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特許7481366高比周波数逓倍クロック信号を生成するためのデジタルクロック回路
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-04-30
(45)【発行日】2024-05-10
(54)【発明の名称】高比周波数逓倍クロック信号を生成するためのデジタルクロック回路
(51)【国際特許分類】
H03L 7/18 20060101AFI20240501BHJP
H03L 7/089 20060101ALI20240501BHJP
H03K 5/26 20060101ALI20240501BHJP
H03K 3/02 20060101ALI20240501BHJP
H03K 3/03 20060101ALI20240501BHJP
【ＦＩ】
H03L7/18
H03L7/089 110
H03K5/26 F
H03K3/02 S
H03K3/03
【請求項の数】
20
(21)【出願番号】P 2021567871
(86)(22)【出願日】2019-10-21
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2023-02-17
(86)【国際出願番号】 CN2019112164
(87)【国際公開番号】W WO2021077246
(87)【国際公開日】2021-04-29
【審査請求日】2022-10-19
(73)【特許権者】
【識別番号】510280589
【氏名又は名称】京東方科技集團股▲ふん▼有限公司
【氏名又は名称原語表記】ＢＯＥ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＧＲＯＵＰ ＣＯ．，ＬＴＤ．
【住所又は居所原語表記】Ｎｏ．１０ Ｊｉｕｘｉａｎｑｉａｏ Ｒｄ．，Ｃｈａｏｙａｎｇ Ｄｉｓｔｒｉｃｔ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００１５，ＣＨＩＮＡ
(73)【特許権者】
【識別番号】519385216
【氏名又は名称】北京京▲東▼方技▲術▼▲開▼▲発▼有限公司
【氏名又は名称原語表記】ＢＥＩＪＩＮＧ ＢＯＥ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ ＣＯ．，ＬＴＤ．
【住所又は居所原語表記】Ｒｏｏｍ ４０７，Ｂｕｉｌｄｉｎｇ １，Ｎｏ．９ Ｄｉｚｅ Ｒｏａｄ，ＢＤＡ，Ｂｅｉｊｉｎｇ，１００１７６，ＣＨＩＮＡ
(74)【代理人】
【識別番号】100108453
【弁理士】
【氏名又は名称】村山 靖彦
(74)【代理人】
【識別番号】100110364
【弁理士】
【氏名又は名称】実広 信哉
(72)【発明者】
【氏名】シャンイェ・ウェイ
(72)【発明者】
【氏名】リミン・シュ
(72)【発明者】
【氏名】イミン・バイ
(72)【発明者】
【氏名】シン・リ
【審査官】志津木 康
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２００６／００１２４１４（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許第０８６６４９８８（ＵＳ，Ｂ１）
【文献】中国特許出願公開第１０１２７２１４２（ＣＮ，Ａ）
【文献】特開２００７－２３５７３９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１０－５２４３１７（ＪＰ，Ａ）
【文献】XIU LIMING, et al.，A full digital fractional-N TAF-FLL for digital applocations: demonstration of the principle of a frequency-locked loop built on time-average-frequency，IEEE TRANSACTIONS ON VERY LARGE SCALE INTEGRATION SYSTEMS，米国，IEEE，2019年01月04日，Vol 27, No.3，p.524-534
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０３Ｋ３／００－３／８６
Ｈ０３Ｋ５／００－５／２６
Ｈ０３Ｌ１／００－９／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
高比周波数逓倍クロック信号を生成するためのデジタルクロック回路であって、周波数制御ワードＦによって駆動されて複数の第１のパルスから合成された第１の周期信号の第１の出力周波数を制御するように構成された第１のデジタル制御発振器と、前記第１の出力周波数の１／Ｍに等しい周波数を有するトリガー信号を生成するように構成された第１の周波数分割器とを含む第１のサブ回路と、
フィードバックのループを含む第２のサブ回路であって、前記フィードバックのループは、入力周波数をフィードバック周波数と比較するように構成された周波数検出器と、前記周波数検出器の出力に基づいて前記周波数制御ワードＦを調整するように構成されたコントローラと、前記周波数制御ワードＦ＋定数Ｃによって駆動されて、前記トリガー信号によって誘起された複数の第２のパルスから合成された第２の周期信号の第２の出力周波数を制御するように構成された第２のデジタル制御発振器と、前記フィードバック周波数を前記フィードバックのループ内の前記第２の出力周波数の１／Ｎに等しく設定するように構成された第２の周波数分割器とを含む、第２のサブ回路と、を備え、
前記第１の出力周波数は、前記入力周波数よりも実質的に数桁高い、デジタルクロック回路。
【請求項2】
前記第１のサブ回路は、ノイズに基づいて振動を発生させ、等間隔位相シフトを有する第１の周波数を有する複数の第１のパルスを出力するように構成された自走発振器を更に含む、請求項１に記載のデジタルクロック回路。
【請求項3】
前記自走発振器は、前記第１の周波数の逆数で与えられる第１の周期の１／Ｋｈの等間隔位相シフトを有するＫｈ個の第１のパルスを生成するために、Ｋｈ／２段にカスケード接続された多段のＮＡＮＤゲート回路を含み、各段に一対のＮＡＮＤゲートベースのフリップフロップ構造を有する、請求項２に記載のデジタルクロック回路。
【請求項4】
前記第１のデジタル制御発振器は、累算器を介して前記周波数制御ワードＦの小数部分によって制御される累算レジスタに結合され、Ｋｈ個の第１のパルスを下位経路を介して入力して低レベルの前記第１の周期信号を生成する第１のＫｈ‐１マルチプレクサと、加算器を介して前記周波数制御ワードＦの整数部分の半分によって制御される加算器レジスタに結合され、前記Ｋｈ個の第１のパルスを上位経路を介して入力して高レベルの前記第１の周期信号を生成する第２のＫｈ‐１マルチプレクサと、前記上位経路と前記下位経路との間の遷移を制御して、前記周波数制御ワードＦを超える係数Ｋｈで前記第１の周波数に比例する前記第１の出力周波数を有する前記第１の周期信号を出力するように構成された２‐１マルチプレクサ及びＤ型フリップフロップとを含む直接周期合成器を含む、請求項２に記載のデジタルクロック回路。
【請求項5】
