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JP6554956B2 - 位相検出回路および信号再生回路 - Google Patents

位相検出回路および信号再生回路

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JP6554956B2 JP2015140122A JP2015140122A JP6554956B2 JP 6554956 B2 JP6554956 B2 JP 6554956B2 JP 2015140122 A JP2015140122 A JP 2015140122A JP 2015140122 A JP2015140122 A JP 2015140122A JP 6554956 B2 JP6554956 B2 JP 6554956B2
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Description

本発明は、データ信号に対するクロック信号の位相を検出する位相検出回路、および位相検出回路を含む信号再生回路に係わる。
デジタル信号を受信する受信回路は、各データビットを正しいタイミングで識別することが要求される。このため、多くの受信回路は、受信信号からクロックおよびデータを再生する信号再生回路(CDR:Clock Data Recovery)を備える。
図1は、信号再生回路の一例を示す。信号再生回路1は、図1(a)に示すように、位相検出器2、チャージポンプ3、ループフィルタ4、電圧制御発振器(VCO)5を備える。位相検出器2は、入力データ信号Dataに対してクロック信号CLKが遅れているのか進んでいるのかを表す位相検出信号PDを生成する。チャージポンプ3は、位相検出信号PDに対応する電流CPを出力する。ループフィルタ4は、チャージポンプ3から出力される電流CPを平均化して制御電圧を生成する。VCO5は、ループフィルタ4により生成される制御電圧に応じた周波数のクロック信号CLKを生成する。
上記構成の信号再生回路において、入力データ信号に対してクロック信号が遅れているときは、位相検出器2は、たとえば、Hレベルの位相検出信号を出力する。この場合、VCO5の発振周波数が高くなり、入力データ信号に対するクロック信号の位相が最適値に近づく。一方、入力データ信号に対してクロック信号が進んでいるときは、位相検出器2は、たとえば、Lレベルの位相検出信号を出力する。この場合、VCO5の発振周波数が低くなり、入力データ信号に対するクロック信号の位相が最適値に近づく。
この結果、図1(b)に示すように、クロック信号の立上りエッジが入力データ信号の各ビットの中心に調整される。そして、このようにして位相が調整されたクロック信号でデータ信号が再生される。このとき、データ信号のジッタも除去される。
関連する技術として、光受信回路の受信感度を決定する受信感度制御パラメータを自動的に最適位置に追従させる制御方法が提案されている(例えば、特許文献1)。識別回路の負荷を軽減して動作の高速化を図るタイミング自動調整識別回路が提案されている(例えば、特許文献2)。最適識別位相を自動的に調整して符号誤り率特性の劣化を防ぐ光中継器が提案されている(例えば、特許文献3)。位相/周波数検出の精度を向上させた位相ロックループが提案されている(例えば、特許文献4)。
特開2003−258924号公報 特開平7−240762号公報 特開平7−38505号公報 米国特許5694088
しかしながら、図1(a)に示す信号再生回路1においては、入力データ信号に対してクロック信号が遅れているのか進んでいるのかを表す位相検出信号のみに基づいてクロック信号の位相が調整される。このため、クロック信号の位相の最適化に要する時間が長くなることがある。例えば、クロック信号が大きく遅れている場合であっても、クロック信号が僅かに遅れている場合であっても、同様の位相検出信号が生成されるので、VCO5の発振周波数の変化量は同じである。このため、クロック信号が大きく遅れている場合には、クロック信号の位相が最適化されるまでの時間が長くなる。一方、クロック信号が僅かに遅れている場合には、クロック信号の位相を調整する過程において、そのクロック信号の位相が最適点を越えてしまうことがある。
本発明の1つの側面に係わる目的は、信号再生回路において入力データ信号に対するクロック信号の位相を好適点に調整するために要する時間を短縮することである。
本発明の1つの態様の位相検出回路は、入力データ信号の遷移タイミングで第1のクロック信号をサンプリングした結果を表す第1の位相検出信号を生成する第1の回路と、前記入力データ信号の遷移タイミングで前記第1のクロック信号と異なる位相を有する第2のクロック信号をサンプリングした結果を表す第2の位相検出信号を生成する第2の回路と、前記第1の位相検出信号および前記第2の位相検出信号に基づいて、前記入力データ信号に対する前記第1のクロック信号の位相を表す第3の位相検出信号を生成する第3の回路と、を備える。
上述の態様によれば、信号再生回路において入力データ信号に対するクロック信号の位相を好適点に調整するために要する時間が短くなる。
信号再生回路の一例を示す図である。 第1の実施形態に係わる信号再生回路の一例を示す図である。 クロック位相が最適化されているときの位相検出回路の動作の一例を示す図である。 クロック位相が遅れているときの位相検出回路の動作の一例を示す図である。 クロック位相が進んでいるときの位相検出回路の動作の一例を示す図である。 クロック位相に対するチャージポンプ電流を示す図である。 図1(a)に示す信号再生回路において生成されるチャージポンプ電流を示す図である。 ジッタが付加されたデータ信号で得られる位相検出信号を示す図(その1)である。 ジッタが付加されたデータ信号で得られる位相検出信号を示す図(その2)である。 位相検出信号についてのシミュレーションの結果を示す図(その1)である。 位相検出信号についてのシミュレーションの結果を示す図(その2)である。 第1の実施形態の位相検出回路により生成されるチャージポンプ電流を示す図である。 第2の実施形態の位相検出回路の一例を示す図である。 第3の実施形態の位相検出回路の一例を示す図である。 第4の実施形態の位相検出回路の一例を示す図である。 第5の実施形態の位相検出回路の例を示す図である。 第6の実施形態の位相検出回路の一例を示す図である。 第6の実施形態の位相検出回路の動作の一例を示す図である。
