Brevet FR2710800A1 — publié le 19950407

LIGNE À RETARD NUMÉRIQUE La présente invention concerne une ligne à retard numérique utilisable notamment pour la réalisation d'un oscilla- teur à fréquence commandée (VO0) faisant partie d'un système de boucle à verrouillage de phase (PLL). La figure 1 représente un schéma classique de réalisa- tion d'un oscillateur commandé dans une réalisation numérique. Cet oscillateur est piloté par une fréquence fx fournie par un cristal, par exemple une fréquence de 270 MHz. Cette fréquence fx est envoyée à l'entrée d'horloge d'un registre 1. Des regis- tres ou mémoires 2 et 3 ontiennent des valeurs programmables Q et P qui sont respectivement ajustées par des signaux de com- mande de l'oscillateur contrôlé. Le contenu du registre 2 est transféré par l'intermédiaire d'un additionneur 4 à l'entrée D du registre 1 au rythme de l'horloge. La sortie Q du registre 1 est envoyée, d'une part, à une première entrée d'un comparateur numérique 5, d'autre part, à une deuxième entrée de l'addition- neur 4. La deuxième entrée du comparateur 5 revoit la sortie du registre P et la sortie du comparateur fournit le signal CLK recherché et est appliquée comme entrée de remise à zéro au registre 1. L'ensemble du registre 1 et de l'additionneur 4 constitue un accumulateur qui est incrémenté de la valeur Q à chaque impulsion de l'horloge fx. Ainsi, quand la multiplication du nombre Q a atteint la valeur P, le comparateur fournit une impulsion de signal CLK. Ce signal a donc FCLK=(Q/P)fx. Bien entendu, ceci suppose que P soit supérieur à Q et même à 2Q. Toutefois, en fait, ce circuit ne fournit pas la fréquence fx multipliée par Q/P mais par la valeur entière majorée de Q/P. En d'autres termes, il y a une erreur de période (un "jitter" ou gigue) de 1 'ordre de grandeur de la période de la fréquence fx. Pour augmenter la précision de 1 'oscillateur et réduire la gigue, il conviendrait donc, ou bien, d'accroître la fréquenoe fx, ou bien, de lisser la fréquence FCLK en sortie de l'oscillateur. Dans les deux cas, cela implique de rajouter une boucle à verrouillage de phase (PLL) analogique pour multi- plier la fréquence du cristal ou pour filtrer la gigue de l'oscillateur. L'utilisation d'une telle boucle analogique est contraire à l'objectif recherché de réalisation d'un oscillateur à fréquence commandée (VCO) entièrement numérique. Pour résoudre ce problème, on a déjà proposé (voir par exemple IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 25, N 6, Décembre 1990, pages 1385 à 1394) de fournir, comme l'indique la figure 2, à partir d'un signal à la fréquence fx d'un cristal une pluralité de signaux déphasés du n-ième de la période correspondante, respectivement des signaux de phase 1, de phase 2... et de phase n. Alors, comme le représente la figure 3, si l'on utilise le signal de phase i pour fournir une période du signal CLK, on pourra utiliser le signal de phase i+l, ou un autre, pour former la période suivante. En ce cas, la précision ou gigue correspond à la période du signal d'entrée divisée par le nombre de phases. On pourra par exemple comme le représente la figure 4 introduire les n phases sur n entrées d'un multiplexeur 10 uti- lisé pour générer le signal CLK. Ce multiplexeur est balayé à une fréquence variable Fs pour fournir le décalage de fréquen- ce. La fréquence Fs est directement proportionnelle au facteur de correction en provenance d'un étage de filtre faisant norma- lement partie d'une boucle d'un PLL. Un multiplieur de cadence de bits, BRM, 11 est destiné à transférer le mot de correction en un signal de balayage. La sortie du multiplieur 11 est 5 envoyée à un compteur/décompteur (UDC) 12 dont le comptage ou le décomptage est déterminé par le bit le plus significatif (MSB) qui est le bit de signe de