前記第１の周波数分割器は、各段の入力における入力周波数の１／２に等しい各段の出力における出力周波数を生成し、前記第１の出力周波数の１／Ｍで最後のＬ番目の段の出力で前記トリガー信号を出力するように構成されたＬ段カスケード型高周波トグルフリップフロップを含み、Ｍ＝２Ｌである、請求項１に記載のデジタルクロック回路。
【請求項6】
前記第１のサブ回路は、前記トリガー信号によって駆動されて、等間隔位相シフトを有する第２の周波数の複数の第２のパルスを生成するトリガー発振器を更に含む、請求項１に記載のデジタルクロック回路。
【請求項7】
前記トリガー発振器は、前記第１の出力周波数の１／Ｍの逆数によって与えられる第２の周期の１／Ｋｌの等間隔位相シフトを有するＫｌ個の第２のパルスを出力するように構成されたＫｌ／２段ジョンソンカウンタを含む、請求項６に記載のデジタルクロック回路。
【請求項8】
前記周波数検出器は、前記入力周波数を有する入力信号を受信する第１の入力ポートと、前記フィードバック周波数を有する前記フィードバックのループからフィードバック信号を受信する第２の入力ポートと、１／２周波数分割器を介して前記第１の入力ポートに結合され、かつ部分的にインバータを介して第２の入力ポートに結合され、前記入力周波数が前記フィードバック周波数よりも大きいか小さいかを判定するように構成された４つのＤ型フリップフロップを含むトリガーサブ回路と、前記トリガーサブ回路に結合された２つのＸＯＲゲート、２つのインバータ、及び２つのＡＮＤゲートを含み、前記入力周波数が前記フィードバック周波数よりも大きいと判定された場合に第１の時間フレーム内で第１の制御ポートに第１の制御信号を出力し、前記入力周波数が前記フィードバック周波数よりも小さいと判定された場合に第２の時間フレーム内で第２の制御ポートに第２の制御信号を出力する結合論理サブ回路とを含む、請求項１に記載のデジタルクロック回路。
【請求項9】
前記コントローラは、前記第１の制御信号に応答して、前記第１の時間フレーム内でフィードバックの各ループにおいて前記周波数制御ワードＦを１だけ減少させ、前記第２の制御信号に応答して、前記第２の時間フレーム内でフィードバックの各ループにおいて前記周波数制御ワードＦを１だけ増加させ、又は前記第１の制御信号及び前記第２の制御信号が受信されていないことに応答して、前記周波数制御ワードＦを変更しないように構成される、請求項８に記載のデジタルクロック回路。
【請求項10】
前記第２のデジタル制御発振器は、累算器を介して前記周波数制御ワードＦの小数部分によって制御される累算レジスタに結合され、Ｋｌ個の第２のパルスを下位経路を介して入力して低レベルの前記第２の周期信号を生成する第１のＫｌ‐１マルチプレクサと、加算器を介して前記周波数制御ワードＦの整数部分の半分によって制御される加算器レジスタに結合され、前記Ｋｌ個の第２のパルスを上位経路を介して入力して高レベルの前記第２の周期信号を生成する第２のＫｌ‐１マルチプレクサと、前記上位経路と前記下位経路との間の遷移を制御して、前記周波数制御ワードＦと前記定数Ｃの合計を超える係数Ｋｌで前記第２の周波数に比例する前記第２の出力周波数を有する前記第２の周期信号を出力する２‐１マルチプレクサ及びＤ型フリップフロップとを含む直接周期合成器を含む、請求項７に記載のデジタルクロック回路。
【請求項11】
前記第２の出力周波数は、前記周波数制御ワードＦが前記フィードバックのループにおいて整数ＩとＩ＋１との間で切り替えられる状態で時間平均周波数に設定される、請求項１０に記載のデジタルクロック回路。
【請求項12】
前記フィードバックのループは、動的平衡にあり、前記フィードバック周波数を前記入力周波数にロックし、前記第１の出力周波数が、前記周波数制御ワードＦと前記定数Ｃの合計にＭ・Ｎを乗算した逓倍係数で前記入力周波数に実質的に線形に依存するようにする、請求項１１に記載のデジタルクロック回路。
【請求項13】
前記第１の出力周波数を有する前記第１の周期信号は、前記定数Ｃを前記整数Ｉよりも実質的に大きい整数として選択することにより、精度が向上した高周波クロック信号として出力される、請求項１２に記載のデジタルクロック回路。
【請求項14】
前記第２の周波数分割器は、ＮがＭよりも小さくなるように設定された低周波プログラマブルカウンタであるように構成される、請求項１２に記載のデジタルクロック回路。
【請求項15】
高比周波数逓倍クロック信号を生成するためのデジタルクロック発生器であって、入力ポートから受信した入力周波数の入力信号を、フィードバックのループからのフィードバック周波数のフィードバック信号と比較して制御信号を生成するように構成された周波数検出器と、
前記周波数検出器に結合され、前記制御信号に基づいて前記フィードバックのループ内の周波数制御ワードＦを調整するコントローラと、
前記コントローラ及び第１の振動発生器に結合され、等間隔位相シフトを有する第１の周波数の複数の第１のパルスを受信し、前記周波数制御ワードＦによって制御される第１の出力周波数を有する出力ポートへの第１の合成信号を生成するように構成された第１のデジタル制御発振器と、
前記出力ポートに結合され、前記第１の出力周波数の１／Ｍを有するトリガー信号を生成する第１の周波数分割器と、
前記トリガー信号によって誘起されて、等間隔位相シフトを有する第２の周波数の複数の第２のパルスを生成する第２の振動発生器と、
前記コントローラ及び前記第２の振動発生器に結合され、前記周波数制御ワードＦ＋定数Ｃによって制御される第２の出力周波数を有する前記フィードバックのループへの第２の合成信号を生成するように構成された第２のデジタル制御発振器と、
前記フィードバック周波数が前記第２の出力周波数の１／Ｎである前記フィードバック信号を生成する前記フィードバックのループ内の第２の周波数分割器と、を備え、
前記フィードバックのループは、前記第１の出力周波数がＭ・Ｎ・（Ｆ＋Ｃ）で逓倍する前記入力周波数に実質的に線形に依存するように、前記フィードバック周波数を前記入力周波数にロックする、デジタルクロック発生器。
【請求項16】
ＦＰＧＡ又はＡＳＩＣ形式のいずれかでデジタル集積回路に実装された請求項１～１４のいずれか一項に記載のデジタルクロック回路を含む、高比周波数逓倍クロック信号を生成するためのチップ。
【請求項17】
低周波数入力信号から高比周波数逓倍クロック信号を生成するための方法であって、低周波入力信号をフィードバックのループ内のフィードバック信号と比較して、制御信号を生成するステップと、
前記制御信号に基づいて周波数制御ワードＦを生成するステップと、
前記周波数制御ワードＦの少なくとも最下位ビットを使用して、等間隔位相シフトを有する複数の第１の周期パルスに基づいて第１の出力周波数の第１の合成信号を生成するように第１のデジタル制御発振器を駆動するステップと、
前記第１の出力周波数をＭで除算して前記第１の出力周波数の１／Ｍを有するトリガー信号を取得するステップと、
前記周波数制御ワードＦ＋定数Ｃを使用して、前記トリガー信号によって誘起された等間隔位相シフトを有する複数の第２の周期パルスに基づいて第２の出力周波数の第２の合成信号を生成するように第２のデジタル制御発振器を駆動するステップと、
前記第２の出力周波数をＮで除算して、前記フィードバックのループへの前記第２の出力周波数の１／Ｎを有するフィードバック周波数を取得するステップと、
Ｍ・Ｎ・（Ｆ＋Ｃ）で逓倍する前記低周波入力信号の入力周波数に実質的に線形に依存する前記第１の出力周波数で前記第１の合成信号をクロック信号として出力するステップと、を含む、方法。