<第1の実施形態>
図2は、本発明の第1の実施形態に係わる信号再生回路の一例を示す。第1の実施形態の信号再生回路10は、図2に示すように、フリップフロップ11、フリップフロップ12、乗算回路13、チャージポンプ14、ループフィルタ15、電圧制御発振器(VCO:Voltage Controlled Oscillator)16、遅延要素17、データ再生回路18を備える。そして、データ信号Data-inが信号再生回路10に入力される。
なお、以下の記載では、信号(データ信号、クロック信号を含む)がLレベルからHレベルに遷移するタイミングを「立上りエッジ」と呼ぶことがある。また、信号がHレベルからLレベルに遷移するタイミングを「立下りエッジ」と呼ぶことがある。さらに、立上りエッジおよび立下りエッジを総称して「遷移エッジ」または「遷移タイミング」と呼ぶことがある。
フリップフロップ11は、D型フリップフロップであり、D端子、C端子、Q端子を備える。D端子には、VCO16により生成されるクロック信号CLK-Iが入力される。C端子には、データ信号Data-inが入力される。したがって、フリップフロップ11は、データ信号Data-inの立上りエッジでクロック信号CLK-Iの状態(HまたはL)をサンプリングして保持する。そして、フリップフロップ11は、C端子に次の立上りエッジが入力されるまで、保持している状態を表す信号をQ端子を介して出力する。以下の記載では、フリップフロップ11の出力信号を「位相検出信号PD-I」と呼ぶことがある。
フリップフロップ12も、D型フリップフロップであり、D端子、C端子、Q端子を備える。D端子には、クロック信号CLK-Qが入力される。クロック信号CLK-Iおよびクロック信号CLK-Qの周波数は互いに同じである。ただし、クロック信号CLK-Qの位相は、クロック信号CLK-Iとは異なっている。一例としては、クロック信号CLK-Iとクロック信号CLK-Qとの間の位相差は90度である。C端子には、データ信号Data-inが入力される。したがって、フリップフロップ12は、データ信号Data-inの立上りエッジでクロック信号CLK-Qの状態(HまたはL)をサンプリングして保持する。そして、フリップフロップ12は、C端子に次の立上りエッジが入力されるまで、保持している状態を表す信号をQ端子を介して出力する。以下の記載では、フリップフロップ12の出力信号を「位相検出信号PD-Q」と呼ぶことがある。
乗算回路13は、フリップフロップ11から出力される位相検出信号PD-Iとフリップフロップ12から出力される位相検出信号PD-Qとを掛け合わせる。チャージポンプ14は、乗算回路13の出力信号に対応するチャージポンプ電流CPを生成する。即ち、チャージポンプ電流CPは、位相検出信号PD-Iと位相検出信号PD-Qとの乗算の結果に依存する。ループフィルタ15は、チャージポンプ14から出力されるチャージポンプ電流CPを平均化して制御電圧を生成する。VCO16は、ループフィルタ15により生成される制御電圧に応じた周波数のクロック信号CLK-Iを生成する。
遅延要素17は、VCO16により生成されるクロック信号CLK-Iを遅延させることによりクロック信号CLK-Qを生成する。遅延要素17の遅延時間は、クロック信号CLK-Iとクロック信号CLK-Qとの間の位相差に相当する。例えば、遅延要素17の遅延時間は、クロック信号CLK-Iの1周期の4分の1である。なお、図2に示す実施例では、クロック信号CLK-Iを遅延させることによりクロック信号CLK-Qが生成されるが、本発明はこの構成に限定されるものではない。すなわち、クロック信号CLK-Qの位相は、クロック信号CLK-Iに対して進んでいても、遅れていても、最終的にPD-Q信号の極性を調整すればよい。
データ再生回路18は、クロック信号CLK-Iでデータ信号Data-inを識別してデータを再生する。データ再生回路18は、例えば、D型フリップフロップにより実現される。
なお、フリップフロップ11、フリップフロップ12、乗算回路13、チャージポンプ14は、データ信号の対するクロック信号CLK-Iの位相を検出する位相検出回路19を構成する。ただし、位相検出回路19は、チャージポンプ14を含まなくてもよい。また、位相検出回路19は、ループフィルタ15を含んでもよい。
図3〜図5は、位相検出回路19の動作の一例を示す。なお、データ信号Data-inは、フリップフロップ11、12のC端子に入力される。クロック信号CLK-Iは、フリップフロップ11のD端子に入力される。クロック信号CLK-Qは、フリップフロップ12のD端子に入力される。位相検出信号PD-Iは、フリップフロップ11のQ端子から出力される。位相検出信号PD-Qは、フリップフロップ12のQ端子から出力される。チャージポンプ電流CPは、チャージポンプ14から出力される。ただし、図3〜図5に示すCPは、乗算回路13の出力信号と等価である。
図3においては、データ信号Data-inに対してクロック信号CLK-Iの位相が最適化されている。すなわち、クロック信号CLK-Iの立上りエッジがデータ信号Data-inの各ビットの中心に調整されている。なお、以下の記載では、データ信号Data-inの1ビット時間を「2π」で表すことがある。この場合、データ信号Data-inの各ビットの中心は「π(180度)」で表される。
図4においては、データ信号Data-inに対してクロック信号CLK-Iが遅れている。具体的には、図4(a)においては、データ信号Data-inに対するクロック信号CLK-Iの遅れは大きい。図4(b)においては、データ信号Data-inに対するクロック信号CLK-Iの遅れは小さい。
フリップフロップ11から出力される位相検出信号PD-Iの状態は、HレベルまたはLレベルである。ただし、位相検出信号PD-IのHレベルは「+1」を表し、位相検出信号PD-IのLレベルは「−1」を表すものとする。フリップフロップ12から出力される位相検出信号PD-Qの状態も、HレベルまたはLレベルである。ただし、位相検出信号PD-QのHレベルは「+2」を表し、位相検出信号PD-QのLレベルは「+1」を表すものとする。
フリップフロップ11は、データ信号Data-inの立上りエッジでクロック信号CLK-Iの状態をサンプリングし、その状態を表す位相検出信号PD-Iを出力する。したがって、クロック信号CLK-Iが遅れているときは、図4(a)および図4(b)に示すように、クロック信号CLK-Iの遅れが大きいか小さいかにかかわらず、位相検出信号PD-Iの状態は「H(+1)」である。
