JP2000004156A - Vco特性自動可変pll回路 - Google Patents

Vco特性自動可変pll回路

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JP2000004156A
JP2000004156A JP10165627A JP16562798A JP2000004156A JP 2000004156 A JP2000004156 A JP 2000004156A JP 10165627 A JP10165627 A JP 10165627A JP 16562798 A JP16562798 A JP 16562798A JP 2000004156 A JP2000004156 A JP 2000004156A
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voltage
frequency
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error signal
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Hisao Kato
久雄 加藤
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Mitsubishi Electric Corp
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03LAUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
    • H03L7/00Automatic control of frequency or phase; Synchronisation
    • H03L7/06Automatic control of frequency or phase; Synchronisation using a reference signal applied to a frequency- or phase-locked loop
    • H03L7/08Details of the phase-locked loop
    • H03L7/099Details of the phase-locked loop concerning mainly the controlled oscillator of the loop
    • HELECTRICITY
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    • H03LAUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
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    • H03L7/06Automatic control of frequency or phase; Synchronisation using a reference signal applied to a frequency- or phase-locked loop
    • H03L7/08Details of the phase-locked loop
    • H03L7/10Details of the phase-locked loop for assuring initial synchronisation or for broadening the capture range
    • H03L7/113Details of the phase-locked loop for assuring initial synchronisation or for broadening the capture range using frequency discriminator

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  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 VCO特性の広帯域化を図ろうとする場合、
電圧制御発振器5の電圧・周波数変換利得を高くせざる
を得なく、外乱に弱いPLL回路になってしまう。 【解決手段】 複数のVCO特性を有し、選択されたV
CO特性に基づいた周波数の出力クロックを発振する電
