JP3835666B2 - Phase synchronization circuit and clock generation circuit - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体上に構成する回路のように抵抗素子の絶対値精度が低い場合においても、安定性を保持することができる位相同期回路およびそれを用いたクロック発生回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
クロック同期、クロック逓倍などを行なう位相同期回路は、ロジックLSI内部の高速クロックの生成や、LSI外部に接続されたRAMモジュールとの位相調整などの目的で使用されている。特に、チャージポンプ方式の位相同期回路は、定常位相誤差が小さく、広いキャプチャレンジを持つためマイクロプロセッサなどの用途に適しており幅広く用いられている。このような構成の位相同期回路についてはI. Young著「A PLL Clock Generator with 5to110 MHz of Lock Range for Microprocessor」(IEEE Journal of solid-state circuits, vol.SC-27, pp.1599-1607, November 1992)などに詳しく述べられている。
【0003】
まず、図6を用いて位相同期回路の動作について説明する。位相同期回路は、位相比較器1、バイアス電流供給回路2、チャージポンプ3、ループフィルタ4、電圧電流変換器5、電流制御発振器6、および分周器7から構成される。
【0004】
位相比較器1は、基準信号(fref)とフィードバック信号(fosc)との位相差を検出して、位相差に応じたパルス信号(UP,DN)を出力する。チャージポンプ3は、位相比較器1の出力するパルス信号(UP,DN)に応じてループフィルタ4の容量57(容量値C)を充放電する。このときの充放電電流は、バイアス電流供給回路2により決定される。ループフィルタ4はチャージポンプ3の出力する信号を平滑化し、電圧電流変換器5の制御電圧信号を出力する。電圧電流変換器5はループフィルタ4の出力する制御電圧信号を電流信号に変換し、電流制御発振器6の発振周波数を制御する。
【0005】
最後に、電流制御発振器6の出力と位相比較器1の一方の入力との間に分周器7を設けフィードバックループが構成される。ここで、分周器7の分周数Nには任意の正の整数を選択することができ、電流制御発振器6より出力される信号(fvco)の周波数は基準信号のN倍となる。
【0006】
このようなフィードバック構成を取ることにより、ループフィルタ4は周波数軸上に極、零点を生成する。したがって、位相同期回路を設計する際、安定な収束をするよう各種定数を設定する必要がある。また、半導体製造時のプロセス変動や温度変化による素子変動により安定性が変化するため、変動を考慮したうえで安定性が保持できる設計が必要である。しかし、受動素子、能動素子の変動が大きくなった場合、位相同期回路を構成する要素の変動範囲が大きくなり、安定性の保持は困難になる。
【0007】
そこで、位相同期回路の構成要素が素子変動に対する依存性を互いに打ち消す技術が必要になる。以下に「A Wide-Bandwidth Low-Voltage PLL for PowerPc(TM)Microprocessors」(IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol.30, No.4, pp383-391,April 1995)を例にして、位相同期回路安定性の素子変動に対する依存性を打ち消す従来技術について説明する。
【0008】
図7に位相同期回路の線形モデルを示す。線形モデルは位相同期回路を、(位相比較器+チャージポンプ)24、(ループフィルタ)25、(電圧電流変換器+電流制御発振器)26、(分周器)27のブロックに分割し、それぞれのブロックの伝達関数により表すことができる。ここで、Icpはチャージポンプ電流、Kvcoは電圧電流変換器5と電流制御発振器6により構成される電圧制御発振器の電圧周波数変換利得である。また、φREFは基準信号の位相、φOSCはフィードバック信号の位相である。線形モデルより開ループ伝達関数は数1、零点の位置Z1は数2で与えられる。
【0009】
【数1】
【0010】
【数2】
【0011】
また、数1、数2より、ボード線図は図8のようになる。位相同期回路が安定な収束をするためには、ゲイン曲線が0dBとなる点(ループ帯域ωu)よりも低い位置に零点が存在し、かつループ帯域ωuにおける位相と180°との差(以下、位相余裕とする)が十分大きくなる必要がある。
【0012】