フリップフロップ12は、データ信号Data-inの立上りエッジでクロック信号CLK-Qの状態をサンプリングし、その状態を表す位相検出信号PD-Qを出力する。ここで、クロック信号CLK-Iが遅れているときは、位相検出信号PD-Qの状態は、データ信号Data-inに対するクロック信号CLK-Iの遅れ量に依存する。すなわち、クロック信号CLK-Iの遅れが閾値よりも大きいときは、図4(a)に示すように、位相検出信号PD-Qの状態は「H(+2)」である。一方、クロック信号CLK-Iの遅れが閾値よりも小さいときは、図4(b)に示すように、位相検出信号PD-Qの状態は「L(+1)」である。閾値は、クロック信号CLK-Iとクロック信号CLK-Qとの間の位相差に相当する。この実施例では、クロック信号CLK-Iとクロック信号CLK-Qとの間の位相差は90度である。
チャージポンプ電流CPは、位相検出信号PD-Iと位相検出信号PD-Iとの乗算の結果を表す。すなわち、チャージポンプ電流CPは、下式で表される。
CP=PD-I×PD-Q
したがって、クロック信号CLK-Iの遅れが閾値よりも大きいときは、図4(a)に示すように、チャージポンプ電流CPは「+2」である。一方、クロック信号CLK-Iの遅れが閾値よりも小さいときは、図4(b)に示すように、チャージポンプ電流CPは「+1」である。
図5においては、データ信号Data-inに対してクロック信号CLK-Iが進んでいる。具体的には、図5(a)においては、データ信号Data-inに対するクロック信号CLK-Iの進みは小さい。図5(b)においては、データ信号Data-inに対するクロック信号CLK-Iの進みは大きい。
フリップフロップ11は、データ信号Data-inの立上りエッジでクロック信号CLK-Iの状態をサンプリングし、その状態を表す位相検出信号PD-Iを出力する。したがって、クロック信号CLK-Iが進んでいるときは、図5(a)および図5(b)に示すように、クロック信号CLK-Iの遅れが大きいか小さいかにかかわらず、位相検出信号PD-Iの状態は「L(−1)」である。
フリップフロップ12は、データ信号Data-inの立上りエッジでクロック信号CLK-Qの状態をサンプリングし、その状態を表す位相検出信号PD-Qを出力する。ここで、クロック信号CLK-Iが進んでいるときは、位相検出信号PD-Qの状態は、データ信号Data-inに対するクロック信号CLK-Iの進み量に依存する。すなわち、クロック信号CLK-Iの進みが閾値よりも大きいときは、図5(b)に示すように、位相検出信号PD-Qの状態は「H(+2)」である。一方、クロック信号CLK-Iの進みが閾値よりも小さいときは、図5(a)に示すように、位相検出信号PD-Qの状態は「L(+1)」である。
チャージポンプ電流CPは、上述したように、位相検出信号PD-Iと位相検出信号PD-Iとの乗算の結果を表す。したがって、クロック信号CLK-Iの進みが閾値よりも大きいときは、図5(b)に示すように、チャージポンプ電流CPは「−2」である。一方、クロック信号CLK-Iの進みが閾値よりも小さいときは、図5(a)に示すように、チャージポンプ電流CPは「−1」である。
このように、フリップフロップ11により生成される位相検出信号PD-Iは、データ信号Data-inに対してクロック信号CLK-Iが遅れているのか進んでいるのかを表す。この実施例では、クロック信号CLK-Iが遅れているときは、図4に示すように、位相検出信号PD-Iは「H(+1)」である。一方、クロック信号CLK-Iが進んでいるときは、図5に示すように、位相検出信号PD-Iは「L(−1)」である。
フリップフロップ12により生成される位相検出信号PD-Qは、データ信号Data-inに対するクロック信号CLK-Iの位相ずれ量を表す。この実施例では、クロック信号CLK-Iの位相ずれ量が閾値よりも大きいときは、図4(a)および図5(b)に示すように、位相検出信号PD-Qは「H(+2)」である。一方、クロック信号CLK-Iの位相ずれ量が閾値よりも小さいときは、図4(b)および図5(a)に示すように、位相検出信号PD-Qは「L(+1)」である。
したがって、位相検出信号PD-I、PD-Qの乗算結果に基づいて生成されるチャージポンプ電流CPは、データ信号Data-inに対してクロック信号CLK-Iの位相が遅れているのか進んでいるのかを表すだけでなく、クロック信号CLK-Iの位相ずれ量も表す。
データ信号Data-inに対してクロック信号CLK-Iの位相が最適化されているときは、図3に示すように、データ信号Data-inの遷移タイミングとクロック信号CLK-Iの立上りエッジのタイミングとがほぼ一致する。このため、フリップフロップ11においてデータ信号Data-inの立上りエッジでクロック信号CLK-Iの状態をサンプリングすると、「H(+1)」が得られる確率と「L(−1)」が得られる確率とがほぼ一致する。したがって、図3においては、便宜上、位相検出信号PD-Iは「ゼロ」を表している。この結果、位相検出信号PD-I、PD-Qの乗算結果に基づいて生成されるチャージポンプ電流CPも「ゼロ」である。
図6は、クロック位相に対するチャージポンプ電流を示す。なお、図6(a)は、図2に示す第1の実施形態の位相検出回路19により生成されるチャージポンプ電流CPを示す。なお、この実施例では、クロック信号CLK-Iとクロック信号CLK-Qとの間の位相差は90度である。また、図6(b)は、図1(a)に示す信号再生回路において生成されるチャージポンプ電流を示す。
データ信号Data-inに対してクロック信号CLK-Iの位相が遅れているときは、この実施例では、図6(a)に示すように、正のチャージポンプ電流CPが生成される。また、データ信号Data-inに対してクロック信号CLK-Iの位相が進んでいるときは、負のチャージポンプ電流CPが生成される。
チャージポンプ電流CPは、図2に示すVCO16の発振周波数を制御する。ここで、例えば、正のチャージポンプ電流CPが生成されたときに発振周波数が高くなるようにVCO16が制御され、負のチャージポンプ電流CPが生成されたときに発振周波数が低くなるようにVCO16が制御されるものとする。この場合、クロック信号CLK-Iの位相が遅れているときは、正のチャージポンプ電流CPが生成されるので、発振周波数が高くなるようにVCO16が制御される。この結果、クロック信号CLK-Iの位相が最適点に近づく。一方、クロック信号CLK-Iの位相が進んでいるときは、負のチャージポンプ電流CPが生成されるので、発振周波数が低くなるようにVCO16が制御される。この結果、クロック信号CLK-Iの位相が最適点に近づく。