圧制御発振器11と、ウインドウコンパレータ14によ
り誤差信号が設定範囲以上であると判定した場合に、発
振周波数の高いVCO特性に切り替え、誤差信号が設定
範囲以下であると判定された場合に、発振周波数の低い
VCO特性に切り替えるVCO特性切替器17とを備
え、各VCO特性の電圧・変換利得は発振周波数範囲で
必要以上に高くする必要がなく、外乱にも強い。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、広い発振周波数
範囲を必要とするPLL回路を利用する技術分野で利用
可能であり、特にシステムの動作条件により発振周波数
が広い範囲で変化する高速CD−ROMやDVD−RO
MのデータPLLのような、自己同期型のディジタルデ
ータからクロックを抽出するシステムでの利用に最適な
VCO特性自動可変PLL回路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】PLL回路は、今や通信分野のみなら
ず、全ての技術分野に渡って広く使われている技術であ
る。近年の各種システムの高速化に対応して、PLL回
路に対する要求仕様も、より高速、広帯域化してきてい
ると言える。例えば、パーソナルコンピュータの周辺機
器であるCD−ROMやDVD−ROMでは、システム
の動作条件によって30倍を超える周波数範囲のデータ
に追随して、自己同期型のデータからPLL回路でクロ
ックを抽出し、データを再生する必要がある。一般に
は、この周波数領域のPLL回路は集積回路化されてい
るが、全ての周波数帯域において、最適化された特性を
得ることには技術的困難がつきまとい、また、集積回路
の製造プロセスのばらつきをいかに吸収するかも大きな
課題である。
【0003】図10は従来のPLL回路を示すブロック
構成図であり、図において、1は基準入力の入力端子、
2はその基準入力と帰還した出力クロックとの位相差に
応じた誤差信号を出力する位相比較器、3は誤差信号を
増幅する直流増幅器、4は誤差信号の不要周波数成分を
濾波する低域濾波器、5は誤差信号に応じてVCO特性
に基づいた周波数の出力クロックを発振する電圧制御発
振器、6は発振された出力クロックの周波数を分周する
分周器、7は出力端子である。
【0004】次に動作について説明する。入力端子1か
らの基準入力と出力クロックとを位相比較器2により比
較し、その誤差信号を直流増幅器3により増幅して、低
域濾波器4により誤差信号の不要周波数成分を濾波す
る。電圧制御発振器5では、誤差信号に応じてVCO特
性に基づいた周波数の出力クロックを発振し、さらに、
分周器6によりその出力クロックを分周して出力端子7
より出力すると共に、位相比較器2に帰還する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】従来のPLL回路は以
上のように構成されているので、PLL回路を広帯域化
しようとした場合、電圧制御発振器5の制御電圧に対応
した発振周波数範囲を広帯域化する必要がある。図11
は従来の電圧制御発振器のVCO特性を示す特性図であ
り、VCO特性の広帯域化を図ろうとする場合、いくつ
かの技術的課題が存在する。一つはVCO特性の広帯域
化により必然的に電圧制御発振器5の電圧・周波数変換
利得を高くせざるを得ないということである。電圧制御
発振器5の電圧・周波数変換利得は発振周波数に応じて
最適な範囲があり、必要以上にこの電圧・周波数変換利
得を高めれば、外乱(ノイズ)に弱いPLL回路になっ
てしまう。また、電圧制御発振器5の電圧・周波数変換
利得を広い範囲に渡って直線性を保つことは難しく、集
積回路化した場合も、製造プロセスによらず動作周波数
範囲のばらつきを抑えることも難しいなどの課題があっ
た。
【0006】この発明は上記のような課題を解決するた
めになされたもので、広い発振周波数範囲に渡ってVC
O特性を最適化でき、また、集積回路化した場合でも回
路構成を大きくすることなく、製造ばらつきによらず安
定したVCO特性を持つVCO特性自動可変PLL回路
を得ることを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】この発明に係るVCO特
性自動可変PLL回路は、誤差信号が予め設定された上
限または下限電圧以上であるか比較判定する上限および
下限電圧比較器と、複数のVCO特性を有し、選択され
たVCO特性に基づいた周波数の出力クロックを発振す
る1つの電圧制御発振器と、上限電圧比較器により上限
