 한편 제 2 소자블록에서 제 1 소자블록 방향으로 전류가 흐를 경우에는, 제 2 소자블록을 흐르는 전류가 분류되어, 제 2 전류로서 제 2 입력단에 주어지게 된다. 따라서 제 2 소자블록에서 저항소자의 저항값을 증대시키는 일없이, 제 1 소자블록의 용량소자만을 상대적으로 작게 하여, 제 1 및 제 2 소자블록간에 발생하는 전압을 유지할 수 있다. 즉 저항값이나 회로복잡성의 증대 등 부수적인 문제를 발생시키는 일없이, 저역통과필터에서의 용량소자 소형화를 실현할 수 있다.
구체적으로는 상기 저역통과필터에 있어서, 상기 제 1 입력단은 상기 제 2 소자블록 쪽에 배치되는 것이며, 상기 제 2 전류는 상기 제 1 전류의 역방향 소정 배수에 상당하는 전류인 것으로 한다.
또 구체적으로는 상기 저역통과필터에 있어서, 상기 제 1 입력단은 상기 제 1 소자블록 쪽에 배치되는 것이며, 상기 제 2 전류는 상기 제 1 전류와 같은 방향의 소정 배수에 상당하는 전류인 것으로 한다.
그리고 상기 저역통과필터는 용량소자를 가지며, 상기 제 1 입력단과 기준전압 사이에 배치된 제 3 소자블록을 구비하는 것이 바람직하다. 이로써 2 차 저역통과필터를 구성할 수 있다.
또 상기 저역통과필터는, 역상(逆相) 입력단과 출력단 사이에 상기 제 1 및 제 2 소자블록을 가지며, 정상(正相) 입력단에 기준전압이 부여된 연산증폭기를 구비하고, 상기 제 1 입력단은, 상기 연산증폭기의 역상 입력단 쪽에 배치되는 것이 바람직하다. 이로써 능동형식의 저역통과필터를 구성할 수 있다.
또한 상기 저역통과필터의 변형으로서, 용량소자를 갖는 제 1 소자블록과, 저항소자를 가지며 상기 제 1 소자블록과 직렬로 접속된 제 2 소자블록과, 역상 입력단과 출력단 사이에 상기 제 1 및 제 2 소자블록을 가지며 정상 입력단에 기준전압이 부여되는 연산증폭기와, 제 1 전류를 받는 제 1 입력단과, 상기 연산증폭기의 역상 입력단에 접속되어 제 2 전류를 받는 제 2 입력단과, 상기 제 1 입력단과 기준전압 사이에 배치된 용량소자와, 상기 제 1 입력단과 상기 연산증폭기의 역상 입력단 사이에 배치된 저항소자를 갖는 제 3 소자블록을 구비하여, 상기 제 1 및 제 2 소자블록에 걸쳐 발생하는 전압을 출력신호로 하는 것인 저역통과필터를 구성하는 것으로 한다. 여기서 상기 제 1 소자블록은, 상기 제 1 전류의 일부로서, 상기 제 3 소자블록의 상기 저항소자를 흐르는 전류와 상기 제 2 전류와의 차에 상당하는 전류를 받는 것으로 한다.
즉, 이 저역통과필터는, 제 2 입력단을, 제 1 및 제 2 소자블록간이 아닌,제 1 및 제 2 소자블록과 제 3 소자블록 사이에 배치한 형태이다. 그리고 이에 따르면, 제 1 소자블록을 흐르는 전류를, 제 3 소자블록의 저항소자를 흐르는 전류보다 작게 할 수 있다. 이 저역통과필터의 경우, 제 2 소자블록 저항소자의 저항값은 증대하게 되지만, 제 1 소자블록에서의 용량소자는 소형화 할 수 있다.
한편, 본 발명이 강구한 수단은, 입력클록에 기초하여 생성된 출력클록을 귀환시키고, 이 출력클록을 소정의 특성으로 하는 피드백 시스템으로서, 직렬접속되며, 용량소자를 갖는 제 1 소자블록 및 저항소자를 갖는 제 2 소자블록과, 상기 제 1 및 제 2 소자블록 중 어느 한쪽에 배치되어 제 1 전류를 받는 제 1 입력단과, 상기 제 1 소자블록과 상기 제 2 소자블록의 접속개소에 접속되어 제 2 전류를 받는 제 2 입력단을 구비하고, 상기 제 1 소자블록은, 상기 제 1 전류의 적어도 일부로서, 상기 제 2 소자블록을 흐르는 전류와 상기 제 2 전류의 차에 상당하는 전류를 받는 것이며, 상기 제 1 및 제 2 소자블록에 걸쳐 발생하는 전압을 출력신호로 하는 루프필터와, 상기 입력클록과 귀환된 클록과의 위상 차에 기초하여 상기 제 1 및 제 2 전류를 생성하는 전하펌프회로와, 상기 루프필터로부터의 출력신호에 기초하여 상기 출력클록을 생성하는 출력클록 생성수단을 구비하는 것으로 한다.