【請求項18】
デジタル自走発振器を使用して、任意の外部クロック信号なしにランダムノイズから第１の周波数の前記複数の第１の周期パルスを生成するステップを更に含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項19】
ジョンソンカウンタを使用して、前記トリガー信号によって誘起された前記第１の出力周波数の１／Ｍに等しい第２の周波数の前記複数の第２の周期パルスを生成するステップを更に含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項20】
前記定数Ｃは、前記フィードバックのループが、前記周波数制御ワードＦがＩとＩ＋１との間で切り替えられている状態で動的平衡に達するとき、前記周波数制御ワードＦよりも実質的に大きくなるように選択される、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、データ送信技術に関し、より具体的には、入力周波数に対して自走高比周波数逓倍を有するクロック信号を生成するためのデジタルクロック回路に関する。
【背景技術】
【0002】
クロック発生回路では、高周波クロック信号を生成するために、超高逓倍係数を有する位相ロックループ（ＰＬＬ）をいかに形成するかが難しい課題である。ＰＬＬ設計を有する従来のクロック回路では、周波数逓倍係数／分周係数は基本的に１６／３２／６４／１２８に設定される。周波数逓倍係数を約１０００に設定するための複雑なカスケードアルゴリズムに基づく設計はほとんどない。基本的には、周波数逓倍係数／分周係数が大きくなると、従来のクロック回路のＰＬＬの出力のジッタがますます大きくなり、クロック信号の品質が急速に低下する。一般に、クロック信号のジッタはクロック周期の５％を超えることができず、これは、ＰＬＬ設計を通じて超高周波数逓倍係数／分周係数を得るオプションを実質的に制限する。したがって、改善されたデジタルクロック回路が望まれている。
【発明の概要】
【0003】
一態様では、本開示は、高比周波数逓倍クロック信号を生成するためのデジタルクロック回路を提供する。デジタルクロック回路は、周波数制御ワードＦによって駆動されて複数の第１のパルスから合成された第１の周期信号の第１の出力周波数を制御するように構成された第１のデジタル制御発振器を含む第１のサブ回路を含む。第１のサブ回路はまた、第１の出力周波数の１／Ｍに等しい周波数を有するトリガー信号を生成する第１の周波数分割器を含む。更に、デジタルクロック回路は、フィードバックのループを有する第２のサブ回路を含む。フィードバックのループは、入力周波数をフィードバック周波数と比較する周波数検出器と、周波数検出器の出力に基づいて周波数制御ワードＦを調整するコントローラと、周波数制御ワードＦ＋定数Ｃによって駆動されて、トリガー信号によって誘起された複数の第２のパルスから合成された第２の周期信号の第２の出力周波数を制御するように構成された第２のデジタル制御発振器とを含む。第２のサブ回路はまた、フィードバック周波数をフィードバックのループ内の第２の出力周波数の１／Ｎに等しく設定する第２の周波数分割器を含む。第１の出力周波数は、入力周波数よりも実質的に数桁の逓倍係数だけ高い。
【0004】
任意選択で、第１のサブ回路は、ノイズに基づいて振動を発生させ、等間隔位相シフトを有する第１の周波数を有する複数の第１のパルスを出力するように構成された自走発振器を更に含む。
【0005】
任意選択で、自走発振器は、第１の周波数の逆数で与えられる第１の周期の１／Ｋｈの等間隔位相シフトを有するＫｈ個の第１のパルスを生成するために、Ｋｈ／２段にカスケード接続された多段のＮＡＮＤゲート回路を含み、各段に一対のＮＡＮＤゲートベースのフリップフロップ構造を有する。
【0006】
任意選択で、第１のデジタル制御発振器は、累算器を介して周波数制御ワードＦの小数部分によって制御される累算レジスタに結合され、Ｋｈ個の第１のパルスを下位経路を介して入力して低レベルの第１の周期信号を生成する第１のＫｈ‐１マルチプレクサと、加算器を介して周波数制御ワードＦの整数部分の半分によって制御される加算器レジスタに結合され、Ｋｈ個の第１のパルスを上位経路を介して入力して高レベルの第１の周期信号を生成する第２のＫｈ‐１マルチプレクサと、上位経路と下位経路との間の遷移を制御して、周波数制御ワードＦを超える係数Ｋｈで第１の周波数に比例する第１の出力周波数を有する第１の周期信号を出力する２‐１マルチプレクサ及びＤ型フリップフロップとを含む直接周期合成器を含む。
【0007】
任意選択で、第１の周波数分割器は、各段の入力における入力周波数の１／２に等しい各段の出力における出力周波数を生成するように構成されたＬ段カスケード型高周波トグルフリップフロップを含む。Ｌ段カスケード型高周波トグルフリップフロップは、第１の出力周波数の１／Ｍで最後のＬ番目の段の出力でトリガー信号を出力し、Ｍ＝２Ｌである。
【0008】
任意選択で、第１のサブ回路は、トリガー信号によって駆動されて、等間隔位相シフトを有する第２の周波数の複数の第２のパルスを生成するトリガー発振器を更に含む。
【0009】
任意選択で、トリガー発振器は、第１の出力周波数の１／Ｍの逆数によって与えられる第２の周期の１／Ｋｌの等間隔位相シフトを有するＫｌ個の第２のパルスを出力するように構成されたＫｌ／２段ジョンソンカウンタを含む。
【0010】
任意選択で、周波数検出器は、入力周波数を有する入力信号を受信する第１の入力ポートと、フィードバック周波数を有するフィードバックのループからフィードバック信号を受信する第２の入力ポートと、トリガーサブ回路と、結合論理サブ回路とを含む。トリガーサブ回路は、１／２周波数分割器を介して第１の入力ポートに結合され、かつ部分的にインバータを介して第２の入力ポートに結合され、入力周波数がフィードバック周波数よりも大きいか小さいかを判定するように構成された４つのＤ型フリップフロップを含む。結合論理サブ回路は、トリガーサブ回路に結合された２つのＸＯＲゲート、２つのインバータ、及び２つのＡＮＤゲートを含む。結合論理サブ回路は、入力周波数がフィードバック周波数よりも大きいと判定された場合に第１の時間フレーム内で第１の制御ポートに第１の制御信号を出力し、入力周波数がフィードバック周波数よりも小さいと判定された場合に第２の時間フレーム内で第２の制御ポートに第２の制御信号を出力するように構成される。
【0011】
任意選択で、コントローラは、第１の制御信号に応答して、第１の時間フレーム内でフィードバックの各ループにおいて周波数制御ワードＦを１だけ減少させ、第２の制御信号に応答して、第２の時間フレーム内でフィードバックの各ループにおいて周波数制御ワードＦを１だけ増加させ、又は第１の制御信号及び第２の制御信号が受信されていないことに応答して、周波数制御ワードＦを変更しないように構成される。
【0012】
任意選択で、第２のデジタル制御発振器は、累算器を介して周波数制御ワードＦの小数部分によって制御される累算レジスタに結合され、Ｋｌ個の第２のパルスを下位経路を介して入力して低レベルの第２の周期信号を生成する第１のＫｌ‐１マルチプレクサを含む直接周期合成器を含む。第２のデジタル制御発振器はまた、加算器を介して周波数制御ワードＦの整数部分の半分によって制御される加算器レジスタに結合され、Ｋｌ個の第２のパルスを上位経路を介して入力して高レベルの第２の周期信号を生成する第２のＫｌ‐１マルチプレクサを含む。第２のデジタル制御発振器は、上位経路と下位経路との間の遷移を制御して、周波数制御ワードＦと定数の合計を超える係数Ｋｌで第２の周波数に比例する第２の出力周波数を有する第２の周期信号を出力する２‐１マルチプレクサ及びＤ型フリップフロップを更に含む。