la valeur de correction du filtre. Dans un système de oe genre, l'un des problèmes réside dans la réalisation de n signaux déphasés avec précision à partir du signal fx. Jusqu'à présent, et comme cela est indiqué dans l'article susmentionré, ces n signaux déphasés sont fournis par un compteur en anneau. Toutefois, la fréquence de ce compteur en anneau doit être contrôlée pour être indépendante du processus de fabrication, de la température et de la variation15 des paramètres de tension. Ce contrôle nécessite à nouveau le recours à des techniques analogiques. Ainsi, un objet de la présente invention est de pré- voir une réalisation ayant recours uniquement à des techniques numeriques pour obtenir n signaux déphasés à partir d'un signal20 d'entrée. En d'autres termes, la présente invention vise à réaliser une ligne à retard numérique programmable permettant de fournir n signaux retardés de 1/n fois la période par rapport à un signal d'entrée de fréquence déterminée. Pour atteindre cet objet, la présente invention pré- voit une ligne à retard numérique pour fournir à partir d'un si- gnal périodique d'entrée n signaux de même période mutuellement déphasés du nième de la période du signal d'entrée, comprenant n cellules dont chacune comprend m éléments de retard en série, chaque sortie d'un élément de retard étant reliée à une entrée30 d'un multiplexeur; des moyens pour comparer la phase de la sortie de la nième cellule à celle du signal d'entrée; et des moyens pour modifier la sortie d'un multiplexeur à la suite de chaque comparaison. Selon un mode de réalisation de la présente invention, chaque multiplexeur est constitué de m-l multiplexeurs à deux entrées, le multiplexeur de rang le plus élevé recevant les sorties des deux dernières cellules, et les multiplexeurs de 5 rang inférieur recevant la sortie du multiplexeur de rang immédiatement précédent et la sortie d'une cellule de rang infé- rieur à celle traitée par le multiplexeur de rang supérieur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, chaque élément de retard est constitué d'une porte NON ET dont une entrée reçoit le signal à retarder et l'autre entree reçoit un signal de validation. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le signal de validation est utilisé comme signal de test Selon un mode de réalisation de la présente invention, le signal de validation est utilisé comme signal d'inhibition pour les éléments de retard non utilisés d'une cellule. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: les figures 1 à 4 décrites précédemment sont destinées à exposer l'état de la technique et le problème posé; la figure 5 représente une ligne à retard numérique selon la présente invention; la figure 6 représente une cellule d'une ligne à retard numérique selon la présente invention; la figure 7 est un chronogramme destiné à illustrer certaines caractéristiques de la ligne à retard numérique selon la présente invention; la figure 8 illustre un mode de commande d'une ligne à retard numérique selon la présente invention; la figure 9 représente un mode de réalisation d'une cellule d'une ligne à retard selon la présente invention; la figure 10 représente des signaux susceptibles de se produire lors de la commande d'un multiplexeur; et la figure 11 représente un circuit de temporisation associé à la commande d'un multiplexeur. Comme le représente la figure 5, la présente invention propose d'utiliser une ligne à retard à n cellules Cl, C2... Ci... Cn fournissant chacune un signal retardé par rapport à un signal d'entrée fx, c'est-à-dire des signaux P1, P2... Pi... Pn, aux entrées d'un multiplexeur 10. On soulignera qu'il s'agit là d'une ligne à retard en boucle ouverte et non pas d'un circuit bouclé en anneau. La figure 6 représente un mode de réalisation d'une cellule