이와 같이, 피드백 시스템의 루프필터로서, 상기 저역통과필터와 마찬가지 구성의 것을 이용함으로써, 피드백 시스템 전체적인 회로면적을 저감할 수 있다.
구체적으로, 상기 출력클록 생성수단은, 상기 출력클록을 발진시키고, 상기 루프필터로부터의 출력신호에 기초하여, 발진주파수를 변화시키는 전압제어 발진기이다.
또 구체적으로, 상기 출력클록 생성수단은, 상기 입력클록 및 상기 루프필터로부터의 출력신호에 기초하여, 상기 출력클록의, 상기 입력클록으로부터의 지연량을 변화시키는 전압제어 지연회로이다.
또한 구체적으로 상기 피드백 시스템에 있어서, 루프필터의 제 1 입력단은 상기 제 2 소자블록 쪽에 배치되는 것이며, 상기 제 2 전류는, 상기 제 1 전류의 역방향 소정 배수에 상당하는 전류인 것으로 한다. 그리고 상기 전하펌프회로는, 상기 제 1 전류를 출입하는 제 1 부분 전하펌프회로와, 상기 제 2 전류를 출입하는 제 2 부분 전하펌프회로를 구비하는 것으로 한다.
또 구체적으로 상기 피드백 시스템에 있어서, 상기 루프필터의 제 1 입력단은 상기 제 2 소자블록 쪽에 배치되는 것이며, 상기 제 2 전류는 상기 제 1 전류의 역방향 소정 배수에 상당하는 전류인 것으로 한다. 그리고 상기 전하펌프회로는, 상기 제 1 전류와 상기 제 2 전류의 차에 상당하는 전류를 출입하는 제 1 부분 전하펌프회로와, 상기 제 2 전류를 출입하는 제 2 부분 전하펌프회로를 구비하며, 상기 제 1 및 제 2 부분 전하펌프회로가 각각 출입하는 전류를 합성하여 상기 제 1 전류를 얻는 것으로 한다.
또한 구체적으로 상기 피드백 시스템에 있어서, 상기 루프필터의 제 1 입력단은, 상기 제 1 소자블록 쪽에 배치되는 것이며, 상기 제 2 전류는, 상기 제 1 전류의 같은 방향 소정 배수에 상당하는 전류인 것으로 한다. 그리고 상기 전하펌프회로는, 상기 제 1 전류를 출입하는 제 1 부분 전하펌프회로와, 상기 제 2 전류를 출입하는 제 2 부분 전하펌프회로를 구비하는 것으로 한다.
상술한 목적 및 기타의 목적과 본 발명의 특징 및 이점은 첨부 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통해 보다 분명해 질 것이다.
(실시예)
이하 본 발명의 실시예에 대해 도면을 참조하면서 설명한다.
(제 1 실시예)
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 관한 피드백 시스템의 구성을 나타낸다. 본 실시예에 관한 피드백 시스템은, 위상비교기(10)와, 전하펌프회로(20A), 루프필터(30A), 출력클록 생성수단으로서의 전압제어 발진기(40), 그리고 분주기(50)를 구비한 PLL이다. 이 중 위상비교기(10), 전압제어 발진기(40) 및 분주기(50)에 대해서는 이미 설명한 바와 같다. 이하 전하펌프회로(20A) 및 루프필터(30A)에 대해 상세히 설명하기로 한다.
전하펌프회로(20A)는, 부분 전하펌프회로로서 2 개의 일반적인 전하펌프회로(20a 및 20b)를 구비한다. 전하펌프회로(20a)는, 위상비교기(10)로부터 출력되는 신호(UP 및 DN)에 따라 전류(Ip)를 출입시킨다. 한편 전하펌프회로(20b)는 신호(UP 및 DN)에 따라 전류(Ip)의 역방향 소정 배에 상당하는 전류(αIp)(단 0＜α＜1)를 출입시킨다. 즉 전하펌프회로(20A)는, 신호(UP 및 DN)에 따라 2 계통의 전류인 전류(Ip) 및 이와는 역방향인 전류(αIp)를 출입시킨다.
루프필터(30A)는, 전하펌프회로(20A)에서 출입되는 전류(Ip 및 αIp)를 각각 입력단(IN1 및 IN2)에 입력한다. 루프필터(30A)에서, 입력단(IN1)과 기준전압 사이에는, 제 1 소자블록으로서의 용량소자(31)가 배치된다. 또 입력단(IN1)과 입력단(IN2) 사이에는, 제 2 소자블록으로서의 저항소자(32) 및 용량소자(33)가 병렬 접속되어 배치된다. 그리고 루프필터(30A)는, 입력단(IN1)의 전압(Vout), 즉 용량소자(31) 및 저항소자(32)에 걸쳐 생성되는 전압을 출력으로 한다.