【0013】
任意選択で、第２の出力周波数は、周波数制御ワードＦがフィードバックのループにおいて整数ＩとＩ＋１との間で切り替えられる状態で時間平均周波数に設定される。
【0014】
任意選択で、フィードバックのループは、動的平衡にあり、フィードバック周波数を入力周波数にロックし、第１の出力周波数が、周波数制御ワードＦと定数Ｃの合計にＭ・Ｎを乗算した逓倍係数で入力周波数に実質的に線形に依存するようにする。
【0015】
任意選択で、第１の出力周波数を有する第１の周期信号は、定数を整数Ｉよりも実質的に大きい整数として選択することにより、精度が向上した高周波クロック信号として出力される。
【0016】
任意選択で、第２の周波数分割器は、ＮがＭよりも小さくなるように設定された低周波プログラマブルカウンタであるように構成される。
【0017】
別の態様では、本開示は、高比周波数逓倍クロック信号を生成するためのデジタルクロック発生器を提供する。デジタルクロック発生器は、入力ポートから受信した入力周波数の入力信号を、フィードバックのループからのフィードバック周波数のフィードバック信号と比較して制御信号を生成するように構成された周波数検出器を含む。デジタルクロック発生器は、周波数検出器に結合され、制御信号に基づいてフィードバックのループ内の周波数制御ワードＦを調整するコントローラを更に含む。更に、デジタルクロック発生器は、コントローラ及び第１の振動発生器に結合され、等間隔位相シフトを有する第１の周波数の複数の第１のパルスを受信し、周波数制御ワードＦによって制御される第１の出力周波数を有する出力ポートへの第１の合成信号を生成するように構成された第１のデジタル制御発振器を含む。デジタルクロック発生器は、出力ポートに結合され、第１の出力周波数の１／Ｍを有するトリガー信号を生成する第１の周波数分割器を更に含む。更に、デジタルクロック発生器は、トリガー信号によって誘起されて、等間隔位相シフトを有する第２の周波数の複数の第２のパルスを生成する第２の振動発生器を含む。デジタルクロック発生器は、コントローラ及び第２の振動発生器に結合され、周波数制御ワードＦ＋定数Ｃによって制御される第２の出力周波数を有するフィードバックのループへの第２の合成信号を生成するように構成された第２のデジタル制御発振器を更に含む。更に、デジタルクロック発生器は、フィードバック周波数が第２の出力周波数の１／Ｎであるフィードバック信号を生成するフィードバックのループ内の第２の周波数分割器を含む。フィードバックのループは、第１の出力周波数がＭ・Ｎ・（Ｆ＋Ｃ）で逓倍する入力周波数に実質的に線形に依存するように、フィードバック周波数を入力周波数にロックする。
【0018】
更に別の態様では、本開示は、本明細書に記載のデジタルクロック回路を含む、高比周波数逓倍クロック信号を生成するためのチップを提供する。チップは、ＦＰＧＡ又はＡＳＩＣ形式のいずれかでデジタル集積回路に実装される。
【0019】
更に別の態様では、本開示は、低周波数入力信号から高比周波数逓倍クロック信号を生成するための方法を提供する。この方法は、低周波入力信号をフィードバックのループ内のフィードバック信号と比較して、制御信号を生成するステップを含む。この方法は、制御信号に基づいて周波数制御ワードＦを生成するステップを更に含む。更に、この方法は、周波数制御ワードＦの少なくとも最下位ビットを使用して、等間隔位相シフトを有する複数の第１の周期パルスに基づいて第１の出力周波数の第１の合成信号を生成するように第１のデジタル制御発振器を駆動するステップを含む。この方法は、第１の出力周波数をＭで除算して第１の出力周波数の１／Ｍを有するトリガー信号を取得するステップを更に含む。更に、この方法は、周波数制御ワードＦ＋定数Ｃを使用して、トリガー信号によって誘起された等間隔位相シフトを有する複数の第２の周期パルスに基づいて第２の出力周波数の第２の合成信号を生成するように第２のデジタル制御発振器を駆動するステップを含む。この方法は、第２の出力周波数をＮで除算して、フィードバックのループへの第２の出力周波数の１／Ｎを有するフィードバック周波数を取得するステップを更に含む。更に、この方法は、Ｍ・Ｎ・（Ｆ＋Ｃ）で逓倍する低周波入力信号の入力周波数に実質的に線形に依存する第１の出力周波数で第１の合成信号をクロック信号として出力するステップを含む。
【0020】
任意選択で、この方法はまた、デジタル自走発振器を使用して、任意の外部クロック信号なしにランダムノイズから第１の周波数の複数の第１の周期パルスを生成するステップを含む。
【0021】
任意選択で、この方法はまた、ジョンソンカウンタを使用して、トリガー信号によって誘起された第１の出力周波数の１／Ｍに等しい第２の周波数の複数の第２の周期パルスを生成するステップを含む。
【0022】
任意選択で、定数Ｃは、フィードバックのループが、周波数制御ワードＦがＩとＩ＋１との間で切り替えられている状態で動的平衡に達するとき、周波数制御ワードＦよりも実質的に大きくなるように選択される。
【図面の簡単な説明】
【0023】
以下の図面は、開示された様々な実施形態による例示の目的のための単なる例であり、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。
【図1】本開示の一部の実施形態による、高比周波数逓倍クロック信号を生成するためのデジタルクロック回路のブロック図である。
【図2】本開示の一実施形態による、自走式多段カスケード型ＮＡＮＤゲート発振器の回路図である。
【図3】本開示の一実施形態による、デジタル制御発振器にロードされる基本時間単位Δの等間隔位相を有するＫ個の入力パルスを示す概略図である。
【図4】本開示の一実施形態による、時間平均周波数直接周期合成のための論理回路の機能図である。
【図5】本開示の一実施形態による、分周係数Ｍを有する高周波周波数分割器の回路図である。
【図6】本開示の一実施形態によるＫｌ／２段ジョンソンカウンタの回路図である。
【図7】本開示の一実施形態による周波数検出器の論理回路の概略図である。
【図8】本開示の一実施形態による、入力／出力周波数と周波数制御ワードとの間の関係を示すプロットである。
【発明を実施するための形態】
【0024】
次に、以下の実施形態を参照して、本開示をより具体的に説明する。一部の実施形態の以下の説明は、例示及び説明のみを目的として本明細書に提示されることに留意されたい。網羅的であること、又は開示された正確な形態に限定されることを意図するものではない。
【0025】
位相ロックループ（ＰＬＬ）設計に基づく従来のクロック回路は、クロック信号における大きなジッタのために、その周波数逓倍係数／分周係数を約１０００以下に設定することに限界がある。ほとんどのクロック回路は、入力クロック信号を提供するために水晶発振器などに依存しており、それは、高比周波数逓倍クロック信号を生成するために高い消費電力と大きなチップ面積を必要とし、チップに統合するのが難しい。
【0026】