つぎに、上述した開ループ伝達関数において、温度変化による素子変動が生じた場合を考える。電圧制御発振器は高温時において、常温時に対し電圧制御発振器の電圧周波数変換利得が減少する。したがって、位相曲線は変化しないのに対し、ループゲインが減少するため位相余裕が降下する。
【0013】
そこで高温時のループゲインを補うため、図9のバイアス電流供給回路を適用している。このバイアス電流供給回路は、トランジスタ44,45により構成されるカレントミラー回路が電流I3,I4を等しくし、トランジスタ42,43とダイオード48,49により数3で与えられるバイアス電流を発生する。
【0014】
【数3】
【0015】
ここで、A(48),A(49)は、それぞれダイオード48,49のサイズであり、W(42),W(43),L(42),L(43)はそれぞれトランジスタ42,43のゲート幅およびゲート長である。また、βはNMOSトランジスタのコンダクタンス係数であり、kはボルツマン定数、qは電子電荷、Tは温度である。
【0016】
上記バイアス電流はトランジスタ45と46により構成されるカレントミラー回路によりトランジスタ47に伝達され、Vbp,Vbn端子とチャージポンプを接続することによりチャージポンプ電流を決定する。
【0017】
数3より、バイアス電流が正の温度特性を有するため、チャージポンプ電流も同様に正の温度特性を有する。したがって、(位相比較器+チャージポンプ)24の温度特性も正となり、高温時の電圧制御発振器利得の減少を打ち消してループゲインの降下による、位相余裕の劣化を防止することができる。
【0018】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来技術では、温度変化に対する位相余裕劣化を抑えることが可能であるが、ループフィルタには抵抗を用いており、温度やプロセスの変動により抵抗値が変動した場合における位相余裕の劣化に関しては考慮されていなかった。
【0019】
本発明は、温度やプロセスの変動による抵抗値の変動に対しても一定の位相余裕を保ち、かつトランジスタ特性の変動に対する位相余裕の変動を抑えることができる位相同期回路の提供を目的としてなされたものである。
【0020】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では抵抗値の変動に対する位相同期回路のゲイン曲線と位相曲線の変動を等しくするものであり、その手法として互いの抵抗値の変動に対する依存性を打ち消し合うことができるバイアス電流供給回路と電圧電流変換回路を適用するものである。
【0021】
本発明の位相同期回路およびクロック発生回路は、より具体的かつ代表的には以下のように構成される。
【0022】
(1)位相比較器とチャージポンプとループフィルタと電圧制御発振器と分周器により構成され、基準信号と分周器の出力信号を位相比較器において検出し、位相差信号をチャージポンプとループフィルタを通して電圧制御発振器に入力することにより発振周波数が制御される位相同期回路を、チャージポンプの電流が抵抗値の2乗に反比例するバイアス回路と、極および零点の位置が抵抗値に反比例するループフィルタにより構成したことを特徴とする位相同期回路。
【0023】
(2)位相比較器とチャージポンプとループフィルタと電圧制御発振器と分周器により構成され、基準信号と分周器の出力信号を位相比較器において検出し、位相差信号をチャージポンプとループフィルタを通して電圧制御発振器に入力することにより発振周波数が制御される位相同期回路を、チャージポンプの電流が抵抗値に反比例するバイアス回路と、極および零点の位置が抵抗値に反比例するループフィルタと、電圧制御発振器の電圧−周波数変換利得が抵抗値に反比例する電圧電流変換器により構成したことを特徴とする位相同期回路。
【0024】
(3)上記(1)において、チャージポンプ電流を決定するバイアス回路が第1から第4の4つのトランジスタと1つの抵抗により構成され、抵抗が第1のトランジスタのソース端子とグランドとの間に接続され、第1のトランジスタのゲート端子が第2のトランジスタのゲート端子およびドレイン端子に接続され、第2のトランジスタのソース端子がグランドに接続され、さらに、第3および第4のトランジスタから構成されるカレントミラー回路を上記第1および第2のトランジスタと正電源の間に挿入することにより、上記バイアス回路の電流が抵抗の2乗に反比例することを特徴とした位相同期回路。
【0025】
(4)上記(1)において、電圧制御発振器が電圧電流変換器と電流制御発振器により構成され、電圧電流変換器が少なくとも1つ以上のトランジスタにより構成され、同トランジスタのゲート端子をループフィルタの出力に、また、ソース端子をグランドに接続することにより上記ループフィルタの出力を電流信号に変換し、さらに同電流信号が電流制御発振器に入力されることを特徴とする位相同期回路。
【0026】