루프필터(30A)에서, 입력단(IN1)에 부여된 전류(Ip)는, 병렬 접속된 저항소자(32) 및 용량소자(33)를 흘러, 입력단(IN2)으로부터 그 일부인 전류(αIp)가 발취된다. 따라서 용량소자(31)에는 병렬 접속된 저항소자(32) 및 용량소자(33)를 흐르는 전류의 일부밖에 유입되지 않으므로, 그 정전용량을 상대적으로 작게 할 수 있다. 그리고 용량소자(31)를 소형화한 경우의 용량소자(31) 및 저항소자(32)에 걸쳐 생성되는 전압은, 입력단(IN2)을 구성시키지 않고 용량소자(31)도 소형화시키지 않는 종래의 경우에 있어서, 입력단(IN1)에 전류(Ip)를 부여했을 때 생기는 전압과 다르지 않다.
도 2는, 일반적인 수동필터 및 본 실시예에 관한 저역통과필터의 회로구성을 나타낸다. 도 2의 (a)에 나타낸 루프필터(30)는, 도 14의 (a)에 나타낸 루프필터(30)와 등가의 전달특성을 갖는 일반적인 저역통과필터이다. 여기서 용량소자(31)와 저항소자(32) 사이에 입력단(IN2)을 배치하고, 이 입력단(IN2)에, 입력단(IN1)에 주어지는 전류(Ip)와 역방향으로 전류(9Ip/10)를 부여하도록 함과 동시에, 용량소자(31)의 정전용량을 1/10배로 함으로써, 도 2의 (b)에 나타낸 저역통과필터, 즉 본 실시예에 관한 루프필터(30A)가 구성된다. 그리고 도 2의 (a)에 나타낸 루프필터(30) 및 도 2의 (b)에 나타낸 루프필터(30A)의 전달함수는, 모두 같으며, 다음의 식(1)으로 나타난다.
1+(C3R+RC)s/(s(1+sC3R)C) ..................(1)
상기와 같이, 본 실시예에 관한 루프필터(30A)는, 종래의 일반적인 수동형식의 루프필터(30)와 동등한 전달특성을 발휘하면서도, 구비해야 할 용량소자(31)의 정전용량을 종래보다 작게 할 수 있다. 더욱이 용량소자(31)의 정전용량 축소의 대가로서 저항소자(32)의 저항값이 증대하는 일은 없다. 또 용량소자(31)에 생기는 전압과 저항소자(32)에 생기는 전압을 가산하기 위한 가산회로를 별도로 배치할 필요도 없다. 즉 종래의 수동형식 루프필터(30)의 회로구성을 아무런 변경 없이, 입력단(IN2)을 배치하여 소정의 전류를 부여하도록 하는 것만으로, 종래보다 한결 소형의 수동형식 루프필터를 실현할 수 있다.
또한 루프필터(30A)는 다음 식(2)의 조건을 만족시키도록 각 소자값을 조정함으로써, 도 2의 (c)에 나타낸 루프필터(30B)로 등가변환시킬 수 있다.
(1+C3/C)/(RC3)＝(1+10C4/C)/(R2C4) ..................(2)
루프필터(30B)는, 제 1 소자블록으로서의 용량소자(31)와, 이에 직렬로 접속된 제 2 소자블록으로서의 저항소자(32)와, 입력단(IN1)에 접속된 제 3 소자블록으로서의 용량소자(33)를 구비한다. 용량소자(33)의 한끝은 기준전압에 접속되어, 루프필터(30B)의 회로구조는 도 14의 (a)에 나타낸 종래의 수동필터와 실질적으로 마찬가지이다. 그리고 도 1에서, 루프필터(30A)를 루프필터(30B)로 치환시켜도 됨은 물론이다.
이상 본 실시예에 의하면, 종래의 수동형식 루프필터의 회로구성을 전혀라고 해도 과언이 아닐 정도로 변경하는 일없이, 또 루프필터의 저항소자 저항값을 증대시키는 일없이, 용량소자의 정전용량만을 작게 하여 종래와 동등한 전달특성을 나타내는 루프필터를 실현할 수 있다.
여기서 상기 예에서는, 용량소자(31)의 정전용량을 1/10배로 하지만, 입력단(IN2)에 부여하는 전류를, 예를 들어 99Ip/100로 함으로써, 용량소자(31)의 정전용량을 1/100배까지 소형화하는 것도 가능하다. 또 그 이상으로 소형화하는 것도 가능한 것은 명백한 일이다.
(제 2 실시예)
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 관한 피드백 시스템의 구성을 나타낸다. 제 1 실시예에 관한 피드백 시스템은, 수동형식의 루프필터(30A)를 구비한 PLL인데 반해, 본 실시예에 관한 피드백 시스템은, 능동형식의 루프필터(30C)를 구비한 PLL이다. 본 실시예의 PLL 구성요소 중, 루프필터(30C) 이외의 것에 대해서는 이미 설명한 바와 같다. 이하 루프필터(30C)에 대해 상세히 설명한다.