チャージポンプ電流CPの大きさ(すなわち、チャージポンプ電流のCP絶対値)は、第1の実施形態では、図6(a)に示すように、クロック信号CLK-Iの位相に依存する。具体的には、クロック信号CLK-Iの位相の遅れが90度よりも小さいときは、チャージポンプ電流CPは約+15μAであり、クロック信号CLK-Iの位相の遅れが90度よりも大きいときは、チャージポンプ電流CPは約+40μAである。同様に、クロック信号CLK-Iの位相の進みが90度よりも小さいときは、チャージポンプ電流CPは約−15μAであり、クロック信号CLK-Iの位相の遅れが90度よりも大きいときは、チャージポンプ電流CPは約−40μAである。
ここで、例えば、所定期間tだけチャージポンプ電流CPが1μA大きくなったときに、チャージポンプにより制御されるVCOの制御電圧が変化し、VCO16の発振周波数が10kHzだけ高くなるものとする。この場合、図6(a)において、クロック信号CLK-Iの位相の遅れが90度よりも小さいときは、所定期間tだけチャージポンプ電流CPが15μA大きく制御され、発振周波数が約150kHz相当分高くなるようにVCO16が制御される。また、クロック信号CLK-Iの位相の遅れが90度よりも大きいときは、所定期間tだけチャージポンプ電流CPが40μA大きく制御され、発振周波数が約400kHz相当分高くなるようにVCO16が制御される。同様に、クロック信号CLK-Iの位相の進みが90度よりも小さいときは、発振周波数が約150kHz相当分低くなるようにVCO16が制御される。また、クロック信号CLK-Iの位相の進みが90度よりも大きいときは、発振周波数が約400kHz相当分低くなるようにVCO16が制御される。なお、上述の例は、チャージポンプ電流が所定期間tの間は一定であると仮定しているが、実際にはVCOの制御電圧はチャージポンプ電流の累積量により制御されるため、VCOの発振周波数はチャージポンプ電流量の累積量制御となる。
このように、クロック信号CLK-Iの位相ずれが小さいときは、VCO16の発振周波数の変化量は小さい。したがって、チャージポンプ電流CPに基づいてVCO16の発振周波数が制御されるときに、クロック信号CLK-Iの位相が遅れている状態から最適点を越えて進んでいる状態へ遷移してしまう過剰調整(あるいは、クロック信号CLK-Iの位相が進んでいる状態から最適点を越えて遅れている状態へ遷移してしまう過剰調整)が抑制される。このため、図2に示す信号再生回路10の制御系において、クロック信号CLK-Iの位相が精度よく最適点に調整され得る。
また、クロック信号CLK-Iの位相ずれが大きいときは、VCO16の発振周波数の変化量は大きい。したがって、チャージポンプ電流CPに基づいてVCO16の発振周波数が制御されるときに、短い時間で、クロック信号CLK-Iの位相が最適点に近づく。
これに対して、図1(a)に示す信号再生回路においては、位相検出信号は、データ信号に対してクロック信号が遅れているのか進んでいるのかのみを表す。すなわち、チャージポンプ電流は、データ信号に対してクロック信号が遅れているのか進んでいるのかのみを表す。図6(b)に示す例では、クロック信号の位相が遅れているときは、その遅れ量にかかわらず、約+25μAのチャージポンプ電流が生成される。また、クロック信号の位相が進んでいるときは、その進み量にかかわらず、約−25μAのチャージポンプ電流が生成される。したがって、図1(a)に示す信号再生回路においては、クロック信号の位相を最適点に近づける制御が困難である。
例えば、小さい位相ずれに対してVCOの調整精度が高くなるように回路パラメータを決定すると、位相ずれが大きいときに調整時間が長くなる。一方、大きい位相ずれに対してVCOの調整時間が短くなるように回路パラメータを決定すると、位相ずれが小さいときに調整精度が低くなる。
このように、第1の実施形態によれば、簡単な構成(フリップフロップ11、12、乗算回路13、チャージポンプ14)でクロック信号の位相ずれ方向および位相ずれ量を検出できる。すなわち、クロック信号を利用して入力データ信号を再生する信号再生回路において、短い時間で、及び/又は、精度よくクロック位相の調整することができる。
ところで、入力データ信号にはジッタが付加されていることがある。そして、入力データ信号のジッタが大きいときは、位相検出回路は、入力データ信号に対するクロック信号の位相を精度よく検出できないことがある。
例えば、図1(a)に示す信号再生回路においては、位相検出信号は、クロック信号が遅れているのか進んでいるのかのみを表す。このような信号再生回路に入力されるデータ信号のジッタが大きいときには、実際にはクロック信号の位相が遅れているにもかかわらず、クロック信号の位相が進んでいることを表す位相検出信号が生成されることがある。同様に、実際にはクロック信号の位相が進んでいるにもかかわらず、クロック信号の位相が遅れていることを表す位相検出信号が生成されることがある。そして、これらのケースでは、VCOの発振周波数が誤って制御されることになるので、入力データ信号を正しく再生できないことがある。
図7は、図1(a)に示す信号再生回路において生成されるチャージポンプ電流の一例を示す。特性A、B、C、Dは、ジッタが0.06UI、0.18UI、0.34UI、0.56UIであるときのクロック位相に対するチャージポンプ電流を示している。なお、0.01UIは、データ信号の1ビット時間の1パーセントに相当する。
図1(a)に示す信号再生回路においては、チャージポンプ電流はジッタの大きさに強く依存する。このため、データ信号に対してクロックの位相を最適化する制御が困難である。たとえば、図7において特性Aで表されるように、ジッタが小さいときは、クロックの位相が最適点から僅かにずれただけで大きなチャージポンプ電流が生成される。このため、VCOの発振周波数の変化量が大き過ぎてしまい、クロック位相の最適化が困難である。一方、図7において特性Dで表されるように、ジッタが大きいときは、クロックの位相が最適点から大きくずれても十分なチャージポンプ電流が生成されないことがある。このため、VCOの発振周波数の変化量が小さく、クロック位相の最適化に要する時間が長くなる。