電圧以上であると判定された場合に、発振周波数の高い
VCO特性に切り替え、下限電圧比較器により下限電圧
以下であると判定された場合に、発振周波数の低いVC
O特性に切り替えるVCO特性切替器とを備えたもので
ある。
【0008】この発明に係るVCO特性自動可変PLL
回路は、VCO特性切替器に、上限電圧比較器により上
限電圧以上であると判定された時間、または、下限電圧
比較器により下限電圧以下であると判定された時間が予
め設定された時間以上連続して判定された場合に、VC
O特性を切り替えるタイマを備えたものである。
【0009】この発明に係るVCO特性自動可変PLL
回路は、位相比較器、直流増幅器、および低域濾波器を
動作可能にする予め設定された上限周波数および下限周
波数と出力クロックの周波数とを比較し、出力クロック
の周波数が上限周波数および下限周波数の範囲内になる
ように、位相比較器、直流増幅器、低域濾波器、または
電圧制御発振器を制御する周波数比較器を備えたもので
ある。
【0010】
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の一形態を
説明する。 実施の形態1.図1はこの発明の実施の形態1によるV
CO特性自動可変PLL回路を示すブロック構成図であ
り、図において、1は基準入力の入力端子、2はその基
準入力と帰還した出力クロックとの位相差に応じた誤差
信号を出力する位相比較器、3は誤差信号を増幅する直
流増幅器、4は誤差信号の不要周波数成分を濾波する低
域濾波器、6は発振された出力クロックの周波数を分周
する分周器、7は出力端子である。11は所望の発振周
波数範囲を満たすように制御電圧に対して発振周波数の
高低異なる複数のVCO特性を有し、低域濾波器4によ
り濾波された誤差信号に応じてそれら複数のVCO特性
のうちのいずれか選択されたVCO特性に基づいた周波
数の出力クロックを発振する電圧制御発振器であり、こ
の電圧制御発振器11は、1つの回路構成から成るもの
である。12は予め設定された上限電圧を入力する入力
端子、13は予め設定された下限電圧を入力する入力端
子、14はウインドウコンパレータであり、ウインドウ
コンパレータ14において、15は低域濾波器4により
濾波された誤差信号が入力端子12より入力された上限
電圧以上であるか比較判定する上限電圧比較器、16は
低域濾波器4により濾波された誤差信号が入力端子13
より入力された下限電圧以下であるか比較判定する下限
電圧比較器である。17は上限電圧比較器15により上
限電圧以上であると判定された場合に、電圧制御発振器
11のVCO特性をそれまでに選択されたVCO特性よ
りも制御電圧に対して発振周波数の高いVCO特性に切
り替え、また、下限電圧比較器16により下限電圧以下
であると判定された場合に、電圧制御発振器11のVC
O特性をそれまでに選択されたVCO特性よりも制御電
圧に対して発振周波数の低いVCO特性に切り替えるV
CO特性切替器である。18〜21については、実施の
形態2および実施の形態3において後述する。
【0011】次に動作について説明する。入力端子1か
らの基準入力と出力クロックとを位相比較器2により比
較し、その誤差信号を直流増幅器3により増幅して、低
域濾波器4により誤差信号の不要周波数成分を濾波す
る。電圧制御発振器11では、誤差信号に応じてVCO
特性に基づいた周波数の出力クロックを発振し、さら
に、分周器6によりその出力クロックを分周して出力端
子7より出力すると共に、位相比較器2に帰還する。図
2はこの発明の実施の形態1による電圧制御発振器のV
CO特性を示す特性図であり、図に示すように、電圧制
御発振器11は、所望の発振周波数範囲を満たすよう
に、発振周波数範囲の広くない高低異なる複数のVCO
特性を有するものであり、このように各VCO特性の発
振周波数範囲を広くしなければ、電圧・周波数変換利得
の直線性を保つことも容易である。この電圧制御発振器
11は、全体の回路動作電流を切り替えるなどして複数
のVCO特性のうちのいずれかを選択するものである。
【0012】ここで、電圧制御発振器11の具体的な構
成例を示す。図3はこの発明の実施の形態1による電圧
制御発振器の周辺を示す回路図であり、図において、1
1aはリング形電圧制御発振器であり、従来から用いら
れている回路構成である。11bはスイッチ制御信号に
応じてリング形電圧制御発振器11aに供給される電流
を制御し、その電流に応じてリング形電圧制御発振器1
1aのVCO特性を可変設定する電流制御器であり、こ