したがって、本開示は、とりわけ、従来技術の制限及び欠点に起因する１つ以上の問題を実質的に排除する、高比周波数逓倍クロック信号を生成するためのデジタルクロック回路、それを有するＩＣチップ、及びその方法を提供する。
【0027】
一態様では、本開示は、高比周波数逓倍クロック信号を生成するための自走発振に基づくデジタルクロック回路を提供する。図１は、本開示の一部の実施形態による、高比周波数逓倍クロック信号を生成するためのデジタルクロック回路のブロック図を示す。図１を参照すると、デジタルクロック回路は主に２つの部分で構成されている。第１のサブ回路１０は、第１のデジタル制御発振器１００を含む。第１のデジタル制御発振器１００は、自走振動発生器からの振動信号に基づいて高周波クロック信号を生成及び出力するように構成され、第１のサブ回路１０は、Ｍ分割周波数信号を第２のサブ回路２０に供給するように構成される。第２のサブ回路２０は、低周波入力信号を受信し、フィードバックのループを使用して周波数制御ワードＦを決定して、第２のデジタル制御発振器２００を制御して、Ｍ分割周波数信号に基づいて合成クロック信号を取得させ、Ｎ分割周波数信号をＦＬＬループ内のフィードバック信号として供給させるように構成された時間平均周波数周波数ロックループ（ＦＬＬ）を含む。周波数制御ワードＦはまた、第１のサブ回路１０内の第１のデジタル制御発振器を制御するために使用される。
【0028】
図１を参照すると、特に、第１のサブ回路１０は、自走発振周波数を生成する自走発振器５０を含む。第１のサブ回路１０はまた、制御信号を受信する制御ポート１０１と、複数の入力パルスを受信する複数の入力ポート１０２と、第１の出力信号を出力する出力ポート１０３とを有し、高周波直接周期合成器であるように構成された第１のデジタル制御発振器１００を含む。
【0029】
一実施形態では、自走発振器５０は、カスケード型ＮＡＮＤゲートユニットに基づく論理回路を使用して、電圧パルス源又は水晶発振器を使用せずに自走発振周波数の生成を実現する。図２は、本開示の一実施形態による、自走式多段カスケード型ＮＡＮＤゲート発振器の回路図を示す。図２を参照すると、回路は、一例として、８段のＮＡＮＤゲートユニット（Ｐ０、Ｐ１…Ｐ１５）をクロスカスケードすることによって構築される。各段は、一対のＮＡＮＤゲートユニットを含む。発振回路全体は、すべてのノイズに基づいて振動を発生させ、フィルタとして機能して、最終的な平衡状態においてすべての振動を固定周波数値で徐々に安定化させるように構成される。更に、（図２のすべての１６ユニットのうちの）各ＮＡＮＤゲートユニットは、同じ発振周波数を有するが、（これらのパルスの）周期の１／１６に等しいシフトされた位相を有する１つの周期パルスを出力するように構成される。
【0030】
自走発振器５０内のＫ／２段カスケード構造の任意の２つの最も隣接するＮＡＮＤゲートユニットについて位相シフトがΔであると仮定すると、図３の例示的な図に示されるように、第１の周波数ｆ１を有するＫ個のパルスが生成される。第１の周波数ｆ１は主に、自走発振器５０内のＮＡＮＤゲートユニットの製造プロセスに依存する。任意選択で、第１の周波数ｆ１は、１ＭＨｚまでの範囲の超高周波数として提供される。特に、各ＮＡＮＤゲートユニットは１つの位相遅延Δを導入する。図１を参照すると、一例では、Ｋ＝Ｋｈ、Δ＝Δｈであり、自走発振器５０は、等間隔位相シフトΔｈを有する第１の周波数ｆ１のＫｈ個の第１のパルスを生成する。これらのＫｈ個の第１のパルスは、第１のデジタル制御発振器１００の入力ポート１０２に供給される。
【0031】
再び図１を参照すると、一実施形態では、第１のデジタル制御発振器１００は、制御ポート１０１から受信した周波数制御ワードＦｈである制御信号を使用して、自走発振器５０から入力ポート１０２を介して受信したＫｈ個の第１のパルスの入力に基づいて、出力ポート１０３に出力される合成周期信号の第１の出力周波数を制御するように構成された時間平均周波数直接周期合成器として提供される。図４は、時間平均周波数直接周期合成器の論理回路の機能図を示す。Ｋｈ個の第１のパルスは、超高周波数である第１の周波数ｆ１において等間隔位相シフトΔｈを有する自走発振器５０によって生成される。
【0032】
等間隔位相シフトΔｈと、Ｉが整数、ｒが０＜ｒ＜１の分数である周波数制御ワードＦｈ＝Ｉ＋ｒとを有するＫｈ個の第１のパルスから開始して、第１のデジタル制御発振器１００に関連付けられた時間平均周波数直接周期合成器は、それぞれの２つの時間フレーム内で２つのタイプのサイクルＴＡ=Ｉ・Δｈ及びＴＢ＝（Ｉ＋１）・Δｈを生成する。次に、それは、ＴＡとＴＢをインターリーブ方式で使用して出力パルス列を生成する。ＴＡ（ひいてはＴＢ）が発生する可能性は、ｒの値によって制御される。出力周波数ｆＴＡＦ／周期ＴＴＡＦは１／ｆＴＡＦ＝ＴＴＡＦ＝Ｆｈ・Δｈによって計算することができる。十分なリソース（ｒで使用されるビット数）があれば、ほとんどすべての周波数を生成することができる。更に、個々の第１のパルスが直接構築されるため、出力信号の波形を瞬時に変化させることができる。
【0033】
Ｋｈ個の第１のパルスは、それぞれ２つのＫ‐１マルチプレクサに入力される。ここで（図４）、Ｋ＝Ｋｈである。図の下半分にある第１のＫ‐１マルチプレクサ（ＭＵＸ＿Ａ）は、累算器を介して周波数制御ワードＦｈによって制御される２パイプラインレジスタに結合され、Ｋｈ個の第１のパルスが下位経路を通過して第１の出力ＭＵＸＯＵＴ＿Ａとなることを可能にする。ここで（図４）、Ｆ＝Ｆｈである。
【0034】
遷移時間ｔ６で、下位経路に関連付けられた累算器は、クロックの立ち上がりエッジごとに累積計算を実行して、周波数制御ワードＦｈが、整数部分Ｉを超える小数部分ｒを含む実数であることを処理する。下位経路のＫ‐１マルチプレクサは、低電圧レベルで出力ＣＬＫ１の論理「０」の長さを支配する。第１の遷移時間ｔ１で、ＳＥＬ＿ＬＯＷはＣＬＫ２の立ち上がりエッジで第１（又は下位）のＫ‐１マルチプレクサＭＵＸ＿Ａに供給される。したがって、それは、Ｋｈ個の第１のパルスのうちの１つのパルスを第１の出力ＭＵＸＯＵＴ＿Ａとして選択する。
【0035】
第２のＫ‐１マルチプレクサ（ＭＵＸ＿Ｂ）は、加算器を介して半周波数制御ワードＦｈ／２によって制御される２パイプラインレジスタに結合され、Ｋｈ個の第１のパルスを上位経路を介して入力して高レベルの第２の出力ＭＵＸＯＵＴ＿Ｂを生成する。上位経路のみに関連付けられた加算器は、周波数制御ワードＦｈの整数部分Ｉによって駆動される。上位経路にあるＫ‐１マルチプレクサＭＵＸ＿Ｂは、高電圧レベルで出力ＣＬＫ１の論理「１」の長さを支配する。
【0036】
更に、図３を参照すると、ＣＬＫ１によって制御される２‐１マルチプレクサＭＵＸ＿Ｃは、上位経路及び下位経路の遷移を制御する。これで、上位経路又は下位経路のいずれかから１つの信号のみが、Ｄ型フリップフロップ及び２つのインバータを含むトグルフリップフロップ回路に到達し、クロックの立ち上がりエッジごとに出力ＭＵＸＯＵＴを「１」から「０」に、又は「０」から「１」に切り替える。
【0037】
第２の遷移時間ｔ２で、選択された信号は第１のＫ‐１マルチプレクサＭＵＸ＿Ａを通過し、２‐１マルチプレクサＭＵＸ＿Ｃに供給される。
【0038】