(5)上記(2)において、チャージポンプ電流を決定するバイアス回路が、1つの抵抗と第1から第4の4つのトランジスタにより構成され、第1のトランジスタのソース端子をグランドに接続し、第1のトランジスタのゲート端子とグランドの間に抵抗を挿入し、第2のトランジスタのソース端子と第1のトランジスタのゲート端子を接続し、第2のトランジスタのゲート端子と第1のトランジスタのドレイン端子に接続し、さらに第1および第2のトランジスタと正電源との間に第3および第4のトランジスタにより構成されるカレントミラー回路を挿入し、上記カレントミラー回路により抵抗および第2のトランジスタのドレインを通過する電流を第1のトランジスタのドレインに折り返すことにより、第1から第4のトランジスタと抵抗に流れる電流が抵抗値に反比例することを特徴とする位相同期回路。
【0027】
(6)上記(2)において、電圧制御発振器が電圧電流変換器と電流制御発振器により構成され、さらに、電圧電流変換器が少なくとも1つ以上のトランジスタと抵抗により構成され、同トランジスタのゲート端子をループフィルタの出力に接続し、また、ソース端子とグランドの間に抵抗を挿入し、抵抗に反比例した電圧電流変換を行なうことにより、電圧制御発振器の電圧−周波数変換利得が抵抗に反比例することを特徴とする位相同期回路。
【0028】
(7)クロック信号により動作する集積回路に対し、上記集積回路の外部より供給される基準信号の周波数を定数倍して同半導体内部に供給するクロック発生回路が、上記(1)から(6)のいずれか記載の位相同期回路により構成されることを特徴とするクロック発生回路。
【0029】
(8)データ送信を行なう第1の集積回路と、第1の集積回路とは別の基板上に構成されデータ受信を行なう第2の集積回路とのデータ送受信に時において、第1の集積回路の内部クロックと第2の集積回路の内部クロックの位相を合わせる位相調整回路が上記(1)から(6)のいずれか記載の位相同期回路により構成されることを特徴とした位相調整回路。
【0030】
【発明の実施の形態】
図1は本発明による第1の実施例の位相同期回路を示した図である。位相同期回路は位相比較器1、第1のバイアス電流供給回路2、チャージポンプ3、ループフィルタ4、第1の電圧電流変換器5、電流制御発振器6および分周器7により構成される。
【0031】
位相比較器1は、基準信号(fref)と分周器7の出力(fosc)の位相差を検出し、位相差に応じたUP,DN信号をチャージポンプ2に出力する。チャージポンプ3は位相比較器1の出力信号に応じて、ループフィルタ4の容量から電荷を充放電する。このときチャージポンプ3の充放電電流はバイアス電流供給回路2により決定される。ループフィルタ4はチャージポンプ3の出力信号を平滑化し、電圧電流変換器5に電圧信号を出力する。
【0032】
電圧電流変換器5はループフィルタ4の出力信号を電流に変換し、電流制御発振器6の周波数(fvco)を調整する。その出力は分周器7によりN分周され、位相比較1に帰還される。このような帰還構成をとることにより、電圧制御発振器4の出力は基準信号のN倍の周波数となる。
【0033】
つぎに、位相同期回路を構成する個別構成要素について説明する。位相比較器1は2つの信号の位相差を検出し、位相差に応じた幅のUP,DN信号をチャージポンプ3に出力する。このUP,DN信号のパルス幅の差は位相差をパルス変調した信号となる。
【0034】
バイアス電流供給回路2は4つのトランジスタ(8,9,10,11)および抵抗12(抵抗値R1)により構成される。このような構成のバイアス電流供給回路については、「CMOS Analog Integrated Circuits Based on Weak Inversion Operation」(IEEE Journal of Solid-State Circuits,Vol.SC-12,No.3,pp224-231,June 1977)などに記載されている。
【0035】
電流I1,I2は2つのトランジスタ8、9により構成されるカレントミラー回路により等しくなり、その電流値は2つのトランジスタ10、11のサイズの比と、NMOSトランジスタのコンダクタンス係数βと、抵抗12の値R1により決定される。具体的には、トランジスタ10に対しトランジスタ11のサイズをK倍に設定すると数4となり、抵抗12の2乗に反比例した電流となる。
【0036】
【数4】
【0037】
この電流I1,I2は、トランジスタ9,10とチャージポンプ3の電流源トランジスタ13,14の間に形成されるカレントミラー回路によりチャージポンプ2に伝達され、チャージポンプ2の電流値を決定する。
【0038】