の実施の形態1により追加される回路構成である。図4
は電流制御器の詳細を示す回路図、図5は電流制御器の
バイアスVBF制御回路を示す回路図、図6は電流制御
器のバイアスVGF制御回路を示す回路図であり、電流
制御器11bはこれら図4〜図6の回路から構成される
ものである。図4において、P,Nは、図3における
P,Nに接続され、図5のバイアスVBF制御回路から
出力される電流値であるバイアスVBFと、図6のバイ
アスVGF制御回路から出力される電流値であるバイア
スVGFとを加えた電流和に応じた電流値をリング形電
圧制御発振器11aに供給するものである。図7はバイ
アスVBFをパラメータとしたVCO特性の変化を示す
特性図であり、スイッチ制御信号に応じて図5における
スイッチVBFSWnを制御すれば、式(1)に応じ
て、バイアスVBFが可変され、そのバイアスVBFの
変化に応じて図7に示すようにVCO特性を可変設定す
ることができる。
【数1】 図8はバイアスVGFをパラメータとしたVCO特性の
変化を示す特性図、図9はスイッチVGFSWnの制御
に応じたバイアスVGFの変化を示す説明図であり、ス
イッチ制御信号に応じて図6におけるスイッチVGFS
Wnを制御すれば、図9に応じて、バイアスVGFが可
変され、そのバイアスVGFの変化に応じて図8に示す
ようにVCO特性を可変設定することができる。このよ
うに、リング形電圧制御発振器11aに電流制御器11
bを加えた構成にすれば、VCO特性を任意に可変設定
することができ、即ち、所望の発振周波数範囲を満たす
ように制御電圧に対して発振周波数の高低異なる複数の
VCO特性を有する1つの電圧制御発振器11を構成す
ることができる。また、複数のVCO特性を有する1つ
の電圧制御発振器11を構成したので、それぞれ異なる
1つのVCO特性を有する電圧制御発振器を複数設けた
ものと比較して、大幅に回路構成を簡単にすることがで
き、半導体集積回路上に構成する場合に、チップ面積を
削減することができると共に、消費電力を低減すること
ができる。
【0013】図1に戻って、上記電圧制御発振器11の
VCO特性を選択するにあたって、まず、上限電圧比較
器15および下限電圧比較器16において、低域濾波器
4により濾波された誤差信号が上限電圧から下限電圧の
範囲内であるか比較判定する。誤差信号が上限電圧から
下限電圧の範囲内の場合、図2における点Aに示すよう
に現状でも最適なVCO特性が選択されているものと判
断し、VCO特性を切り替えない。一方、誤差信号が上
限電圧以上、または、下限電圧以下になった場合、上限
電圧比較器15または下限電圧比較器16からVCO特
性切替器17に判定信号を出力する。VCO特性切替器
17では、上限電圧比較器15から判定信号を入力した
場合に、図2における点Bに示すように誤差信号が上限
電圧以上であると判断し、電圧制御発振器11のVCO
特性をそれまでに選択されたVCO特性よりも制御電圧
に対して発振周波数の高いVCO特性に切り替える。電
圧制御発振器11では高いVCO特性に切り替わったこ
とにより、一旦、発振周波数を高めるが、その発振周波
数が高くなった分、誤差信号が小さくなり、点Cに示す
ように誤差信号が上限電圧から下限電圧の範囲内に収ま
るようになる。また、VCO特性切替器17では、下限
電圧比較器16から判定信号を入力した場合に、図2に
おける点Dに示すように誤差信号が下限電圧以下である
と判断し、電圧制御発振器11のVCO特性をそれまで
に選択されたVCO特性よりも制御電圧に対して発振周
波数の低いVCO特性に切り替える。電圧制御発振器1
1では低いVCO特性に切り替わったことにより、一
旦、発振周波数を低めるが、その発振周波数が低くなっ
た分、誤差信号が大きくなり、点Eに示すように誤差信
号が上限電圧から下限電圧の範囲内に収まるようにな
る。このようにして、誤差信号に応じて自動的に最適な
VCO特性を切り替えて選択することができる。
【0014】以上のように、この実施の形態1によれ
ば、広い発振周波数範囲に渡ってVCO特性を最適化で
きると共に、その各VCO特性の電圧・変換利得は発振
周波数範囲で必要以上に高くする必要がなく、また、一
定の直線性を保ったままにできるため、外乱にも強く安
定したPLL回路を実現することができる。また、製造
プロセスのばらつきに対しても、VCO特性の切り替え
の範囲を余裕をもって複数準備しておけば、自動的に切
り替えて動作するため、ばらつきを吸収することがで
き、VCO特性のために製造プロセスを必要以上に管理