第1の実施形態によれば、チャージポンプ電流の生成においてジッタの影響が抑制される。以下、ジッタの影響の抑制について記載する。
図8〜図9は、ジッタが付加されたデータ信号で得られる位相検出信号を示す。なお、図8は、クロック位相が最適化されているときにフリップフロップ12により生成される位相検出信号PD-Qを示す。図9(a)、図9(b)、図9(c)は、それぞれ、クロック位相のずれが小さいとき、大きいとき、非常に大きいときにフリップフロップ12により生成される位相検出信号PD-Qを示す。
図8〜図9において、遷移点分布は、データ信号Data-inの遷移エッジが現れるタイミングの分布を表す。すなわち、遷移点分布は、フリップフロップ11、12においてクロック信号を読み込むタイミングの分布を表す。なお、ジッタが小さいときは遷移点分布の幅は狭くなり、ジッタが大きいときは遷移点分布の幅は広くなる。ただし、遷移点分布のピークの位置は、ジッタの大きさには実質的に依存しない。
クロック位相が最適化されているときは、図8に示すように、遷移点分布は、クロック信号CLK-QがLレベルである期間内に位置している。したがって、フリップフロップ12により生成される位相検出信号PD-Qは、常に「L」である。
クロック位相のずれが小さいときは、図9(a)に示すように、遷移点分布の大部分はクロック信号CLK-QがLレベルである期間内に位置しているが、遷移点分布の一部はクロック信号CLK-QがHレベルである期間内に位置している。このため、図8に示すケースと比較して、位相検出信号PD-Qの平均値は高くなる。
クロック位相のずれが大きいときは、図9(b)に示すように、遷移点分布の大部分はクロック信号CLK-QがHレベルである期間内に位置し、遷移点分布の一部はクロック信号CLK-QがLレベルである期間内に位置する。このため、図8および図9(a)に示すケースと比較して、位相検出信号PD-Qの平均値はさらに高くなる。
クロック位相のずれが非常に大きいときは、図9(c)に示すように、遷移点分布は、クロック信号CLK-QがHレベルである期間内に位置している。したがって、フリップフロップ12により生成される位相検出信号PD-Qは、常に「H」である。すなわち、図8、図9(a)、図9(b)に示すケースと比較して、位相検出信号PD-Qの平均値はさらに高くなる。
このように、データ信号Data-inにジッタが付加されている場合であっても、位相検出信号PD-Qの平均値は、データ信号Data-inに対するクロック信号CLK-Iの位相ずれ量を表す。なお、遷移点分布のピークの位置は、ジッタの大きさには実質的に依存しない。よって、位相検出信号PD-Qの平均値は、データ信号Data-inに付加されているジッタの大きさによらず、クロック信号CLK-Iの位相ずれ量を表すことができる。
図10〜図11は、ジッタが付加されたデータ信号で得られる位相検出信号についてのシミュレーションの結果を示す。図10〜図11に示すように、クロック位相のずれが小さいときは、クロック信号CLK-Qは、ほぼLレベルである。また、クロック位相のずれが大きくなると、クロック信号CLK-Qは、LレベルおよびHレベルが混在する状態となる。そして、クロック位相のずれが非常に大きくなると、クロック信号CLK-Qは、ほぼHレベルである。
図12は、図2に示す第1の実施形態の位相検出回路19により生成されるチャージポンプ電流を示す。図7に示す例と同様に、図12において、特性A、B、C、Dは、ジッタが0.06UI、0.18UI、0.34UI、0.56UIであるときのクロック位相に対するチャージポンプ電流を示している。
図12に示すように、第1の実施形態によれば、クロック信号の位相ずれとチャージポンプ電流CPとの関係は、ジッタの大きさの影響をさほど受けない。特に、クロック位相が90〜270度の範囲(すなわち、最適点に対して±90度の範囲)では、チャージポンプ電流CPは、ジッタ量の影響を受けることなく、位相ずれ量にほぼ比例している。すなわち、第1の実施形態によれば、クロック信号の位相ずれとチャージポンプ電流CPとの関係においてジッタの影響が抑制される。したがって、入力データ信号にジッタが付加されている場合であっても、そのデータ信号をサンプリングするクロック信号の位相が適切に調整され、データ信号が精度よく再生される。
<第2の実施形態>
図13は、第2の実施形態の位相検出回路の一例を示す。第2の実施形態の位相検出回路20は、フリップフロップ11、12、乗算回路13、チャージポンプ14、加算回路21を備える。フリップフロップ11、12、乗算回路13、チャージポンプ14は、第1および第2の実施形態において実質的に同じである。
加算回路21は、乗算回路13の出力信号に位相検出信号PD-Iを加算する。即ち、加算回路21の出力信号は「(PD-I)+(PD-I)×(PD-Q)」である。そして、チャージポンプ14は、加算回路21の出力信号に対応するチャージポンプ電流CPを生成する。
第2の実施形態の位相検出回路20においては、データ信号Data-inに対してクロック信号CLK-Iの位相が最適点の近くに制御されているときに、利得がゼロになることはない。すなわち、第1の実施形態では、図6(a)に示すように、クロック信号CLK-Iの位相が最適点の近くに制御されているときに、チャージポンプ電流CPがゼロに近い値となる。この場合、クロック位相の制御系が不安定になることがある。これに対して、第2の実施形態では、クロック位相の制御系が不安定になりにくい。
<第3の実施形態>
第1の実施形態では、乗算回路13の出力信号がチャージポンプ14に与えられる。また、第2の実施形態では、加算回路21の出力信号がチャージポンプ14に与えられる。これに対して、第3の実施形態では、乗算回路13および加算回路21の機能がチャージポンプ内で実現される。
図14は、第3の実施形態の位相検出回路の一例を示す。第3の実施形態の位相検出回路30は、図14(a)に示すように、フリップフロップ11、12、チャージポンプ14、バッファ回路31を備える。バッファ回路31は、フリップフロップ12から出力される位相検出信号PD-Qを所定の利得で増幅して制御信号CP-CNTを生成する。そして、チャージポンプ14は、フリップフロップ11から出力される位相検出信号PD-I、バッファ回路から出力される制御信号CP-CNT、および所定のバイアス電圧DC-biasに応じてチャージポンプ電流CPを生成する。