루프필터(30C)는, 제 1 소자블록으로서의 용량소자(31)와, 이에 직렬로 접속된 제 2 소자블록으로서의 저항소자(32)와, 제 3 소자블록으로서의 용량소자(33)와, 저항소자(34)와, 연산증폭기(35)를 구비한다. 연산증폭기(35)의 출력단은 용량소자(31)의 한 끝에 접속되며, 역상(逆相)입력단은 저항소자(32)와 저항소자(34)의 접속 개소에 접속되고, 또 정상(正相)입력단에는 기준전압이 부여된다. 루프필터(30C)에서 입력단(IN1)은, 용량소자(33)와 저항소자(34)의 접속 개소에 접속되며, 입력단(IN2)은, 용량소자(31)와 저항소자(34)의 접속 개소에 접속된다. 그리고 루프필터(30C)는 전하펌프회로(20A)로부터 출입되는 전류(Ip 및 αIp)를 각각 입력단(IN1 및 IN2)으로 입력하고, 연산증폭기(35)의 출력단 전압(Vout), 즉 용량소자(31) 및 저항소자(32)에 걸쳐 생기는 전압을 출력으로 한다.
루프필터(30C)에서, 입력단(IN1)에 부여된 전류(Ip)의 일부는 저항소자(32)를 흘러, 입력단(IN2)으로부터 그 일부인 전류(αIp)가 발취된다. 따라서 용량소자(31)에는 저항소자(32)를 흐르는 전류의 일부밖에 흘러들지 않으므로, 그 정전용량을 상대적으로 작게 하기가 가능해진다. 그리고 용량소자(31)를 소형화시킨 경우의 연산증폭기(35)의 출력단 전압은, 입력단(IN2)을 배치하지 않고 용량소자(31)도 소형화시키지 않는 종래의 경우에 있어서, 입력단(IN1)에 전류(Ip)를 부여했을 때 생기는 전압과 아무런 변함이 없다.
도 4는 일반적인 능동형식 및 본 실시예에 관한 저역통과필터의 회로구성을 나타낸다. 도 4의 (a)에 나타낸 루프필터(30)는 도 14의 (b)에 나타낸 루프필터(30) 그 자체이다. 여기서 용량소자(31)와 저항소자(32) 사이에 입력단(IN2)을 배치하고, 이 입력단(IN2)에, 입력단(IN1)에 부여되는 전류(Ip)와 역방향으로 전류(9Ip/10)를 부여하도록 함과 동시에, 용량소자(31)의 정전용량을 1/10배로 함으로써, 도 4의 (b)에 나타낸 저역통과필터, 즉 본 실시예에 관한 루프필터(30C)가 구성된다. 여기서 도 4의 (a)에 나타낸 루프필터(30) 및 도 4의 (b)에 나타낸 루프필터(30C)의 전달함수는 모두 같으며, 실질적으로 상기 식(1)과 같이 된다.
상기와 같이, 본 실시예에 관한 루프필터(30C)는, 종래의 일반적인 능동형식 루프필터(30)와 동등한 전달특성을 나타내면서도, 구비해야 할 용량소자(31)의 정전용량을 종래보다 작게 할 수 있다. 더욱이 용량소자(31)의 정전용량 축소의 대가로서 저항소자(32) 저항값이 증대하는 일은 없다. 즉 종래의 능동형식 루프필터(30)의 회로구성을 아무런 변경 없이, 입력단(IN2)을 배치하여 소정의 전류를 부여하도록 하는 것만으로, 종래보다 한결 소형의 능동형식 루프필터를 실현할 수 있다.
그리고 루프필터(30C)는, 도 4의 (c)에 나타낸 루프필터(30D)로 등가변환할 수 있다. 루프필터(30D)는, 입력단(IN2)이 연산증폭기(35)의 역상입력단, 즉 저항소자(32)와 저항소자(34)의 접속 개소에 배치되는 점에서 루프필터(30C)와 다르다. 루프필터(30D)에 대해서도, 용량소자(31)로 흘러드는 전류를 작게 할 수 있으므로, 그 정전용량을 상대적으로 작게 할 수 있다. 그러나 저항소자(32)를 흐르는 전류까지 작아져버리기 때문에, 저항소자(32)의 저항값을 비교적 크게 해야 한다는 결점이 있다. 그리고 도 3에서, 루프필터(30C)를 루프필터(30D)로 치환하는 것이 가능하다.
이상, 본 실시예에 의하면, 종래의 능동형식 루프필터의 회로구성을 전혀라고 해도 과언이 아닐 정도로 변경하는 일없이, 또 경우에 따라서는 루프필터의 저항소자 저항값을 증대시키는 일없이, 용량소자의 정전용량만을 작게 하여 종래와 동등한 전달특성을 나타내는 루프필터를 실현할 수 있다.
여기서 본 실시예에서도, 입력단(IN2)에 부여하는 전류를, 예를 들어99Ip/100로 함으로써, 용량소자(31)의 정전용량을 1/100배까지 소형화하는 것도 가능하다. 또 그 이상으로 소형화하는 것도 가능한 것은 명백한 일이다.