ｔ２と同時に発生する第３の遷移時間ｔ３で、ＣＬＫ２が立ち上がりエッジの後に論理「１」の状態にあるとき、ＣＬＫ１は論理「０」の状態にある。したがって、２‐１マルチプレクサＭＵＸ＿Ｃは、トグルフリップフロップに送信されるＭＵＸＯＵＴとして、上位経路から第２の出力ＭＵＸＯＵＴ＿Ｂを選択する。
【0039】
第４の遷移時間ｔ４で、第２の出力ＭＵＸＯＵＴ＿Ｂの立ち上がりエッジはトグルフリップフロップに到達し、０から１への遷移が終了する。
【0040】
第５の遷移時間ｔ５で、ＣＬＫ１は１に遷移する。したがって、２‐１マルチプレクサＭＵＸ＿Ｃは、下位経路の第１の出力ＭＵＸＯＵＴ＿Ａを選択してトグルフリップフロップに送信する。プロセス全体が繰り返される。
【0041】
したがって、周波数制御ワードＦｈは、第１のデジタル制御発振器１００によって使用され、出力ポート１０３において、第１の出力周波数ｆｈ＝Ｋｈ・ｆ１／Ｆｈ＝１／（Ｆｈ・Δｈ）を有する第１の周期信号として、Ｋｈ個の第１のパルスから１つのパルスを選択する。
【0042】
図１に戻ると、第１のサブ回路１０はまた、出力ポート１０３に結合されて第１の出力周波数ｆｈを有する第１の周期信号を受信する第１の周波数分割器１２０を含む。一実施形態では、第１の周波数分割器は、分周係数Ｍを有する分割器であり、Ｍは整数である。任意選択で、第１の周波数分割器１２０は高周波分割器であり、Ｌ段カスケード型トグルフリップフロップ回路を使用して周波数を段ごとにデジタル的に分割するように構成される。このタイプの周波数分割器は、１ＭＨｚの高周波範囲で動作する場合でも、非常に低いノイズを導入する。図５は、直列にカスケード接続されたＬ段トグルフリップフロップ（ＴＦＦ）回路の概略図を示す。各ＴＦＦ段は入力ポート及び出力ポートを有する。第１のＴＦＦ段は、第１のデジタル制御発振器１００の出力ポート１０３から第１の出力周波数ｆｈを受信する入力を有する。信号がそれぞれの１段を通過するとき、その出力ポートにおける周波数はその入力ポートにおける周波数の半分に低減される。最後の（Ｌ番目の）ＴＦＦ段は、元の入力周波数の１／Ｍ＝１／２Ｌ、すなわちｆｈ／Ｍを有するＭ分割信号を最終的に出力する出力ポートを有する。
【0043】
任意選択で、Ｍ分割信号は、追加の発振パルスを誘起するためのトリガー信号として機能する。一実施形態では、図１を更に参照すると、第１のサブ回路１０は、トリガー信号によって駆動されて、等間隔位相シフトを有する第２の周波数の複数の第２のパルスを生成するトリガー発振器１５０を更に含む。図６は、本開示の一実施形態による、Ｋｌ／２段ジョンソンカウンタとして構成されたトリガー発振器の一例を示す。Ｋｌ／２段ジョンソンカウンタは、直列にカスケード接続されたＫｌ／２段Ｄ型フリップフロップを含み、各フリップフロップ段は、トリガー信号を受信するクロック入力ポートと、パルスＰｉを出力するＱ出力ポートと、別のパルスＰＫｌ／２＋ｉを出力するＱｎ出力ポートとをそれぞれ有する。Ｋｌ／２段ジョンソンカウンタの場合、すべてのＱ出力ポートはＫｌ／２個のパルスＰ１、Ｐ２、Ｐ３をＰＫｌ／２まで順次出力し、すべてのＱｎ出力ポートは、Ｋｌ／２個のパルスＰＫｌ／２＋１、ＰＫｌ／２＋２、ＰＫｌ／２＋３をＰＫｌまで順次出力する。機能的には、トリガー発振器１５０は、自走発振器５０と実質的に同様であり、ただし、トリガー発振器１５０は、等間隔位相シフトΔｌを有する第２の周波数ｆ２のＫｌ個の第２のパルスを生成するために、クロック入力ポートに入力されたトリガー信号を必要とし、ここでＫｌ・ｆ２＝１／Δｌである。一実施形態では、Ｋｌ・ｆ２＝ｆｈ／Ｍであり、これらのＫｌ個の第２のパルスは、フィードバックの周波数ロックループとして構成された第２のサブ回路２０内の第２のデジタル制御発振器２００にロードされる準備ができている。
【0044】
再び図１を参照すると、第２のサブ回路２０は、入力周波数ｆｉを有する入力信号を受信する第１の入力ポートと、フィードバック周波数ｆｂを有するフィードバック信号を受信する第２の入力ポートとを有する周波数検出器（ＦＤ）２１０を含む。周波数検出器（ＦＤ）２１０は、フィードバックのＦＬＬループ内の第１の要素として機能し、入力周波数をフィードバック周波数と比較して、入力周波数ｆｉとフィードバック周波数ｆｂの比較結果に基づいて制御信号を出力するように構成される。
【0045】
一実施形態では、周波数検出器２１０は、入力周波数ｆｉをフィードバック周波数ｆｂと比較して、第１の制御信号ｆａｓｔ及び第２の制御信号ｓｌｏｗを交互に生成して、フィードバックのＦＬＬループ内の周波数制御ワードＦを決定するように構成される。図７は、本開示の一実施形態による周波数検出器の論理回路の概略図を示す。図７を参照すると、周波数検出器２１０は、図１のｆｉの入力信号であり得るｆ１の第１の信号を受信する第１の入力ポートと、図１のｆｂのフィードバック信号であり得るｆ２の第２の信号を受信する第２の入力ポートとを含む。更に、周波数検出器２１０は、第１の入力ポート及び第２の入力ポートに結合され、第１の周波数ｆ１と第２の周波数ｆ２との間の関係を検出するように構成されたトリガーサブ回路２１０１を含む。周波数検出器２１０は、トリガーサブ回路２１０１に結合され、第１の時間フレーム内で第１の制御ポートへの第１の制御信号ｆａｓｔを生成し、第２の時間フレーム内で第２の制御ポートへの第２の制御信号ｓｌｏｗを生成する結合論理サブ回路２１０２を更に含む。第１の時間フレームと第２の時間フレームは次々に交互に現れる。
【0046】
一実施形態では、トリガーサブ回路２１０１は、周波数分割器を介して第１の入力ポートに結合され、かつ部分的にインバータを介して第２の入力ポートに結合された４つのＤ型フリップフロップを含む。トリガーサブ回路２１０１は、第１の周波数ｆ１が第２の周波数ｆ２よりも大きいか小さいかを判定するように構成される。結合論理サブ回路２１０２は、２つのＸＯＲゲート、２つのインバータ、及び２つのＡＮＤゲートを含み、第１の周波数ｆ１が第２の周波数ｆ２よりも大きいという判定に基づいて第１の時間フレーム内で第１の制御ポートに第１の制御信号ｆａｓｔを出力するか、又は第１の周波数ｆ１が第２の周波数ｆ２よりも小さいという判定に基づいて第２の時間フレーム内で第２の制御ポートに第２の制御信号ｓｌｏｗを出力するように構成される。
【0047】
更に、第２のサブ回路２０は、周波数検出器２１０に結合されて第１ ／第２の制御信号を受信するコントローラ２２０を含む。本実施形態では、第１の制御信号ｆａｓｔは、コントローラ２２０を駆動して周波数制御ワードＦを１だけ減少させ、第２の制御信号ｓｌｏｗはコントローラ２２０を駆動して各ループ動作において周波数制御ワードＦを１だけ増加させる。周波数検出器２１０から制御信号が受信されない場合、コントローラ２２０は、周波数制御ワードＦを変更せずに維持するように構成される。最終的に、第１の制御信号ｆａｓｔと第２の制御信号ｓｌｏｗが交互に生成され、周波数制御ワードＦがＩとＩ＋１との間で切り替えられるとき、フィードバックのループ全体は動的平衡に達することができる。この平衡状態では、第２の周波数ｆ２は実質的に第１の周波数ｆ１にロックされている。入力周波数が変化すると、即ち、ロッキングターゲットが変更されると、周波数検出器２１０は、周波数制御ワードＦを決定するように動作し、それは、デジタルクロック回路の第２のサブ回路２０に関連するフィードバックのループにおける周波数ロッキングを達成するために使用され、また、第１のデジタル制御発振器を駆動するために使用される。
【0048】