チャージポンプ3は電流源トランジスタ13,14とスイッチトランジスタ15,16により構成される。スイッチトランジスタ15,16のゲート端子(UP,DN)は位相比較器1より出力された信号に駆動され、UP,DN信号に応じてスイッチオン・オフを繰り返す。これにより、ループフィルタ4の容量から電流源トランジスタ13,14の出力する電流値およびスイッチのオン時間に応じた電荷を充放電する。
【0039】
ループフィルタ4は抵抗17(抵抗値Rs)、容量18(容量値Cs),容量19(容量値Cp)により構成される。ループフィルタ4ではチャージポンプ3により容量18,19の電荷が充放電され、それに応じた電圧信号Vlpfを電圧電流変換器5に出力する。このとき、Rs,Cs,Cpの時定数に応じた極零点が周波数軸上に生成される。
【0040】
電圧電流変換回路5はトランジスタ20,21,22,23により構成される。ループフィルタ4から出力される電圧信号Vlpfはトランジスタ20のゲート端子に接続され、電流Ivicに変換される。IvicはVlpfを用いて、数5で表すことができる。
【0041】
【数5】
【0042】
ここで、Vthはトランジスタの閾値電圧である。Ivicはトランジスタ21と22により構成されるカレントミラー回路によりトランジスタ23に折り返され、端子Ipおよび端子Inから電流制御発振器6に伝達される。
【0043】
電流制御発振器6は電圧電流変換器5の電流に応じた周波数で発振する。ここで適用する電流制御発振器6の詳細については特開平11−298302に記載されている。
【0044】
つぎに、図2の線形モデルを用いて位相同期回路の位相余裕と抵抗値の関係について述べる。ここで、位相同期回路の構成要素をそれぞれ、(位相比較器+チャージポンプ)24、ループフィルタ25、(電圧電流変換器+電流制御発振器)26、分周器27に分割している。また、φREFは基準信号の位相、φOSCはフィードバック信号の位相である。同図から開ループ伝達関数を求めると、数6となる。
【0045】
【数6】
【0046】
ここで、Icpはチャージポンプ電流、Kvcoは電圧電流変換器5と電流制御発振器6により構成される電圧制御発振器の電圧電流変換利得である。
【0047】
上述したように、位相同期回路は3つの極と1つの零点を周波数軸上に有する。直流に存在する2個つの極をP1,P2、その他の極をP3、零点をZ1とおくと、P3およびZ1は開ループ伝達関数から、数7および数8となる。
【0048】
【数7】
【0049】
【数8】
【0050】
位相同期回路の安定性を確保するためには、開ループ伝達関数の利得が1となる周波数(以下、ループ帯域ωuとする)よりも低い位置に零点Z1が存在し、ループ帯域ωuよりも周波数が高い位置にP3が存在し、さらに位相余裕が十分大きくなるようP3,Z1および各ブロックの伝達関数を設定する必要がある。マイクロプロセッサ等の用途では、通常30°から40°の位相余裕が確保できるよう設計される。
【0051】
抵抗値が変動した場合、バイアス電流供給回路2の電流値は数4で示したように抵抗12の2乗に反比例して変化する。したがって、位相比較器1とチャージポンプ3の伝達関数は抵抗12の2乗に反比例して変化する。また、極P3および零点Z1の位置は抵抗17に反比例して変化する。さらに、電圧電流変換器5と電流制御発振器6により構成される電圧制御発振器の電圧−周波数変換利得は抵抗値に依存しない。
【0052】
集積回路上では素子間の相対的な精度が十分高く、プロセス変動や温度変化に起因する抵抗12,17の変化率が等しいため、抵抗値の変動に対するゲイン曲線および位相曲線の変動は図3のようになる。ここで、図中の実線は抵抗値変動前、破線は抵抗値変動後を示している。同図より、ゲイン曲線および位相曲線ともに抵抗値に反比例して変動する。したがって、位相曲線とループ帯域ωuの位置関係は、温度やプロセス等の変動により抵抗値が変動したとしても一定であり、位相余裕は変化しない。
【0053】
上述した位相同期回路では、バイアス電流供給回路2と、電圧電流変換回路5および電流制御発振器6により構成される電圧制御発振器を適用したが、チャージポンプ電流が抵抗の2乗に依存して変化し、電圧制御発振器の電圧−周波数変換利得が抵抗に依存しない回路構成であれば、どのような回路でも抵抗値の変動に対し位相余裕を一定に保つことができる。
【0054】
また、バイアス電流供給回路2と電圧電流変換回路5を用いた場合、バイアス電流供給回路2の電流はNMOSトランジスタのコンダクタンス係数βに反比例し、電圧電流変換回路5の電流はβに正比例する。したがって、トランジスタ特性の変動に対する位相余裕の変動を、電流制御発振器6の電流周波数変換利得の変動のみに抑えることが可能である。
【0055】
つぎに、位相余裕の抵抗値変動に対する依存性を打ち消すことができる位相同期回路の第2の実施例として、図1のバイアス電流供給回路2と電圧電流変換器5を、それぞれ、第2のバイアス電流供給回路(図4)と第2の電圧電流変換回路(図5)に変更した構成を挙げる。