그런데, 제 1 및 제 2 실시예에서, 전하펌프회로(20A)는, 2 개의 일반적인 전하펌프회로(20a 및 20b)를 구비하는 것으로 했다. 그러나 이들 전하펌프회로(20a 및 20b)는, 극성이 서로 반대인 전류(Ip 및 αIP)를 출입시키는 것이며, 그 중 하나의 전하펌프회로에서, 충전용 전류원과 방전용 전류원이 동시에 동작하는 일은 없다. 따라서 전하펌프회로(20A)는 도 5에 나타내는 전하펌프회로(20B)로의 치환이 가능하다.
전하펌프회로(20B)는, 전류원(21, 22, 23, 23 및 24)을 구비하는데, 이 중 전류원(21 및 23)은 전류(Ip)를 공급하는 종래의 전류원을, 공급전류가 α:(1-α)로 되도록 분할한 것에 지나지 않는다. 전류원(22 및 24)에 대해서도 마찬가지이다. 그리고 신호(UP)가 주어지면, 제어스위치(SW1, SW3 및 SW5)가 도통되어, 전류원(21 및 23)이 공급하는 전류의 합성인 전류(Ip)가 토출됨과 동시에, 전류(αIp)가 흡입된다. 한편 신호(DN)가 주어지면 제어스위치(SW2, SW4 및 SW6)가 도통되어, 전류원(22 및 24)이 공급하는 전류의 합성인 전류(Ip)가 흡입됨과 동시에, 전류(αIp)가 토출된다. 따라서 제 1 및 제 2 실시예에 관한 PLL에 전하펌프회로(20B)를 구비함으로써, 종래의 PLL과 거의 같은 회로구성으로, 루프필터의 용량소자만을 소형화할 수 있다.
(제 3 실시예)
도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 관한 피드백 시스템의 구성을 나타낸다. 본실시예에 관한 피드백 시스템은, 위상비교기(10)와, 전하펌프회로(20C), 루프필터(30E), 출력클록 생성수단으로서의 전압제어 지연회로(40A)를 구비한 지연 록 루프회로(이하 "DLL"이라 칭함)이다. 이하 전하펌프회로(20C) 및 루프필터(30E)에 대해 상세하게 설명한다.
전하펌프회로(20C)는, 상술한 전하펌프회로(20B)와 마찬가지로, 전류(αIp 및 (1-α)Ip)를 각각 공급하는 충전용 전류원(21 및 23)과, 방전용 전류원(22 및 24)을 구비한다. 그리고 신호(UP)가 주어지면, 제어스위치(SW1 및 SW3) 가 도통되어 전류(αIp 및 (1-α)Ip)가 토출된다. 한편 신호(DN)가 주어지면, 제어스위치(SW2 및 SW4) 가 도통되어 전류(αIp 및 (1-α)Ip)가 흡입된다. 즉 전하펌프회로(20C)로부터는, 전류(Ip)를 α:(1-α)로 내분한 것에 상당하는 2 계통의 전류가 출입된다.
루프필터(30E)는, 전하펌프회로(20C)로부터 출입되는 전류(αIp 및 (1-α)Ip)를 각각 입력단(IN1 및 IN2)에 입력한다. 루프필터(30E)에서, 입력단(IN1)과 입력단(IN2) 사이에는, 제 1 소자블록으로서의 용량소자(31)가 배치된다. 또 입력단(IN2)과 기준전압 사이에는 제 2 소자블록으로서의, 병렬 접속된 저항소자(32) 및 용량소자(33)가 배치된다. 그리고 루프필터(30E)는 입력단(IN1)의 전압(Vout), 즉 용량소자(31) 및 저항소자(32)에 걸쳐 생기는 전압을 출력으로 한다.
루프필터(30E)에서, 입력단(IN1)에 주어지는 전류(αIp)는, 용량소자(31) 및 병렬 접속된 저항소자(32) 및 용량소자(33)를 흐른다. 또 입력단(IN2)에는전류(αIp)와 같은 방향으로 전류((1-α)Ip)가 주어져, 병렬 접속된 저항소자(32) 및 용량소자(33)를 흐른다. 따라서 용량소자(31)에는 병렬 접속된 저항소자(32) 및 용량소자(33)를 흐르는 전류의 일부밖에 흐르지 않으므로, 그 정전용량을 상대적으로 작게 할 수 있다. 그리고 용량소자(31)를 소형화시킨 경우의 용량소자(31) 및 저항소자(32)에 걸쳐 생기는 전압은, 입력단(IN2)을 배치하지 않고 용량소자(31)도 소형화시키지 않는 종래의 경우에 있어서, 입력단(IN1)에 전류(Ip)를 부여했을 때 생기는 전압과 아무런 변함이 없다.