更に、図１を参照すると、第２のサブ回路２０は、コントローラ２２０に結合されて、周波数制御ワードＦｌを受信して、第１のサブ回路１０のトリガー発振器１５０から受信した等間隔位相シフトΔｌを有する第２の周波数ｆ２のＫｌ個の第２のパルスからパルス選択を駆動する第２のデジタル制御発振器２００を含む。第２のデジタル制御発振器２００は、第１のデジタル制御発振器１００と実質的に同様の時間平均周波数直接周期合成器としても構成される。これは、図４及び上記の関連する段落の説明に示されている。違いは、第２の周波数ｆ２が第１のデジタル制御発振器１００の第１の出力周波数ｆｈの１／Ｍであるため、第２のデジタル制御発振器２００が比較的低い周波数で動作していることである。ここで、Ｍは大きな整数として選択される。例えば、Ｍ＝２５６である。また、ＫｌはＫｈとは異なり、ΔｌはΔｈとは異なる。別の違いは、第２のデジタル制御発振器２００の周波数制御ワードＦｌが、周波数制御ワードＦ（コントローラ２２０によって決定される）＋定数Ｃ、すなわちＦｌ＝Ｆ＋Ｃとなるように選択できることである。ここで、Ｃは大きな整数、例えばＣ＝１１７として選択される。第２のデジタル制御発振器２００は、（フィードバックのループにおける）時間平均周波数直接周期合成に基づいて、実質的にｆｌ＝Ｋｌ・ｆ２／Ｆｌで表される第２の出力周波数ｆｌを有する第２の周期信号を生成及び出力するように構成される。
【0049】
更に、第２のサブ回路２０は、第２のデジタル制御発振器２００に結合されて第２の出力周波数ｆｌの第２の周期信号を受信し、それを１／Ｎに分割する第２の周波数分割器２３０を含み、ここで、Ｎは分周係数である。第２の周波数分割器２３０は、第１の周波数分割器１２０と実質的に同様であるように構成される。任意選択で、それは、分周係数Ｎを生成するために、多段デジタルカウンタ又は複数の遅延線で実装することができる。第２のサブ回路２０の時間平均周波数周波数ロックループが周波数をより高速にロックするようにするために、分周係数Ｎは、整数Ｍ（第１の周波数分割器の分周係数）よりも小さい整数となるように選択される。例えば、Ｍ＝２５６、Ｎ＝６４である。第２の周波数分割器２３０の出力は、フィードバック周波数ｆｂ＝ｆｌ／Ｎとして周波数検出器２１０に直接フィードバックされる（図１を参照）。
【0050】
制御ワードＦｌ＝Ｆ＋Ｃによって制御される第２のデジタル制御発振器２００に関連付けられた時間平均周波数直接周期合成器を通るフィードバックのループが動的平衡に達すると、フィードバック周波数ｆｂは、入力周波数ｆｉと実質的にロックされる。ｆｂ＝ｆｌ／Ｎ、ｆｌ＝ｆｈ／（Ｍ・Ｆｌ）であるため、第１の出力周波数ｆｈと入力周波数ｆｉとの関係が得られる。
【0051】
ｆｈ＝Ｍ・Ｎ・Ｆｌ・ｆｉ＝Ｒ・ｆｉ
Ｒは、入力周波数に対する出力周波数の逓倍率であり、分周係数Ｍ、分周係数Ｎ、及びＦｌの３つの乗数の積からなる。特に、Ｍ＞Ｎであり、第２のデジタル制御発振器２００の周波数制御ワードＦｌは、コントローラ２２０によって生成された制御ワードＦ＋大きな定数Ｃによって与えられる。例えば、Ｍ＝２５６、Ｎ＝６４、Ｆｌ＝１２８であり、逓倍率Ｒは２０９７１５２に等しい。言い換えると、本開示のデジタルクロック回路は、５０Ｈｚの低周波の入力パルスを１０４．８５７６ＭＨｚの超高周波のクロック信号に変えることができる。
Ｒは、入力周波数に対する出力周波数の逓倍率であり、分周係数Ｍ、分周係数Ｎ、及びＦｌの３つの乗数の積からなる。特に、Ｍ＞Ｎであり、第２のデジタル制御発振器２００の周波数制御ワードＦｌは、コントローラ２２０によって生成された制御ワードＦ＋大きな定数Ｃによって与えられる。例えば、Ｍ＝２５６、Ｎ＝６４、Ｆｌ＝１２８であり、逓倍率Ｒは２０９７１５２に等しい。言い換えると、本開示のデジタルクロック回路は、５０Ｈｚの低周波の入力パルスを１０４．８５７６ＭＨｚの超高周波のクロック信号に変えることができる。
【0052】
本開示の別の実施形態では、図１を参照すると、コントローラ２２０は、第１のサブ回路１０内の第１のデジタル制御発振器１００と第２のサブ回路２０内の第２のデジタル制御発振器２００の両方に周波数制御ワードＦを供給するように構成される。言い換えると、第１のデジタル制御発振器１００に供給される周波数制御ワードＦｈと第２のデジタル制御発振器２００に供給される周波数制御ワードＦｌの両方は、コントローラ２２０によって生成された周波数制御ワードＦから引き出すことができる。任意選択で、Ｆｈ＝Ｆ、Ｆｌ＝Ｆ＋Ｃであり、ここでＣはＦよりも実質的に大きい整数である。任意選択で、ＦｈはＦｌの最下位ビットであるように選択される。例えば、Ｆｌは８ビットの制御ワード１ｘｘｘ‐１１０１である。Ｆｈは４ビットの制御ワード１１０１である。ＦｌはＦｈ＋１２７として表すことができる。
【0053】
一実施形態では、周波数制御ワードＦ＋実質的により大きな定数（注：原文中の「contact」は「 constant」の間違いであるため、「constant」に従って翻訳しました）Ｃを使用して第２のサブ回路内の第２のデジタル制御発振器２００を駆動するフィードバックの時間平均周波数ロックループ（ＦＬＬ）は、クロック信号の精度を高めるように設計されている。フィードバックのＦＬＬループにおいて、第２の出力周波数ｆｌは、動的平衡での周波数制御ワードＦにそれぞれ関連する２つのサイクル周波数ｆｌ１とｆｌ２の間の時間平均周波数、すなわちｆｌ＝（１－ｒ）・ｆｌ１＋ｒ・ｆｌ２によって決定され、ここで、ｒは、ｆｌ１及びｆｌ２の重みである。公称値Ｆの場合、ｆｌ１とｆｌ２は非常に異なる。例えば、ｆｌ１＝３０００、ｆｌ２＝３６００である。Ｆ＋Ｃ、例えばＦ＝１１、Ｃ＝９６、がフィードバックのループ内の第２のデジタル制御発振器２００を駆動するために使用される実施形態では、ｆｌ１とｆｌ２は、互いにより類似するようになる。例えば、ｆｌ１＝３２００、ｆｌ２＝３４００である。この場合、時間平均周波数ｆｌの誤差は小さくなる。（第１の）出力周波数ｆｈの精度は、フィードバックのループにおける（第２の）出力周波数ｆｌの精度に依存する。したがって、周波数ｆｈを有する出力クロック信号の精度を向上させることができる。
【0054】
図８は、本開示の一実施形態による、入力／出力周波数と周波数制御ワードとの間の関係を示すプロットを示す。図８を参照すると、それは、入力周波数及び出力周波数と周波数制御ワードＦ（固定分周係数Ｍ及びＮを有する）との間の関係が単調な関係であることを示す。周波数制御ワードＦの値が大きい場合、その関係は実質的に線形である。したがって、入力周波数に対して高比逓倍周波数を有する出力信号は、高周波クロック信号として使用することができる。特定の実験では、５０Ｈｚの周波数の入力信号が回路基板上のＦＰＧＡチップに実装されたクロック回路にロードし、Ｋｅｙｓｉｇｈｔ ５３２３０Ａ周波数計によって測定したところ、得られた出力周波数は１２４.１４８ＭＨｚであり、逓倍率Ｒは２４８２９６８である。一般に、分周係数Ｍ、Ｎ、及びデジタルクロック回路を設計するための周波数制御ワードＦ＋定数Ｃの選択に応じて、本開示のデジタルクロック回路の逓倍率Ｒは、少なくとも２０００より大きい、又は１００００より大きい、又は５００００より大きい、又は１０００００より大きい、又は５０００００より大きい、又は１００００００より大きい、又は２００００００より大きい。
【0055】