Ci de la ligne à retard de la figure 5. Cette oellule est constituée de m éléments de retard dl, d2.... j... dm. Le premier élément de retard dl reçoit la sortie Pi-1 de la cellule précédente et la sortie de chacun des éléments de retard dj est fournie à une entrée d'un multiplexeur Mi dont la sortie correspond au signal Pi et est envoyée à l'entrée de la cellule suivante (et au multiplexeur 10). Dans ce mode de réalisation, chacun des éléments de retard dj présente un même retard de propagation d. Ainsi, en choisissant au moyen du multiplexeur Mi le signal de sortie de l'une des cellules dl à dm, le retard entre les signaux Pi-1 et Pi est égal à j*d et peut varier entre d et m*d. Chaque multiplexeur Mi reçoit un signal de commande CTLi dont le mode de fourniture sera exposé ci-après. Les multiplexeurs Mi sont reliés à un pointeur qui adresse chacun de ces multiplexeurs séquentiellement, dans l'ordre du premier au dernier ou, comme on le verra ci-après, dans tout autre ordre choisi mais de manière que tous les multi- plexeurs aient été pointés avant qu'un multiplexeur soit pointé une deuxième fois. Chaque fois qu'un multiplexeur donné est pointé, le numéro d'ordre de son entrée est incrémenté ou décré- menté en fonction du résultat d'une comparaison entre la sortie35 Pn de la nième cellule et le signal fx. Une fois que la ligne à retard selon la présente invention a été préréglée au voisinage du réglage souhaité, son réglage est peu susceptible de se dérégler, si ce n'est par suite de variations de température ou de fluctuations de la fréquence fx. Ainsi, commne le représente la figure 7, quand le système est sensiblement calé à son point de fonctionnement normal, l'écart entre les fronts montants du signal fx et du signal Pn est au maximum égal à la valeur +d. On détecte donc une erreur E positive (1) ou négative (O). A la suite de chaque détection de l'erreur E, l'un des multiplexeurs est incrémenté ou décrémenté. Lors de la détection suivante, 1 'erreur s'est normalement inversée et le multiplexeur pointé alors devra inversement être décrémenté ou incrémenté. Bien entendu, comme cela a été indiqué précédemment, le pointage est réalisé de sorte qu'à un instant donné, il n'y ait jamais un écart supérieur à d entre les retards apportés par deux cellules distinctes. On dispose ainsi d'un système à ajus- tement permanent. On notera que le taux de réalisation de compa- raisons entre fx et Pn n'est pas nécessairement très élevé et peut être de plusieurs périodes d'horloge puisque les paramètres de synchronisation changent lentement au cours du temps dans un fonctionnement normal du système. Lors de 1 'initialisation du fonctionnement de la ligne à retard selon l'invention, chacune des cellules Cl à Cn est automatiquement placée à son retard minimum et, à partir de là, le retard de chacune des cellules est incrémenté jusqu'à ce que 1 'on trouve une erreur qui alterne entre une incrémentation et une décrémentation. On arrive alors au fonctionnement à l'état stable décrit en relation avec la figure 7. La figure 8 illustre un mode de réalisation de la commande de l'ensemble des cellules à retard Cl à Cn selon la présente invention. Chacune de ces cellules fournit un signal respectif Pi, P2...Pn vers le multiplexeur 10. Un circuit de contrôle CTR est destiné à la commande de chacune des cellules et plus exactement de décodeurs associés à chacun des multiplexeurs Mi de ces cellules. Comme oela a été indiqué précé- demment, ce circuit de contrôle CTR reçoit le signal d'entrée fx 5 et le signal de sortie Pn et détermine que le retard d'une cellule à un instant donné doit être incrémenté ou décrémenté en fonction du signe de la différence E entre les signaux fx et Pn. Dans le mode de réalisation illustré, le circuit de contrôle fournit des