도 7은 일반적인 수동필터 및 본 실시예에 관한 저역통과필터의 회로구성을 나타낸다. 도 7의 (a)에 나타낸 루프필터(30)는 도 14의 (a)에 나타낸 루프필터(30)와 등가의 전달특성을 갖는 일반적인 저역통과필터이다. 여기서 입력단(IN1)에 부여되는 전류 및 용량소자(31)의 정전용량을 1/10배로 하여, 용량소자(31)와 저항소자(32) 사이에 입력단(IN2)을 배치하고, 이 입력단(IN2)에, 입력단(IN1)에 주어지는 전류(Ip/10)와 같은 방향으로 전류(9Ip/10)를 부여하도록 함으로써, 도 7의 (b)에 나타낸 저역통과필터(30), 즉 본 실시예에 관한 루프필터(30E)가 구성된다. 여기서 도 7의 (a)에 나타낸 루프필터(30) 및 도 7의 (b)에 나타낸 루프필터(30E)의 전달함수는 모두 같으며, 실질적으로 상기 식(1)과 같이 된다.
상기와 같이, 본 실시예에 관한 루프필터(30E)는, 종래의 일반적인 수동형식 루프필터(30)와 동등한 전달특성을 나타내면서도, 구비해야 할 용량소자(31)의 정전용량을 종래보다 작게 할 수 있다. 더욱이 용량소자(31)의 정전용량 축소의 대가로서 저항소자(32) 저항값이 증대하는 일은 없다. 또 용량소자(31)에 생기는 전압과 저항소자(32)에 생기는 전압을 가산하기 위한 가산회로를 별도 배치할 필요도 없다. 또한 전하펌프회로(20C)에 대해서도 종래에 비해 회로규모가 증대하는 일은 없다. 즉 종래의 수동형식 루프필터(30), 또는 종래 PLL의 회로구성을 아무런 변경 없이, 입력단(IN2)을 배치하여 소정의 전류를 부여하도록 하는 것만으로, 종래보다 한결 소형의 능동형식 루프필터를 실현할 수 있다.
또 루프필터(30E)는, 식(2)의 조건을 만족시키도록 각 소자값을 조정함으로써, 도 7의 (c)에 나타내는 루프필터(30F)로 등가 변환할 수 있다. 루프필터(30F)는 제 1 소자블록으로서의 용량소자(31)와, 이에 직렬로 접속된 제 2 소자블록으로서의 저항소자(32)와, 입력단(IN1)에 접속된 제 3 소자블록으로서의 용량소자(33)를 구비한다. 용량소자(33)의 한끝은 기준전압에 접속되어, 루프필터(30F)의 회로구조는, 도 14의 (a)에 나타낸 종래의 수동필터와 실질적으로 마찬가지로 된다. 여기서 도 6에서 루프필터(30E)를 루프필터(30F)로 치환시켜도 됨은 물론이다.
또 도 6에서의 루프필터(30E)를 도 8에 나타내는 능동형식의 루프필터(30G)로 치환하는 것도 가능하다. 루프필터(30G)는, 도 4의 (b)에 나타낸 루프필터(30C)에서, 용량소자(31)와 저항소자(32)를 바꾸어 입력단(IN2)에 주어지는 전류 방향을 반전시키고, 또 입력단(IN1)에 주어지는 전류 및 용량소자(33)의 정전용량을 각각 1/10배로, 저항소자(34)의 저항값을 10배로 한 것이다. 따라서 루프필터(30C) 및 루프필터(30G)의 전달특성은 동등하다.
루프필터(30G)에서는, 용량소자(33)의 정전용량을 축소할 수 있지만, 그 대가로 저항소자(34)가 증대해버린다. 또 연산증폭기(35)로 흘러드는 전류가, 루프필터(30C)에 비해 많아지므로 바람직하지 않다. 그러나 루프필터(30G)는 용량소자(31)의 소형화라는 관점에서 보면, 충분히 목적을 달성할 수 있는 필터이다.
이상, 본 실시예에 의하면, 종래 루프필터의 회로구성을 전혀라고 해도 과언이 아닐 정도로 변경하는 일없이, 용량소자의 정전용량만을 작게 하여 종래와 동등한 전달특성을 나타내는 루프필터를 실현할 수 있다. 또한 종래의 피드백 시스템에서의 전하펌프회로에 대해서도, 회로구성을 거의 변경하지 않아도 된다. 즉 종래의 피드백 시스템 전체 회로구성을 거의 변경하는 일없이, 루프필터의 용량소자만을 소형화할 수 있다.
여기서 본 실시예에서도, 입력단(IN1 및 IN2)에 각각 부여하는 전류를, 예를 들어 Ip/100 및 99Ip/100로 함으로써, 용량소자(31)의 정전용량을 1/100배까지 소형화하는 것도 가능하다. 또 그 이상으로 소형화하는 것도 가능한 것은 명백한 일이다.
또 본 실시예에서는, 피드백 시스템으로서 DLL을 구성했지만, 상기 전하펌프회로(20C)나 루프필터(30E) 등을 이용하여 PLL을 구성할 수도 있다. 이와는 반대로, 제 1 및 제 2 실시예에 관한 전하펌프회로(20A)나 루프필터(30A) 등을 이용하여 DLL을 구성할 수도 있다.
또 본 실시예에 관한 저역통과필터는, 피드백 시스템의 루프필터 이외의 용도에도 사용 가능함은 물론이다.