【0056】
図4のバイアス電流供給回路はトランジスタ29,30,31,32,33,34と抵抗35(抵抗値R2)により構成される。トランジスタ31,32はカレントミラー回路を構成し、トランジスタ29,30および抵抗35の電流が等しくなるよう動作する。トランジスタ29の電流はゲート・ソース間電位Vgs29で決定され、Vgs29と抵抗値R2によりトランジスタ30の電流が決定される。その結果、バイアス電流供給回路の電流は、数9となり、抵抗35に反比例する。
【0057】
【数9】
【0058】
同電流はトランジスタ32,33からなるカレントミラー回路によりトランジスタ34に伝搬され、さらにVbp,Vbn端子をチャージポンプ3の電流制御トランジスタ13,14のゲート端子に接続することによりチャージポンプ電流を決定する。
【0059】
図5の電圧電流変換器はトランジスタ37,38,39,40と抵抗41(抵抗値R3)により構成される。トランジスタ37および抵抗41に流れる電流と、抵抗41の両端の電位差と、トランジスタ37のゲート・ソース間電位に対しキルヒホッフの法則を適用すると、トランジスタ37の電流は、数10で与えられる。ここで、数11が成立するよう各パラメータを選択している。
【0060】
【数10】
【0061】
【数11】
【0062】
したがって、電圧電流変換器37の電圧−電流変換利得は抵抗値に反比例し、電流制御発振器6と組み合わせて構成した電圧制御発振器の電圧−周波数変換利得も同様に抵抗値に反比例する。
【0063】
上述した第2の実施例による位相同期回路では、位相比較器1とチャージポンプ2の伝達関数は抵抗値に反比例し、極P3および零点Z1の位置は抵抗値に反比例し、電圧制御発振器4の電圧−周波数変換利得は抵抗値に反比例する。したがって、抵抗値の変動に対するボード線図の変動は第1の実施例に示した位相同期回路と同様に図3のようになる。同図より、ループ帯域ωuと位相曲線の抵抗値に対する依存性が等しいため位相余裕は変化しない。
【0064】
以上の実施例では、図4のバイアス電流供給回路と図5の電圧電流変換回路を適用したが、電流が抵抗値に反比例するチャージポンプと電圧−周波数変換利得が抵抗値に反比例する電圧制御発振器であれば、どのような回路構成でも抵抗値の変動に対して位相余裕が変動しない位相同期回路を構成することが可能である。
【0065】
以上のように位相同期回路を構成する個別構成要素が、互いの抵抗値に対する依存性を打ち消すことによって、抵抗値の変動に対するゲイン曲線および位相曲線の依存性が等しくなり、抵抗値の変動に対して位相余裕が変動しない位相同期回路が構成可能である。
【0066】
【発明の効果】
本発明により、抵抗変動に対する位相余裕の変動がなくなるため、半導体上に回路を構成した場合のように抵抗値の絶対値精度が低い場合においても、安定な位相同期回路を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例になる位相同期回路の回路図。
【図2】第1の実施例の位相同期回路の線形モデルの説明図。
【図3】本発明の実施例による抵抗変動に対するボード線図の変動の説明図。
【図4】本発明の第2の実施例のバイアス電流供給回路の回路図。
【図5】本発明の第2の実施例の電圧電流変換器の回路図。
【図6】従来例の位相同期回路の構成を示すブロック図。
【図7】従来例の位相同期回路の線形モデルの説明図。
【図8】従来例の位相同期回路のボード線図の説明図。
【図9】従来例の位相同期回路のバイアス電流供給回路の回路図。
【符号の説明】
1…位相比較器、2…バイアス電流供給回路、3…チャージポンプ、4…ループフィルタ、5…電圧電流変換器、6…電流制御発振器、7…分周器、8,9,10,11,12,13,14,15,16,20,21,22,23,29,30,31,32,33,34,37,38,39,40,42,43,44,45,46,47…トランジスタ、17,35,41…抵抗、18,19…容量、24…位相比較器+チャージポンプの伝達関数、25…ループフィルタの伝達関数、26…電圧制御発振器の伝達関数、27…分周器の伝達関数、48,49…ダイオード。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a phase synchronization circuit capable of maintaining stability even when the absolute value accuracy of a resistance element is low, such as a circuit configured on a semiconductor, and a clock generation circuit using the same.