sorties SELl, SEL2... SELn de sélection de chacune10 des cellules Cl, C2. Cn et des valeurs RET1 et RET2 qui dif-..DTD: fèrent entre elles d'une unité et qui fixent le retard de chacune des cellules, c'est-à-dire le numéro de l'entrée du multiplexeur Mi qui doit être connecté à sa sortie Pi. Selon la valeur SELi appliquée à une oellule Ci, celle-ci sera oommandée par le signal RET1 ou par le signal RET2. Ainsi, les retards apportés par chacune des cellules diffèrent au plus d'un retard élémentaire d. Le circuit de contrôle CTR comprend des moyens logiques pour que, quand tous les signaux SELl à SELn ont la même valeur, c'est-à-dire que toutes les cellules présentent le même retard, les signaux RET1 et RET2 changent d'état. Ainsi, si l'on part d'un état initial o toutes les cellules sont placées à leur retard minimal, les valeurs ini- tiales du couple RET1, RET2 seront (RET1,RET2)=(1,2). Ensuite, quand tous les SELi passent à 1, le couple (RET1,RET2) passe à25 (3,2) puis quand tous les SELi seront à zéro à (3,4), et ainsi de suite jusqu'à (m-l,m) si l'on est amené à arriver au retard maximal possible. On notera que, quand les signaux SELi sont amenés à passer de O à 1 ou de 1 à O, l'évolution des change- ments doit se faire d'une manière équilibrée de façon que la30 cellule Ci génère un signal Pi ayant une phase la plus proche possible de (2 + i/n)PI. Pour cela, il est déconseillé de faire une évolution séquentielle des retards des cellules Cl à Cn. Une meilleure évolution possible consiste à sélectionner séquentiel- lement les signaux suivants (dans le cas o n est une puissance35 de 2): SELl, SELn/2, SELn/4, SEL3n/4, SELn/8, SEL5n/8, SEL3n/8, SEL7n/8... Plage de fréquence et fluctuation de fréquence (gigue) La gigue intrinsèque à la ligne à retard est d car nous avons vu que Pn subissait une fluctuation de +d par rapport à fx. Les technologies CMOS courantes existantes permettent de fournir des éléments de retard d dont l'ordre de grandeur est normalement de 0,5 à 1 nanoseconde, ce qui implique une gigue acceptable pour une largeur gamme d'applications. La plage de fréquence de la ligne à retard dépend du nombre n de cellules Ci, du nombre m d'éléments de retard dj par cellule et de la technologie utilisée. Si l'on considère que dans un processus MOS classique dans lequel on recherche un retard élémentaire d, ce retard peut en fait varier entre d/2 (meilleur cas) et 2d (pire cas). Le retard total de la ligne à retard peut donc varier entre n*d/2 et m*n*d/2 dans le meilleur cas et n*2d et m*n*2d dans le pire cas. Pour que le générateur de phase puisse se verrouiller dans tous les cas, le retard total de la ligne à retard donc la période d'utilisation 1/fx doit être compris entre 2n*d et n*m*d/2, d'o fmin = 2/m*n*d et fmax = 1/n*2d A titre d'exemple, dans un cas o m=8, n=16, d=0,8 ns, on obtient fmin=19,5 MHz, fmax=39 MHz, la gigue étant égale à d=0,8 ns. Si le générateur de phases est utilisé dans une archi- tecture de VCO numérique, la gigue propre au VCO est 1/n fois la fréquence du cristal, soit l/nfx. Etant donné qu'il n'y a a priori aucune relation temporelle entre la correction du géné- rateur de phases (dont la gigue est d), et la gigue intrinsèque de la boucle PLL, la gigue totale, J, est: J = [(l/nfx)2+d2], ce qui donne, dans le cadre de l'exemple ci-dessus 2,12 Exemple de réalisation La figure 9 représente uniquement à titre d'exemple un mode de réalisation d'une cellule telle que celle de la figure 6, associée à un circuit de commande du type de oelui de la figure 8. Chacun des éléments de retard dj est constitué d'une porte NON ET et 1 'on a représenté le cas particulier o il est prévu un nombre m=8 d'éléments de retard. La première entrée de chacune des portes NON ET est reliée à la sortie de la porte NON ET de rang inférieur, la