(본 발명에 관한 피드백 시스템의 응용)
상술한 바와 같이, 본 발명에 관한 피드백 시스템은 대규모의 용량소자를 필요로 하지 않아 회로규모를 소규모화 할 수 있으므로, 특히 다음과 같은 제품에의 응용이 기대된다.
도 9는 IC카드용 LSI에, 본 발명의 PLL이나 DLL을 구비한 예이다. IC카드에 이용되는 LSI는 실장면적에 한계가 있기 때문에, 보다 작은 회로면적으로 구성 가능한 본 발명의 PLL이나 DLL은, IC카드용으로서 특히 적합하다.
도 10은 본 발명의 PLL이나 DLL을, COC(Chip On Chip)부품에 응용한 예이다. COC구조에 있어서, 상층 반도체집적회로의 회로면적에는 한계가 있다. 따라서 본 발명의 PLL이나 DLL이 효과적이다.
도 11은 본 발명의 PLL이나 DLL을, LSI패드부에 실장한 예이다. COC구조와 마찬가지로, LSI패드부에 실장 가능한 회로면적에는 한계가 있다. 따라서 본 발명의 PLL이나 DLL이 효과적이다.
도 12는 본 발명의 PLL이나 DLL을, 마이크로프로세서에서의 클록생성수단으로서 실장한 예이다. 현재, 마이크로프로세서에는 매우 많은 PLL이나 DLL이 실장되고 있다. 그래서 마이크로프로세서에 본 발명의 PLL이나 DLL을 이용함으로써, 마이크로프로세서 전체적인 회로면적을 대폭 저감하는 것이 기대된다. 따라서 본 발명의 PLL이나 DLL을 마이크로프로세서에 적용함으로써 얻어지는 효과는 매우 큰 것이다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 회로면적, 회로복잡성 및 저항값의 증대 등의 부수적인 문제없이, 저역통과필터의 용량소자 소형화를 실현할 수 있다. 그리고 본 발명에 관한 저역통과필터를 루프필터로서 사용함으로써, 종래보다 한결 소형의 피드백 시스템을 실현할 수 있다.
또 본 발명에 관한 저역통과필터 및 피드백 시스템의 회로구성은 매우 간단하므로, 실시가 매우 쉽다. 또한 종래의 회로구성과 거의 변함이 없으므로, 지금까지 축적시켜온 설계수법을 그대로 이어 갈 수 있다는 점에서도 매우 유리하다.
Claims (18)
- 용량소자를 갖는 제 1 소자블록과,저항소자를 가지며, 상기 제 1 소자블록과 직렬로 접속된 제 2 소자블록과,상기 제 1 및 제 2 소자블록 중 어느 한쪽에 배치되어, 제 1 전류를 받는 제 1 입력단과,상기 제 1 소자블록과 상기 제 2 소자블록의 접속개소에 접속되어, 제 2 전류를 받는 제 2 입력단을 구비하고,상기 제 1 소자블록은, 상기 제 1 전류의 적어도 일부로서, 상기 제 2 소자블록을 흐르는 전류와 상기 제 2 전류의 차에 상당하는 전류를 받는 것이며,상기 제 1 및 제 2 소자블록에 걸쳐 발생하는 전압을 출력신호로 하는 것을 특징으로 하는 저역통과필터.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 입력단은, 상기 제 2 소자블록 쪽에 배치되는 것이며,상기 제 2 전류는, 상기 제 1 전류의 역방향 소정 배수에 상당하는 전류인 것을 특징으로 하는 저역통과필터.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 입력단은, 상기 제 1 소자블록 쪽에 배치되는 것이며,상기 제 2 전류는, 상기 제 1 전류와 같은 방향의 소정 배수에 상당하는 전류인 것을 특징으로 하는 저역통과필터.
- 제 1 항에 있어서,용량소자를 가지며, 상기 제 1 입력단과 기준전압 사이에 배치된 제 3 소자블록을 구비하는 것을 특징으로 하는 저역통과필터.
- 제 1 항에 있어서,역상(逆相) 입력단과 출력단 사이에 상기 제 1 및 제 2 소자블록을 가지며, 정상(正相) 입력단에 기준전압이 부여된 연산증폭기를 구비하고,상기 제 1 입력단은, 상기 연산증폭기의 역상 입력단 쪽에 배치되는 것임을 특징으로 하는 저역통과필터.
- 용량소자를 갖는 제 1 소자블록과,저항소자를 가지며, 상기 제 1 소자블록과 직렬로 접속된 제 2 소자블록과,역상 입력단과 출력단 사이에 상기 제 1 및 제 2 소자블록을 가지며, 정상 입력단에 기준전압이 부여되는 연산증폭기와,제 1 전류를 받는 제 1 입력단과,상기 연산증폭기의 역상 입력단에 접속되어 제 2 전류를 받는 제 2 입력단과,상기 제 1 입력단과 기준전압 사이에 배치된 용량소자와, 상기 제 1 입력단과 상기 연산증폭기의 역상 입력단 사이에 배치된 저항소자를 갖는 제 3 소자블록을 구비하며,상기 제 1 소자블록은, 상기 제 1 전류의 일부로서, 상기 제 3 소자블록의 상기 저항소자를 흐르는 전류와 상기 제 2 전류와의 차에 상당하는 전류를 받는 것이고,상기 제 1 및 제 2 소자블록에 걸쳐 발생하는 전압을 출력신호로 하는 것을 특징으로 하는 저역통과필터.