[0002]
[Prior art]
A phase synchronization circuit that performs clock synchronization, clock multiplication, and the like is used for the purpose of generating a high-speed clock inside a logic LSI and adjusting the phase with a RAM module connected outside the LSI. In particular, the charge pump type phase locked loop circuit has a small steady phase error and has a wide capture range, so that it is suitable for applications such as a microprocessor and is widely used. For a phase-locked loop with this configuration, see “A PLL Clock Generator with 5to110 MHz of Lock Range for Microprocessor” by I. Young (IEEE Journal of solid-state circuits, vol.SC-27, pp.1599-1607, November. 1992).
[0003]
First, the operation of the phase synchronization circuit will be described with reference to FIG. The phase synchronization circuit includes a
[0004]
The
[0005]
Finally, a
[0006]
By taking such a feedback configuration, the loop filter 4 generates poles and zeros on the frequency axis. Therefore, when designing the phase synchronization circuit, it is necessary to set various constants so as to achieve stable convergence. In addition, since stability changes due to process fluctuations during semiconductor manufacturing and element fluctuations due to temperature changes, a design that can maintain the stability in consideration of the fluctuations is required. However, when the fluctuation of the passive element and the active element becomes large, the fluctuation range of the elements constituting the phase synchronization circuit becomes large, and it becomes difficult to maintain stability.
[0007]
Therefore, a technique is required in which the components of the phase-locked loop cancel each other's dependence on element variations. The following is a phase synchronization circuit using the "A Wide-Bandwidth Low-Voltage PLL for PowerPc (TM) Microprocessors" (IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 30, No. 4, pp383-391, April 1995) as an example. A conventional technique for canceling the dependence of stability on element variation will be described.
[0008]
FIG. 7 shows a linear model of the phase locked loop. The linear model divides the phase-locked loop into blocks of (phase comparator + charge pump) 24, (loop filter) 25, (voltage-current converter + current-controlled oscillator) 26, and (frequency divider) 27. It can be represented by a block transfer function. Here, Icp is a charge pump current, and Kvco is a voltage frequency conversion gain of a voltage controlled oscillator constituted by the
[0009]
[Expression 1]
[0010]
[Expression 2]
[0011]
Also, from
[0012]
Next, let us consider a case where element variation due to temperature change occurs in the above-described open loop transfer function. When the voltage controlled oscillator is at a high temperature, the voltage frequency conversion gain of the voltage controlled oscillator is reduced as compared with the room temperature. Therefore, while the phase curve does not change, the loop margin decreases and the phase margin decreases.
[0013]
In order to compensate for the loop gain at high temperatures, the bias current supply circuit of FIG. 9 is applied. In this bias current supply circuit, the current mirror circuit constituted by the
[0014]
[Equation 3]
[0015]
Here, A (48) and A (49) are the sizes of the
[0016]
The bias current is transmitted to the transistor 47 by a current mirror circuit constituted by the
[0017]
From
[0018]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-described prior art, it is possible to suppress the phase margin deterioration due to temperature change, but the loop filter uses a resistor, and regarding the phase margin deterioration when the resistance value fluctuates due to temperature and process fluctuations. It was not considered.
[0019]
The present invention has been made for the purpose of providing a phase locked loop circuit that can maintain a constant phase margin against resistance fluctuations due to temperature and process fluctuations, and can suppress fluctuations in phase margin relative to transistor characteristic fluctuations. Is.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention equalizes the fluctuations of the gain curve and the phase curve of the phase synchronization circuit with respect to the resistance value fluctuation, and as a method thereof, cancels the dependence on the mutual resistance value fluctuations. A bias current supply circuit and a voltage-current conversion circuit that can be applied are applied.