porte dl recevant le signal Pi-1. La sortie de chacune des portes NON ET est également envoyée à la première entrée d'un multiplexeur Mij à deux voies dont 1' autre entrée reçoit la sortie du multiplexeur de rang supérieur, à 1 'exception du dernier multiplexeur Mim_1 qui revoit la sortie de la porte NON ET dm. En fait, quand on considère le retard de chacune des éléments de retard, il faut tenir compte du passage dans le multiplexeur correspondant. Ainsi, derrière la porte NON ET dm qui comprend un passage de moins dans un multiplexeur que les autres éléments de retard, on rajoute un élément de retard 12. Chacun des multiplexeurs Mil à Miml reçoit des signaux de commande en provenance d'un circuit décodeur DECi commandé par un ensemble de multiplexeurs MUXi qui reçoivent des signaux RET1, RET2 et SELi en provenance d'un circuit de contrô- le tel que le circuit CTR de la figure 8. Un exemple particulier de réalisation des blocs MUXi et DECi est illustré dans la figure en utilisant des symboles classiques représentant des multiplexeurs, des inverseurs et des portes ET et ne sera pas décrit en détail car de nombreuses variantes sont possibles. L'objet de ces circuits est de fournir des signaux de commande aux multiplexeurs Mij de façon à mettre dans un premier état des multiplexeurs Mil à Mik et dans un deuxième état les multi- plexeurs Mik à Mim-1 en relation avec la valeur du signal RET1 ou RET2. Chacune des portes NON ET dl à dm reçoit sur sa deuxième entrée un signal correspondant à un conducteur d'un bus MASK. Les signaux de ce bus MASK peuvent être utilisés dans des buts de test pour tester le fonctionnement du circuit en 5 imposant des signaux choisis à la sortie de chacune des portes NON ET. Ce bus MASK sera aussi de préférence utilisé lors du fonctionnement de la cellule Ci pour inhiber les portes NON ET non utilisées de cette cellule. Ceci permet de minimiser la consommation de puissance.10 Par ailleurs, l'utilisation de portes NON ET consti- tuant des cellules inverseuses en série permet d'équilibrer les retards sur front montant et front descendant. Le rapport cyclique du signal Pi sera ainsi peu affecté par son passage à travers la cellule Ci. En outre, le changement de numéro d'ordre15 du multiplexeur Mi constitué de multiplexeurs élémentaires à deux entrées Mil à Mim-1 se fait sans aléa de commutation du fait que le passage du multiplexeur Mij au multiplexeur Mij+1 ne nécessite qu'une seule transition sur le signal de commande de ce multiplexeur. Parasites de commutation On notera que le dispositif selon l'invention fait usage de nombreux circuits de multiplexage. L'un des problèmes résultant de l'utilisation d'un multiplexeur est lié au moment de commutation qui doit être tel qu'aucun parasite n'apparaisse25 en sortie. Caonme le montre la figure 10, pour un multiplexeur ayant deux entrées El et E2, dont les fronts montants sont par exemple espacés de la valeur d, si l'on applique un signal de canmmande CMUX du multiplexeur qui tend à faire commuter les sor- ties entre les fronts montants de E1 et E2, il apparaitra sur le signal de sortie S une impulsion négative parasite GL, couram- ment désignée dans la technique par le terme "glitch". Dans le cas du multiplexeur Mi décrit précédemment, le retard entre deux entrées est d. Si la commande du multiplexeur est synchronisée sur l'entrée 1 et si elle est retardée d' au moins d par rapport à cette entrée 1, aucun parasite n'apparaitra. C'est pourquoi, on utilise comme le représente la figure 9 une bascule 13 de type D de synchronisation du signal SELi. Le retard de oette bascule, du multiplexeur MUXi et du décodeur DECi est choisi supérieur à d. Du fait que les signaux issus du bloc de contrôle (RET1, RET2, SELi) sont synchronisés sur fx, la bascule de synchronisation de