する必要がないという利点がある。さらに、複数のVC
O特性を有する1つの電圧制御発振器11を構成したの
で、それぞれ異なる1つのVCO特性を有する電圧制御
発振器を複数設けたものと比較して、大幅に回路構成を
簡単にすることができ、半導体集積回路上に構成する場
合に、チップ面積を削減することができると共に、消費
電力を低減することができる。
【0015】実施の形態2.この発明の実施の形態2に
よるVCO特性自動可変PLL回路は、図1に示したV
CO特性切替器17に、上限電圧比較器15により上限
電圧以上であると判定された時間、または、下限電圧比
較器16により下限電圧以下であると判定された時間が
予め設定された時間以上連続して判定された場合に、電
圧制御発振器11のVCO特性を切り替えるタイマ18
を備えたものである。
【0016】次に動作について説明する。VCO特性を
切り替える場合にはシステムが過敏になりすぎないよう
考慮する必要がある。低域濾波器4から出力される誤差
信号は、このVCO特性自動可変PLL回路の動作状態
により若干の変動がある。この変動に過敏に反応してV
CO特性を切り替えることは、PLL回路の不安定性を
もたらす可能性がある。これを防ぐために、VCO特性
切替器17にタイマ18を備え、予め設定された時間以
上連続して上限電圧から下限電圧の範囲を外れた場合に
VCO特性を切り替えるようにすれば動作の安定性を確
保することができる。尚、上限電圧、下限電圧およびタ
イマの動作時間はVCO特性自動可変PLL回路に要求
される特性に応じて任意に設定可能なものとする。
【0017】以上のように、この実施の形態2によれ
ば、タイマ18により、予め設定された時間以上連続し
て上限電圧から下限電圧の範囲を外れた場合にVCO特
性を切り替えるようにしたので、動作の安定性を確保す
ることができる。
【0018】実施の形態3.図1において、19は位相
比較器2、直流増幅器3、低域濾波器4、および分周器
6を動作可能にする予め設定された上限周波数を入力す
る入力端子、20はその下限周波数を入力する入力端
子、21はそれら上限周波数および下限周波数と出力ク
ロックの周波数とを比較し、その出力クロックの周波数
がそれら上限周波数および下限周波数の範囲内になるよ
うに、直流増幅器3を制御する周波数比較器である。
【0019】次に動作について説明する。VCO特性を
自動的に切り替えることにより、位相比較器2、直流増
幅器3、低域濾波器4、または分周器6のロジック動作
の限界を超えて、電圧制御発振器11の発振周波数が上
がり過ぎたり、下がり過ぎたりすることがないように、
周波数比較器21により、入力端子19,20から入力
された上限周波数および下限周波数と出力クロックの周
波数とを比較し、その出力クロックの周波数がそれら上
限周波数および下限周波数の範囲内になるように、直流
増幅器3を強制的に制御する。尚、周波数比較器21に
よる制御は、VCO特性自動可変PLL回路のループ内
であればどこでも良く、即ち、位相比較器2、直流増幅
器3、低域濾波器4、電圧制御発振器11、または分周
器6のうちの任意の構成で制御すれば良く、直流増幅器
3である必要はない。
【0020】以上のように、この実施の形態3によれ
ば、周波数比較器21により、出力クロックの周波数が
それら上限周波数および下限周波数の範囲内になるよう
に、直流増幅器3を強制的に制御するので、VCO特性
自動可変PLL回路の動作をより安定化することができ
る。
【0021】
【発明の効果】以上のように、この発明によれば、広い
発振周波数範囲に渡ってVCO特性を最適化できると共
に、その各VCO特性の電圧・変換利得は発振周波数範
囲で必要以上に高くする必要がなく、また、一定の直線
性を保ったままにできるため、外乱にも強く安定したP
LL回路を実現することができる効果がある。また、製
造プロセスのばらつきに対しても、VCO特性の切り替
えの範囲を余裕をもって複数準備しておけば、自動的に
切り替えて動作するため、ばらつきを吸収することがで
き、VCO特性のために製造プロセスを必要以上に管理
する必要がないという効果がある。さらに、複数のVC
O特性を有する1つの電圧制御発振器を構成したので、
それぞれ異なる1つのVCO特性を有する電圧制御発振
器を複数設けたものと比較して、大幅に回路構成を簡単
にすることができ、半導体集積回路上に構成する場合
に、チップ面積を削減することができると共に、消費電
力を低減することができる効果がある。
【0022】また、この発明によれば、タイマにより、