[0021]
The phase synchronization circuit and clock generation circuit of the present invention are more specifically and typically configured as follows.
[0022]
(1) Consists of a phase comparator, a charge pump, a loop filter, a voltage controlled oscillator, and a frequency divider. The phase comparator detects the reference signal and the output signal of the frequency divider, and the phase difference signal is detected by the charge pump and the loop filter. A phase-locked loop whose oscillation frequency is controlled by inputting to a voltage-controlled oscillator through a bias circuit in which the charge pump current is inversely proportional to the square of the resistance value, and a loop filter in which the positions of the poles and zeros are inversely proportional to the resistance value A phase locked loop circuit comprising:
[0023]
(2) Consists of a phase comparator, a charge pump, a loop filter, a voltage controlled oscillator, and a frequency divider. The phase comparator detects the reference signal and the output signal of the frequency divider, and the phase difference signal is detected by the charge pump and the loop filter. A phase-locked loop whose oscillation frequency is controlled by inputting to a voltage-controlled oscillator through a bias circuit in which the charge pump current is inversely proportional to the resistance value, a loop filter in which the position of the pole and zero is inversely proportional to the resistance value, and a voltage A phase locked loop circuit comprising a voltage-current converter in which a voltage-frequency conversion gain of a controlled oscillator is inversely proportional to a resistance value.
[0024]
(3) In the above (1), the bias circuit for determining the charge pump current is composed of the first to fourth transistors and one resistor, and the resistor is between the source terminal of the first transistor and the ground. Connected, the gate terminal of the first transistor is connected to the gate terminal and the drain terminal of the second transistor, the source terminal of the second transistor is connected to the ground, and further comprises third and fourth transistors. A phase-locked loop circuit in which a current of the bias circuit is inversely proportional to the square of the resistance by inserting a current mirror circuit between the first and second transistors and a positive power source.
[0025]
(4) In the above (1), the voltage controlled oscillator is composed of a voltage current converter and a current controlled oscillator, the voltage current converter is composed of at least one transistor, and the gate terminal of the transistor is connected to the output of the loop filter. In addition, the output of the loop filter is converted into a current signal by connecting the source terminal to the ground, and the current signal is further input to the current controlled oscillator.
[0026]
(5) In the above (2), the bias circuit for determining the charge pump current is composed of one resistor and the first to fourth transistors, the source terminal of the first transistor is connected to the ground, A resistor is inserted between the gate terminal of the first transistor and the ground, the source terminal of the second transistor is connected to the gate terminal of the first transistor, the gate terminal of the second transistor and the drain terminal of the first transistor And a current mirror circuit constituted by the third and fourth transistors is inserted between the first and second transistors and the positive power supply, and the current mirror circuit provides a resistor and a drain of the second transistor. By folding the current passing through the first transistor to the drain of the first transistor. Phase locked loop circuit and a current flowing through the resistor is inversely proportional to the resistance value.
[0027]
(6) In the above (2), the voltage-controlled oscillator is constituted by a voltage-current converter and a current-controlled oscillator, and the voltage-current converter is constituted by at least one transistor and a resistor, and the gate terminal of the transistor is The voltage-frequency conversion gain of the voltage controlled oscillator is inversely proportional to the resistance by connecting the output of the loop filter and inserting a resistance between the source terminal and the ground and performing voltage-current conversion inversely proportional to the resistance. A characteristic phase synchronization circuit.
[0028]
(7) A clock generation circuit that supplies an internal frequency of a reference signal supplied from the outside of the integrated circuit by a constant to an integrated circuit that operates by a clock signal and supplies the same inside the semiconductor circuit. A clock generation circuit comprising the phase synchronization circuit according to any one of the above.