SELi peut avoir des états métastables. Pour éviter cela, on utilise le front montant de Pi pour les cellules ayant une phase importante J usqu'à Cn et le front descendant de Pi pour les cellules ayant une phase faible (à partir de CO). Ainsi, pour ces dernières cellules, il est prévu d'insérer un inverseur 14 entre la sortie du signal Pi et l'entrée de synchronisation de la bascule 13. Dans le cas de 1 'application de la présente invention à la réalisation d'un VCO numérique, le problème des "glitch" liés au multiplexage se présente toujours. Ainsi, la figure 11 illustre un mode de synchronisation du multiplexeur 10. La commande du multiplexeur 10 par un compteur/décompteur UDC est synchronisée sur la sortie CLK de ce multiplexeur retardée d'un retard équivalent à celui d'une cellule Ci imposé par un circuit de retard 15. La ligne à retard numérique équilibrée selon la pré- sente invention est susceptible de nombreuses applications qui apparaitront à l'homme de l'art. Elle peut, canomme cela a été indiqué précédemment être utilisée pour la réalisation d'un oscillateur à fréquence commandée (VCO) d'un PLL, par exemple d'un PLL à application vidéo dans lequel la fréquence fx est de 32 mégahertz et pour lequel la gigue sera inférieure à 5 ns. Elle pourrait également être utilisée pour compenser le retard de signaux provoqué par les problèmes de ligne inhérents aux circuits imprimés. Elle pourrait aussi servir à déterminer et donc à récupérer la phase de certains signaux asynchrones ou désynchronisés, dans le domaine des télécommunications. REVENDICATIONS 1. Ligne à retard numérique pour fournir à partir d'un signal périodique d'entrée (fx) n signaux de même période (P1... Pi... Pn) mutuellement déphasés du n-ième de la période du signal d'entrée, caractérisée en ce qu'elle comprend: n cellules (Cl à Cn) dont chacune comprend m éléments de retard (dl... dj... dm) en série, chaque sortie d'un élément de retard étant reliée à une entrée d'un multiplexeur (Mi); des moyens pour comparer la phase (Pn) de la sortie de la nième cellule à celle du signal d'entrée; et des moyens pour modifier la sortie d'un multiplexeur à la suite de chaque comparaison. 2. Ligne à retard selon la revendication 1, caracté- risée en ce que chaque multiplexeur (Mi) est constitué de m-l multiplexeurs à deux entrées, le multiplexeur de rang le plus élevé (Mim_1) recevant les sorties des deux dernières cellules, et les multiplexeurs de rang inférieur recevant la sortie du multiplexeur de rang immédiatement précédent et la sortie d'une cellule de rang inférieur à celle traitée par le multiplexeur de rang supérieur. 3. Ligne à retard selon la revendication 1, caractéri- sée en ce que chaque élément de retard (di) est constitué d'une porte NON ET dont une entrée reçoit le signal à retarder et 1 'autre entrée reçoit un signal de validation (MASK). 4. Ligne à retard selon la revendication 3, caracté- risée en ce que le signal de validation (MASK) est utilisé comme signal de test. 5. Ligne à retard selon la revendication 3, caracté- risée en ce que le signal de validation (MASK) est utilisé comme signal d'inhibition pour les éléments de retard non utilisés d'une cellule. 6. Ligne à retard selon la revendication 2, caracté- risée en ce que les signaux de comumande de chacun des multiple- xeurs à deux entrées sont retardés de la durée de retard d'un élément de retard par rapport à la phase du signal d'entrée traitée par la oellule concernée. 7. Application d'une ligne à retard selon l'une quel- conque des revendications 1 à 6 à la constitution d'un oscilla- teur à fréquence commandée, chacune des sorties de la ligne à retard étant couplée à un multiplexeur (10) qui sélectionne l'une de ses sorties en fonction de signaux fournis par une boucle à verrouillage de phase numérique.