図14(b)は、第3の実施形態の位相検出回路において使用されるチャージポンプ14の一例を示す。第3の実施形態のチャージポンプ14は、図14(b)に示すように、トランジスタT1〜T8を備える。
トランジスタT1、T2は、互いに電気的に並列に接続されている。そして、トランジスタT1、T2に対してトランジスタT5が電気的に接続されている。同様に、トランジスタT3、T4は、互いに電気的に並列に接続されている。そして、トランジスタT3、T4に対してトランジスタT6が電気的に接続されている。さらに、トランジスタT5、T6と所定の定電位(例えば、接地電位)との間にトランジスタT7、T8が設けられている。
上記構成のチャージポンプ14において、トランジスタT1、T3のゲートに位相検出信号PD-Qから生成される制御信号CP-CNTが与えられる。トランジスタT2、T4のゲートにバイアス電圧DC-biasが与えられる。トランジスタT5、T6のゲートに位相検出信号PD-Iが与えられる。トランジスタT7のゲートに制御信号CP-CNTが与えられる。トランジスタT7のゲートにバイアス電圧DC-biasが与えられる。
上述のように、トランジスタT1、T3のゲートに制御信号CP-CNTが与えられので、トランジスタT1、T3を介してそれぞれ電流Icntが流れる。よって、電流Icntは、位相検出信号PD-Qで制御される。また、トランジスタT5、T6のゲートに位相検出信号PD-Iが与えられるので、トランジスタT5、T6を介して流れる電流はそれぞれ位相検出信号PD-Iにより制御される。この結果、「(PD-I)×(PD-Q)」に対応する電流が生成される。
更に、バイアス電圧DC-biasにより電流Idcが生成される。そして、この電流Idcも位相検出信号PD-Iにより制御される。したがって、チャージポンプ14から下記のチャージポンプ電流が出力される。
Idc×(PD-I)+Icnt×{(PD-I)×(PD-Q)}
なお、(PD-I)と(PD-I)×(PD-Q)との加算比は、電流Idcおよび電流Icntにより制御することができる。
<第4の実施形態>
図15は、第4の実施形態の位相検出回路の一例を示す。第4の実施形態の位相検出回路40は、クロック信号の位相を検出する機能に加えて、クロック信号の周波数を検出する機能も備える。
位相検出回路40は、フリップフロップ11、12、チャージポンプ14、バッファ回路31、フリップフロップ41を備える。フリップフロップ41のD端子には、フリップフロップ12により生成される位相検出信号PD-Qが与えられる。また、フリップフロップ41のC端子には、フリップフロップ11により生成される位相検出信号PD-Iが与えられる。すなわち、フリップフロップ41は、位相検出信号PD-Iで位相検出信号PD-Qをサンプリングし、クロック信号の周波数を表す周波数検出信号FDを出力する。なお、チャージポンプ14は、クロック信号の位相に対応するチャージポンプ電流を生成する回路、およびクロック信号の周波数に対応するチャージポンプ電流を生成する回路を備える。
このように、第4の実施形態によれば、クロック信号の位相検出および周波数検出のためにフリップフロップ11、12などが共用されるので、回路サイズを削減することができる。なお、クロック信号の周波数を検出する回路は、例えば、米国特許5694088に記載されている。
<第5の実施形態>
図16は、第5の実施形態の位相検出回路の例を示す。第5の実施形態の位相検出回路50は、フリップフロップ12により生成される位相検出信号PD-Qを平滑化する平滑化回路51を備える。平滑化回路51は、例えば、抵抗およびコンデンサを含むローパスフィルタにより実現される。なお、図16(a)は、第3の実施形態の位相検出回路に平滑化回路51を追加した構成を示している。また、図16(b)は、第4の実施形態の位相検出回路に平滑化回路51を追加した構成を示している。
<第6の実施形態>
第1〜第5の実施形態では、互いに位相の異なる2個のクロック信号を利用してデータ信号に対するクロック位相が検出される。第6の実施形態では、互いに位相の異なる3個以上のクロック信号を利用してデータ信号に対するクロック位相が検出される。
図17は、第6の実施形態の位相検出回路の一例を示す。第6の実施形態の位相検出回路60は、フリップフロップ11、12、61、乗算回路13、62、加算回路63、チャージポンプ14を備える。すなわち、図17に示す実施例では、互いに位相の異なる3個のクロック信号を利用してデータ信号に対するクロック位相が検出される。
フリップフロップ11、12、61のC端子には、それぞれデータ信号Data-inが与えられる。また、フリップフロップ11、12、61のD端子には、それぞれクロック信号CLK-I、CLK-Q、CLK-Q2が与えられる。クロック信号CLK-I、CLK-Q、CLK-Q2の位相は、互いに異なっている。例えば、クロック信号CLK-Iに対してクロック信号CLK-Qの位相は90度シフトしており、クロック信号CLK-Iに対してクロック信号CLK-Q2の位相は45度シフトしている。すなわち、クロック信号CLK-I、CLK-Q2間の位相差は、クロック信号CLK-I、CLK-Q間の位相差の2分の1である。そして、フリップフロップ11は、クロック信号CLK-Iをデータ信号Data-inでサンプリングして位相検出信号PD-Iを生成する。フリップフロップ12は、クロック信号CLK-Qをデータ信号Data-inでサンプリングして位相検出信号PD-Qを生成する。フリップフロップ61は、クロック信号CLK-Q2をデータ信号Data-inでサンプリングして位相検出信号PD-Q2を生成する。
乗算回路12は、位相検出信号PD-Iと位相検出信号PD-Qとを掛け合わせる。乗算回路62は、位相検出信号PD-Iと位相検出信号PD-Q2とを掛け合わせる。加算回路63は、乗算回路13の出力信号と乗算回路62の出力信号との和を生成する。すなわち、加算回路63の出力信号は、下式で表される。
(PD-I)×(PD-Q)+(PD-I)×(PD-Q2)
そして、チャージポンプ14は、加算回路63の出力信号に対応するチャージポンプ電流を生成する。