- 입력클록에 기초하여 생성된 출력클록을 귀환시키고, 이 출력클록을 소정의 특성으로 하는 피드백 시스템이며,용량소자를 갖는 제 1 소자블록과, 저항소자를 가지며, 상기 제 1 소자블록과 직렬로 접속된 제 2 소자블록과, 상기 제 1 및 제 2 소자블록 중 어느 한쪽에 배치되어, 제 1 전류를 받는 제 1 입력단과, 상기 제 1 소자블록과 상기 제 2 소자블록의 접속개소에 접속되어, 제 2 전류를 받는 제 2 입력단을 구비하고, 상기 제 1 소자블록은, 상기 제 1 전류의 적어도 일부로서, 상기 제 2 소자블록을 흐르는 전류와 상기 제 2 전류의 차에 상당하는 전류를 받는 것이며, 상기 제 1 및 제 2 소자블록에 걸쳐 발생하는 전압을 출력신호로 하는 루프필터와,상기 입력클록과 귀환된 클록과의 위상 차에 기초하여, 상기 제 1 및 제 2 전류를 생성하는 전하펌프회로와,상기 루프필터로부터의 출력신호에 기초하여, 상기 출력클록을 생성하는 출력클록 생성수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 피드백 시스템.
- 제 7 항에 있어서,상기 출력클록 생성수단은, 상기 출력클록을 발진시키고, 상기 루프필터로부터의 출력신호에 기초하여, 발진주파수를 변화시키는 전압제어 발진기인 것을 특징으로 하는 피드백 시스템.
- 제 7 항에 있어서,상기 출력클록 생성수단은, 상기 입력클록 및 상기 루프필터로부터의 출력신호에 기초하여, 상기 출력클록의, 상기 입력클록으로부터의 지연량을 변화시키는 전압제어 지연회로인 것을 특징으로 하는 피드백 시스템.
- 제 7 항에 있어서,상기 루프필터의 제 1 입력단은, 상기 제 2 소자블록 쪽에 배치되는 것이며,상기 제 2 전류는, 상기 제 1 전류의 역방향 소정 배수에 상당하는 전류이고,상기 전하펌프회로는, 상기 제 1 전류를 출입하는 제 1 부분 전하펌프회로와, 상기 제 2 전류를 출입하는 제 2 부분 전하펌프회로를 구비하는 것임을 특징으로 하는 피드백 시스템.
- 제 7 항에 있어서,상기 루프필터의 제 1 입력단은, 상기 제 2 소자블록 쪽에 배치되는 것이며,상기 제 2 전류는, 상기 제 1 전류의 역방향 소정 배수에 상당하는 전류이고,상기 전하펌프회로는, 상기 제 1 전류와 상기 제 2 전류의 차에 상당하는 전류를 출입하는 제 1 부분 전하펌프회로와, 상기 제 2 전류를 출입하는 제 2 부분 전하펌프회로를 구비하며, 상기 제 1 및 제 2 부분 전하펌프회로가 각각 출입하는 전류를 합성하여 상기 제 1 전류를 얻는 것임을 특징으로 하는 피드백 시스템.
- 제 7 항에 있어서,상기 루프필터의 제 1 입력단은, 상기 제 1 소자블록 쪽에 배치되는 것이며,상기 제 2 전류는, 상기 제 1 전류의 같은 방향 소정 배수에 상당하는 전류이고,상기 전하펌프회로는, 상기 제 1 전류를 출입하는 제 1 부분 전하펌프회로와, 상기 제 2 전류를 출입하는 제 2 부분 전하펌프회로를 구비하는 것임을 특징으로 하는 피드백 시스템.
- 제 1 항 기재의 저역통과필터를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체집적회로.
- 제 7 항 기재의 피드백 시스템을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체집적회로.
- 제 14 항에 있어서,당해 반도체집적회로는, IC카드에 이용되는 것임을 특징으로 하는 반도체집적회로.
- 제 14 항에 있어서,당해 반도체집적회로는, COC(Chip On Chip)구조를 취한 것이며,상기 피드백 시스템은, 상기 COC구조의 상층부에 실장되는 것을 특징으로 하는 반도체집적회로.
- 제 14 항에 있어서,상기 피드백 시스템은, 당해 반도체 집적회로의 패드영역에 실장되는 것을 특징으로 하는 반도체집적회로.
- 제 14 항에 있어서,당해 반도체집적회로는, 마이크로 프로세서인 것을 특징으로 하는 반도체집적회로.
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