予め設定された時間以上連続して上限電圧から下限電圧
の範囲を外れた場合にVCO特性を切り替えるようにし
たので、動作の安定性を確保することができる効果があ
る。
【0023】また、この発明によれば、周波数比較器に
より、出力クロックの周波数が上限周波数および下限周
波数の範囲内になるように強制的に制御したので、VC
O特性自動可変PLL回路の動作をより安定化すること
ができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1によるVCO特性自
動可変PLL回路を示すブロック構成図である。
【図2】 この発明の実施の形態1による電圧制御発振
器のVCO特性を示す特性図である。
【図3】 この発明の実施の形態1による電圧制御発振
器の周辺を示す回路図である。
【図4】 電流制御器の詳細を示す回路図である。
【図5】 電流制御器のバイアスVBF制御回路を示す
回路図である。
【図6】 電流制御器のバイアスVGF制御回路を示す
回路図である。
【図7】 バイアスVBFをパラメータとしたVCO特
性の変化を示す特性図である。
【図8】 バイアスVGFをパラメータとしたVCO特
性の変化を示す特性図である。
【図9】 スイッチVGFSWnの制御に応じたバイア
スVGFの変化を示す説明図である。
【図10】 従来のPLL回路を示すブロック構成図で
ある。
【図11】 従来の電圧制御発振器のVCO特性を示す
特性図である。
【符号の説明】
2 位相比較器、3 直流増幅器、4 低域濾波器、1
1 電圧制御発振器、15 上限電圧比較器、16 下
限電圧比較器、17 VCO特性切替器、18タイマ、
21 周波数比較器。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基準入力と出力クロックとの位相差に応
    じた誤差信号を出力する位相比較器と、その位相比較器
    から出力された誤差信号を増幅する直流増幅器と、その
    直流増幅器により増幅された誤差信号の不要周波数成分
    を濾波する低域濾波器と、その低域濾波器により濾波さ
    れた誤差信号が予め設定された上限電圧以上であるか比
    較判定する上限電圧比較器と、上記低域濾波器により濾
    波された誤差信号が予め設定された下限電圧以下である
    か比較判定する下限電圧比較器と、所望の発振周波数範
    囲を満たすように制御電圧に対して発振周波数の高低異
    なる複数のVCO特性を有し、上記低域濾波器により濾
    波された誤差信号に応じてそれら複数のVCO特性のう
    ちのいずれか選択されたVCO特性に基づいた周波数の
    出力クロックを発振する1つの電圧制御発振器と、上記
    上限電圧比較器により上限電圧以上であると判定された
    場合に、上記電圧制御発振器のVCO特性をそれまでに
    選択されたVCO特性よりも制御電圧に対して発振周波
    数の高いVCO特性に切り替え、上記下限電圧比較器に
    より下限電圧以下であると判定された場合に、上記電圧
    制御発振器のVCO特性をそれまでに選択されたVCO
    特性よりも制御電圧に対して発振周波数の低いVCO特
    性に切り替えるVCO特性切替器とを備えたVCO特性
    自動可変PLL回路。
  2. 【請求項2】 VCO特性切替器は、上限電圧比較器に
    より上限電圧以上であると判定された時間、または、下
    限電圧比較器により下限電圧以下であると判定された時
    間が予め設定された時間以上連続して判定された場合
    に、VCO特性を切り替えるタイマを備えたことを特徴
    とする請求項1記載のVCO特性自動可変PLL回路。
  3. 【請求項3】 位相比較器、直流増幅器、および低域濾
    波器を動作可能にする予め設定された上限周波数および
    下限周波数と出力クロックの周波数とを比較し、その出
    力クロックの周波数がそれら上限周波数および下限周波
    数の範囲内になるように、位相比較器、直流増幅器、低
    域濾波器、または電圧制御発振器を制御する周波数比較
    器を備えたことを特徴とする請求項1または請求項2記
    載のVCO特性自動可変PLL回路。
JP10165627A 1998-06-12 1998-06-12 Vco特性自動可変pll回路 Pending JP2000004156A (ja)

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