図18は、第6の実施形態の位相検出回路60の動作の一例を示す。図18(a)〜図18(c)において、縦方向の破線は、フリップフロップ11、12、61におけるサンプリングタイミングを表す。位相検出信号PD-Iの状態は「H(+1)」または「L(−1)」である。また、位相検出信号PD-Q、PD-Q2の状態は「H(+2)」または「L(+1)」である。なお、図18に示す例では、データ信号Data-inに対してクロック信号CLK-Iの位相が遅れている。この場合、位相検出信号PD-Iの状態は「H(+1)」である。
データ信号Data-inに対するクロック信号CLK-Iの遅れが小さいときは、図18(c)に示すように、位相検出信号PD-Q、PD-Q2はいずれも「L(+1)」である。したがって、加算回路63の出力信号「(PD-I)×(PD-Q)+(PD-I)×(PD-Q2)」は「2」である。
データ信号Data-inに対するクロック信号CLK-Iの遅れが大きいときは、図18(b)に示すように、位相検出信号PD-Q、PD-Q2はそれぞれ「L(+1)」「H(+2)」である。したがって、加算回路63の出力信号は「3」である。
データ信号Data-inに対するクロック信号CLK-Iの遅れが非常に大きいときは、図18(a)に示すように、位相検出信号PD-Q、PD-Q2はそれぞれ「H(+2)」「H(+2)」である。したがって、加算回路63の出力信号は「4」である。
チャージポンプ14は、加算回路63の出力信号に対応するチャージポンプ電流CPを生成する。そして、VCO15の発振周波数は、チャージポンプ電流CPに応じて制御される。すなわち、データ信号Data-inに対するクロック信号CLK-Iの位相は、チャージポンプ電流CPにより制御される。
このように、第6の実施形態においては、第1の実施形態等と比較して、位相ずれ量に対してチャージポンプ電流をより細かく制御することができる。この実施例では、位相ずれ量が45度よりも小さいときのチャージポンプ電流は「2」であり、位相ずれ量が45〜90度であるときのチャージポンプ電流は「3」であり、位相ずれ量が90度よりも大きいときのチャージポンプ電流は「4」である。したがって、データ信号をサンプリングするためのクロック信号の位相をさらに精度よく調整することができる。
<他の実施形態>
図2に示す実施例では、遅延要素17を用いてクロック信号CLK-Iからクロック信号CLK-Qが生成されるが、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、信号再生回路10は、VCO15として4相VCOを備えるようにしてもよい。4相VCOは、互いに90度ずつ位相の異なる4つの発振信号を生成する。各発振信号の周波数は、互いに同じであり、与えられる制御電圧により制御される。そして、4相VCOにより生成される4つの発振信号の中から選択される第1の発振信号がクロック信号CLK-Iとしてフリップフロップ11のD端子に与えられる。また、第1の発振信号と位相が90度異なる第2の発振信号がクロック信号CLK-Qとしてフリップフロップ12のD端子に与えられる。
以上記載した各実施例を含む実施形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
(付記1)
入力データ信号の遷移タイミングで第1のクロック信号をサンプリングした結果を表す第1の位相検出信号を生成する第1の回路と、
前記入力データ信号の遷移タイミングで前記第1のクロック信号と異なる位相を有する第2のクロック信号をサンプリングした結果を表す第2の位相検出信号を生成する第2の回路と、
前記第1の位相検出信号および前記第2の位相検出信号に基づいて、前記入力データ信号に対する前記第1のクロック信号の位相を表す第3の位相検出信号を生成する第3の回路と、
を備える位相検出回路。
(付記2)
前記第2のクロック信号の位相は、前記第1のクロック信号に対して90度シフトしている
ことを特徴とする付記1に記載の位相検出回路。
(付記3)
前記第3の回路は、前記第1の位相検出信号と前記第2の位相検出信号とを掛け合わせて前記第3の位相検出信号を生成する
ことを特徴とする付記1に記載の位相検出回路。
(付記4)
前記第3の回路は、前記第1の位相検出信号と前記第2の位相検出信号とを掛け合わせた結果に前記第1の位相検出信号を加算して前記第3の位相検出信号を生成する
ことを特徴とする付記1に記載の位相検出回路。
(付記5)
前記第3の回路は、前記第1の位相検出信号と、前記第1の位相検出信号と前記第2の位相検出信号とを掛け合わせた結果と、を所定の比で加算して前記第3の位相検出信号を生成する
ことを特徴とする付記1に記載の位相検出回路。
(付記6)
前記第3の回路は、前記第1の位相検出信号と、前記第1の位相検出信号と前記第2の位相検出信号とを掛け合わせた結果と、を所定の比で加算した結果を表すチャージポンプ電流を生成するチャージポンプ回路を含み、
前記第3の位相検出信号は、前記チャージポンプ回路により生成されるチャージポンプ電流である
ことを特徴とする付記1に記載の位相検出回路。
(付記7)
前記第2の回路と前記第3の回路との間に設けられ、前記第2の位相検出信号を平滑化する平滑化回路をさらに備える
ことを特徴とする付記1に記載の位相検出回路。
(付記8)
前記第1のクロック信号を遅延させて前記第2のクロック信号を生成する遅延回路をさらに備える
ことを特徴とする付記1に記載の位相検出回路。
(付記9)
前記第3の位相検出信号に基づいて生成される制御電圧に対応する発振周波数で互いに90度ずつ位相の異なる4つの発振信号を生成する4相電圧制御発信器をさらに備え、
前記4つの発振信号の中の1つが前記第1のクロック信号として使用され、前記4つの発振信号の中の他の1つが前記第2のクロック信号として使用される
ことを特徴とする付記1に記載の位相検出回路。
(付記10)
入力データ信号の遷移タイミングでクロック信号をサンプリングした結果を表す第1の位相検出信号を生成する第1の回路と、
互いに位相が異なりかつそれぞれ前記クロック信号とも位相が異なる複数の移相クロック信号をそれぞれ前記入力データ信号の遷移タイミングでサンプリングした結果を表す複数の第2の位相検出信号を生成する第2の回路と、
前記第1の位相検出信号および前記複数の第2の位相検出信号に基づいて、前記入力データ信号に対する前記第1のクロック信号の位相を表す第3の位相検出信号を生成する第3の回路と、
を備える位相検出回路。
(付記11)
制御信号に応じた発振周波数で第1のクロック信号を生成する発振器と、
前記第1のクロック信号で入力データ信号をサンプリングして再生するデータ再生回路と、