特定の実施形態では、本開示は、高比周波数逓倍クロック信号を生成するためのデジタルクロック発生器を提供する。デジタルクロック発生器は、入力ポートから受信した入力周波数の入力信号を、フィードバックのループからのフィードバック周波数のフィードバック信号と比較して制御信号を生成するように構成された周波数検出器を含む。デジタルクロック発生器は、周波数検出器に結合され、制御信号に基づいてフィードバックのループ内の周波数制御ワードＦを調整するコントローラを更に含む。更に、デジタルクロック発生器は、コントローラ及び第１の振動発生器に結合され、等間隔位相シフトを有する第１の周波数の複数の第１のパルスを受信し、周波数制御ワードＦによって制御される第１の出力周波数を有する出力ポートへの第１の合成信号を生成するように構成された第１のデジタル制御発振器を含む。デジタルクロック発生器は、出力ポートに結合され、第１の出力周波数の１／Ｍを有するトリガー信号を生成する第１の周波数分割器を更に含む。更に、デジタルクロック発生器は、トリガー信号によって誘起されて等間隔位相シフトを有する第２の周波数の複数の第２のパルスを生成する第２の振動発生器を含む。デジタルクロック発生器は、コントローラ及び第２の振動発生器に結合され、周波数制御ワードＦ＋定数Ｃによって制御される第２の出力周波数を有するフィードバックのループへの第２の合成信号を生成するように構成された第２のデジタル制御発振器を更に含む。更に、デジタルクロック発生器は、フィードバック周波数が第２の出力周波数の１／Ｎであるフィードバック信号を生成するフィードバックのループ内の第２の周波数分割器を含む。フィードバックのループは、第１の出力周波数がＭ・Ｎ・（Ｆ＋Ｃ）で逓倍する入力周波数に実質的に線形に依存するように、フィードバック周波数を入力周波数にロックする。第１の合成信号は入力周波数に対して高比逓倍クロック周波数を有するクロック信号として出力される。
【0056】
別の態様では、本開示は、本明細書に記載のデジタルクロック回路を含む、高比周波数逓倍クロック信号を生成するためのチップを提供する。デジタルクロック回路は、高比逓倍クロック周波数を達成するために、高効率及び自走振動発生構造を有する純粋なデジタル回路設計に基づいている。チップは、様々な電子応用のためにＦＰＧＡ又はＡＳＩＣデジタル集積回路に実装することができる。
【0057】
更に別の態様では、本開示は、低周波数入力信号から高比周波数逓倍クロック信号を生成するための方法を提供する。この方法は、低周波入力信号をフィードバックのループ内のフィードバック信号と比較して、制御信号を生成するステップを含む。この方法は、制御信号に基づいて周波数制御ワードを生成するステップを更に含む。更に、この方法は、周波数制御ワードＦの少なくとも最下位ビットを使用して、等間隔位相シフトを有する複数の第１の周期パルスに基づいて第１の出力周波数の第１の合成信号を生成するように第１のデジタル制御発振器を駆動するステップを含む。この方法は、第１の出力周波数をＭで除算して第１の出力周波数の１／Ｍを有するトリガー信号を取得するステップを更に含む。更に、この方法は、周波数制御ワードＦ＋定数Ｃを使用して、トリガー信号によって誘起された等間隔位相シフトを有する複数の第２の周期パルスに基づいて第２の出力周波数の第２の合成信号を生成するように第２のデジタル制御発振器を駆動するステップを含む。この方法は、第２の出力周波数をＮで除算して、フィードバックのループ内の第２の出力周波数の１／Ｎを有するフィードバック周波数を取得するステップを更に含む。更に、この方法は、Ｍ・Ｎ・（Ｆ＋Ｃ）で逓倍する低周波入力信号の入力周波数に実質的に線形に依存する第１の出力周波数で第１の合成信号をクロック信号として出力するステップを含む。
【0058】
更に本実施形態では、この方法はまた、デジタル自走発振器を使用して、任意の外部クロック信号なしにランダムノイズから第１の周波数の複数の第１の周期パルスを生成するステップを含む。
【0059】
更に本実施形態では、この方法はまた、ジョンソンカウンタを使用して、トリガー信号によって誘起された第１の出力周波数の１／Ｍに等しい第２の周波数の複数の第２の周期パルスを生成するステップを含む。
【0060】
更に、方法を実行する実施形態では、定数Ｃは、フィードバックのループが、周波数制御ワードＦがＩとＩ＋１との間で切り替えられている状態で動的平衡に達するとき、周波数制御ワードＦよりも実質的に大きくなるように選択される。
【0061】
本発明の実施形態の前述の説明は、例示及び説明の目的で提示されてきた。網羅的であること、又は本発明を正確な形態若しくは開示された例示的な実施形態に限定することを意図するものではない。したがって、前述の説明は、限定的ではなく例示的であると見なされるべきである。明らかに、多くの修正及び変形は当業者には明らかであろう。実施形態は、本発明の原理及びその最良の形態の実際の適用を説明するために選択及び記載され、それによって、当業者が、企図される特定の使用又は実装に適した様々な修正を加えて様々な実施形態について本発明を理解できるようにする。本発明の範囲は、本明細書に添付された特許請求の範囲及びそれらの同等物によって定義されることが意図され、すべての用語は、特に明記されていない限り、それらの最も広い合理的な意味で意味される。したがって、「発明」、「本発明」などの用語は、必ずしも特許請求の範囲を特定の実施形態に限定するものではなく、本発明の例示的な実施形態への言及は、本発明に対する限定を意味するものではなく、そのような限定は推論されるべきではない。本発明は、添付の特許請求の範囲の精神及び範囲によってのみ限定される。更に、これらの特許請求の範囲は、名詞又は要素に続く「第１」、「第２」などを使用することに言及することができる。そのような用語は、命名法として理解されるべきであり、特定の数が与えられていない限り、そのような命名法によって修飾される要素の数に制限を与えると解釈されるべきではない。記載されているいかなる利点及び利益も、本発明のすべての実施形態に当てはまるとは限らない。以下の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲から逸脱することなく、当業者によって記載された実施形態に変更を加えることができることを理解されたい。更に、本開示の要素及び構成要素は、その要素又は構成要素が以下の特許請求の範囲において明示的に記載されているか否かにかかわらず、公衆に提供されることを意図するものではない。
【符号の説明】
【0062】
１０ 第１のサブ回路
２０ 第２のサブ回路
５０ 自走発振器
１００ 第１のデジタル制御発振器
１０１ 制御ポート
１０２ 入力ポート
１０３ 出力ポート
１２０ 第１の周波数分割器
１５０ トリガー発振器
２００ 第２のデジタル制御発振器
２１０ 周波数検出器
２２０ コントローラ
２３０ 第２の周波数分割器
２１０１ トリガーサブ回路
２１０２ 結合論理サブ回路
２０ 第２のサブ回路
５０ 自走発振器
１００ 第１のデジタル制御発振器
１０１ 制御ポート
１０２ 入力ポート
１０３ 出力ポート
１２０ 第１の周波数分割器
１５０ トリガー発振器
２００ 第２のデジタル制御発振器
２１０ 周波数検出器
２２０ コントローラ
２３０ 第２の周波数分割器
２１０１ トリガーサブ回路
２１０２ 結合論理サブ回路
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