[0029]
(8) At the time of data transmission / reception between a first integrated circuit that performs data transmission and a second integrated circuit that is configured on a substrate different from the first integrated circuit and that receives data, the first integrated circuit A phase adjustment circuit comprising the phase synchronization circuit according to any one of (1) to (6) above, wherein the phase adjustment circuit for synchronizing the phases of the internal clock and the internal clock of the second integrated circuit.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a diagram showing a phase locked loop circuit according to a first embodiment of the present invention. The phase synchronization circuit includes a
[0031]
The
[0032]
The voltage /
[0033]
Next, individual components constituting the phase synchronization circuit will be described. The
[0034]
The bias
[0035]
The currents I1 and I2 are equalized by the current mirror circuit formed by the two transistors 8 and 9, and the current value is the ratio of the sizes of the two
[0036]
[Expression 4]
[0037]
The currents I1 and I2 are transmitted to the
[0038]
The
[0039]
The loop filter 4 includes a resistor 17 (resistance value Rs), a capacitor 18 (capacitance value Cs), and a capacitor 19 (capacitance value Cp). In the loop filter 4, charges of the capacitors 18 and 19 are charged / discharged by the
[0040]
The voltage /
[0041]
[Equation 5]
[0042]
Here, Vth is a threshold voltage of the transistor. Ivic is folded back to the
[0043]
The current controlled oscillator 6 oscillates at a frequency corresponding to the current of the voltage /
[0044]
Next, the relationship between the phase margin of the phase locked loop and the resistance value will be described using the linear model of FIG. Here, the components of the phase-locked loop are divided into (phase comparator + charge pump) 24,
[0045]
[Formula 6]
[0046]
Here, Icp is a charge pump current, and Kvco is a voltage-current conversion gain of a voltage-controlled oscillator constituted by the voltage-
[0047]
As described above, the phase locked loop circuit has three poles and one zero on the frequency axis. Assuming that two poles existing in the direct current are P1 and P2, the other poles are P3, and a zero point is Z1, P3 and Z1 are expressed by
[0048]
[Expression 7]
[0049]
[Equation 8]
[0050]
In order to ensure the stability of the phase locked loop, the zero point Z1 exists at a position lower than the frequency at which the gain of the open-loop transfer function is 1 (hereinafter referred to as the loop band ωu), and the frequency is higher than the loop band ωu. It is necessary to set P3, Z1 and the transfer function of each block so that P3 exists at a position where is high and the phase margin is sufficiently large. For applications such as microprocessors, it is usually designed to ensure a phase margin of 30 ° to 40 °.
[0051]
When the resistance value fluctuates, the current value of the bias
[0052]
On the integrated circuit, the relative accuracy between the elements is sufficiently high, and the rate of change of the
[0053]
In the phase-locked loop circuit described above, the voltage-controlled oscillator composed of the bias
[0054]
When the bias
[0055]
Next, as a second embodiment of the phase locked loop that can cancel the dependence of the phase margin on the resistance value fluctuation, the bias
[0056]
The bias current supply circuit shown in FIG. 4 includes
[0057]
[Equation 9]
[0058]
The current is propagated to the
[0059]
The voltage-current converter shown in FIG. 5 includes
[0060]
[Expression 10]
[0061]
[Expression 11]
[0062]
Therefore, the voltage-current conversion gain of the voltage-
[0063]
In the phase locked loop according to the second embodiment described above, the transfer functions of the
[0064]
In the above embodiment, the bias current supply circuit of FIG. 4 and the voltage-current conversion circuit of FIG. 5 are applied. However, a charge pump whose current is inversely proportional to the resistance value and a voltage-controlled oscillator whose voltage-frequency conversion gain is inversely proportional to the resistance value. As long as the circuit has any circuit configuration, it is possible to configure a phase synchronization circuit in which the phase margin does not vary with respect to the resistance value variation.
[0065]
As described above, the individual components constituting the phase locked loop cancel out the dependency on the resistance value of each other, so that the dependency of the gain curve and the phase curve on the variation of the resistance value becomes equal, and the variation of the resistance value Thus, it is possible to configure a phase synchronization circuit in which the phase margin does not vary.
[0066]
【The invention's effect】
According to the present invention, since there is no phase margin variation with respect to resistance variation, a stable phase synchronization circuit can be configured even when the absolute value accuracy of the resistance value is low, such as when a circuit is configured on a semiconductor.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram of a phase locked loop circuit according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a linear model of the phase locked loop of the first embodiment.
FIG. 3 is an explanatory diagram of Bode diagram fluctuations with respect to resistance fluctuations according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a circuit diagram of a bias current supply circuit according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a circuit diagram of a voltage-current converter according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a conventional phase synchronization circuit.
FIG. 7 is an explanatory diagram of a linear model of a conventional phase locked loop circuit.
FIG. 8 is an explanatory diagram of a Bode diagram of a conventional phase synchronization circuit.
FIG. 9 is a circuit diagram of a bias current supply circuit of a conventional phase locked loop.
[Explanation of symbols]
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