前記入力データ信号に対する前記第1のクロック信号の位相を検出する位相検出回路と、を備え、
前記位相検出回路は、
前記入力データ信号の遷移タイミングで前記第1のクロック信号をサンプリングした結果を表す第1の位相検出信号を生成する第1の回路と、
前記入力データ信号の遷移タイミングで前記第1のクロック信号と異なる位相を有する第2のクロック信号をサンプリングした結果を表す第2の位相検出信号を生成する第2の回路と、
前記第1の位相検出信号および前記第2の位相検出信号に基づいて前記制御信号を生成する第3の回路を有する
ことを特徴とする信号再生回路。
10 信号再生回路
11、12、61 フリップフロップ(FF)
13、62 乗算回路
14 チャージポンプ
15 ループフィルタ
16 電圧制御発振器(VCO)
17 遅延要素
18 データ再生回路
19、20、30、40、50、60 位相検出回路
21、63 加算回路
51 平滑化回路

Claims (7)

  1. 入力データ信号の遷移タイミングで第1のクロック信号をサンプリングした結果を表す第1の位相検出信号を生成する第1の回路と、
    前記入力データ信号の遷移タイミングで前記第1のクロック信号と異なる位相を有する第2のクロック信号をサンプリングした結果を表す第2の位相検出信号を生成する第2の回路と、
    前記第1の位相検出信号および前記第2の位相検出信号に基づいて、前記入力データ信号に対する前記第1のクロック信号の位相を表す第3の位相検出信号を生成する第3の回路と、を備え
    前記第3の回路は、前記第1の位相検出信号と前記第2の位相検出信号とを掛け合わせて前記第3の位相検出信号を生成する
    ことを特徴とする位相検出回路。
  2. 入力データ信号の遷移タイミングで第1のクロック信号をサンプリングした結果を表す第1の位相検出信号を生成する第1の回路と、
    前記入力データ信号の遷移タイミングで前記第1のクロック信号と異なる位相を有する第2のクロック信号をサンプリングした結果を表す第2の位相検出信号を生成する第2の回路と、
    前記第1の位相検出信号および前記第2の位相検出信号に基づいて、前記入力データ信号に対する前記第1のクロック信号の位相を表す第3の位相検出信号を生成する第3の回路と、を備え、
    前記第3の回路は、前記第1の位相検出信号と前記第2の位相検出信号とを掛け合わせた結果に前記第1の位相検出信号を加算して前記第3の位相検出信号を生成する
    ことを特徴とする位相検出回路。
  3. 入力データ信号の遷移タイミングで第1のクロック信号をサンプリングした結果を表す第1の位相検出信号を生成する第1の回路と、
    前記入力データ信号の遷移タイミングで前記第1のクロック信号と異なる位相を有する第2のクロック信号をサンプリングした結果を表す第2の位相検出信号を生成する第2の回路と、
    前記第1の位相検出信号および前記第2の位相検出信号に基づいて、前記入力データ信号に対する前記第1のクロック信号の位相を表す第3の位相検出信号を生成する第3の回路と、を備え、
    前記第3の回路は、前記第1の位相検出信号と、前記第1の位相検出信号と前記第2の位相検出信号とを掛け合わせた結果と、を所定の比で加算して前記第3の位相検出信号を生成する
    ことを特徴とする位相検出回路。
  4. 入力データ信号の遷移タイミングで第1のクロック信号をサンプリングした結果を表す第1の位相検出信号を生成する第1の回路と、
    前記入力データ信号の遷移タイミングで前記第1のクロック信号と異なる位相を有する第2のクロック信号をサンプリングした結果を表す第2の位相検出信号を生成する第2の回路と、
    前記第1の位相検出信号および前記第2の位相検出信号に基づいて、前記入力データ信号に対する前記第1のクロック信号の位相を表す第3の位相検出信号を生成する第3の回路と、を備え、
    前記第3の回路は、前記第1の位相検出信号と、前記第1の位相検出信号と前記第2の位相検出信号とを掛け合わせた結果と、を所定の比で加算した結果を表すチャージポンプ電流を生成するチャージポンプ回路を含み、
    前記第3の位相検出信号は、前記チャージポンプ回路により生成されるチャージポンプ電流である
    ことを特徴とする位相検出回路。
  5. 前記第2のクロック信号の位相は、前記第1のクロック信号に対して90度シフトしている
    ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の位相検出回路。
  6. 入力データ信号の遷移タイミングでクロック信号をサンプリングした結果を表す第1の位相検出信号を生成する第1の回路と、
    互いに位相が異なりかつそれぞれ前記クロック信号とも位相が異なる複数の移相クロック信号をそれぞれ前記入力データ信号の遷移タイミングでサンプリングした結果を表す複数の第2の位相検出信号を生成する第2の回路と、
    前記第1の位相検出信号および前記複数の第2の位相検出信号に基づいて、前記入力データ信号に対する前記クロック信号の位相を表す第3の位相検出信号を生成する第3の回路と、を備え
    前記第3の回路は、前記第1の位相検出信号と前記複数の第2の位相検出信号とをそれぞれ掛け合わせて複数の乗算結果信号を生成し、さらに、前記複数の乗算結果信号を互いに足し合わせて前記第3の位相検出信号を生成する
    ことを特徴とする位相検出回路。
  7. 制御信号に応じた発振周波数で第1のクロック信号を生成する発振器と、
    前記第1のクロック信号で入力データ信号をサンプリングして再生するデータ再生回路と、
    前記入力データ信号に対する前記第1のクロック信号の位相を検出する位相検出回路と、を備え、
    前記位相検出回路は、
    前記入力データ信号の遷移タイミングで前記第1のクロック信号をサンプリングした結果を表す第1の位相検出信号を生成する第1の回路と、
    前記入力データ信号の遷移タイミングで前記第1のクロック信号と異なる位相を有する第2のクロック信号をサンプリングした結果を表す第2の位相検出信号を生成する第2の回路と、
    前記第1の位相検出信号前記第2の位相検出信号とを掛け合わせた結果に基づいて前記制御信号を生成する第3の回路を有する
    ことを特徴とする信号再生回路。
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