JP2000049597A - Pll回路 - Google Patents

Pll回路

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JP2000049597A
JP2000049597A JP10214643A JP21464398A JP2000049597A JP 2000049597 A JP2000049597 A JP 2000049597A JP 10214643 A JP10214643 A JP 10214643A JP 21464398 A JP21464398 A JP 21464398A JP 2000049597 A JP2000049597 A JP 2000049597A
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phase difference
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JP10214643A
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Masatoshi Kunishi
昌利 國司
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Asahi Chemical Industry Co Ltd
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Asahi Chemical Industry Co Ltd
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  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 キャリブレーション機能を持つPLL回路を
提供する。 【解決手段】 ICO11Bの発振周波数を決める電流
をキャリブレーション回路12でキャリブレーションす
ることによって、ロックレンジ内にICO11Bの発振
周波数を設定する。VCO11のゲインを低く設定する
ことができるので位相ノイズを低くすることが可能とな
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術的分野】本発明は例えば携帯電話等
の無線通信機器(移動体通信機器)に用いられるPLL
回路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】携帯電話等の移動体通信機器にはPLL
シンセサイザが多く用いられている。このPLLシンセ
サイザは広い周波数範囲にわたって速くロックすること
と、良好な通話品質を得るために位相ノイズを低くする
ことを同時に満たさなくてはならない。
【0003】図1はシンセサイザの基本構成を示してあ
る。PLLシンセサイザは電圧制御発振器(以下、VC
Oと呼ぶ)1からの出力を比較分周器2で分周した信号
の位相と、基準信号を基準分周器3で分周した信号の位
相との位相差を位相比較器4で検出し、当該位相差に基
づく信号をチャージポンプ回路5が出力し、その出力を
ループフィルタ6でフィルタリングしてVCO1を駆動
する。PLLシンセサイザはこのような動作を繰り返し
て、VCO1の出力である比較信号の周波数と位相が基
準信号にロックしていく。なお、VCO1の代わりに電
流制御発振器(以下、ICOと呼ぶ)を用いることもで
きる。
【0004】図2は通常使用される位相比較器である。
この回路は2つの信号の周波数、すなわち基準信号Ref
の周波数fRef と、比較信号Slvの周波数fSlv とを
比較するものでRef, Slv の立ち下がりエッジに応答
して動作する。NPDは、位相比較器の初期状態を決定
するためのリセット信号である。具体的には fRef>
fSlv の時UP=H, DW=L、fRef <fSlv の
時UP=L ,DW=H、fRef =fSlv の時UP=
L, DW=L, OCK=Hとなる。動作タイミングを図
3に示す。
【0005】このUP/DW信号が例えば図4に示すチ
ャージポンプ回路5を駆動する。つまりUP=Hの時、
FETMp1 がオンしてループフィルタ6へ電荷を供給
し、DW=Hの時、FETMn1 がオンしてループフィル
タ6の電荷を引き抜くという動作をする。このチャージ
ポンプ回路5の出力がループフィルタ6で平滑化されて
VCO1に入力され、VCO1を基準信号周波数に追従
させる働きをする。なお図5に図4の構成のロック時の
タイミングを示す。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】PLLが基準信号にロ
ックするためには、VCOの発振周波数のレンジ内に基
準信号の周波数がある必要がある。この発振周波数のレ
ンジは、製造プロセスの変動で大きく変わってしまう。
全ての条件で発振周波数のレンジ内に基準信号の周波数
を入れるためには、VCOの電圧感度を上げて発振周波
数のレンジを広くとる必要がある。
【0007】しかし感度を上げることによりVCOはノ
イズの影響を受けやすくなり、その結果位相ノイズ特性
が悪くなるという欠点をもっている。
【0008】そこで本発明の目的は、以上のような問題
を解消したPLL回路を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1の発明は、入力信号に応答して発信周波数
を変化させる発振手段と、該発振手段から出力した信号
の位相と、基準信号の位相との位相差を検出する位相差
検出手段と、該位相差検出手段からの位相差検出信号に
基づいて前記発振手段に供給する入力信号を生成する手
段と、前記発振手段の発振周波数がロックレンジに適合
するように当該発振手段に供給する電流量を制御する電
流制御手段とを具備することを特徴とする。
【0010】また請求項2の発明は、請求項1におい
て、前記発振手段は、前記電流制御手段によって制御さ
れる電流量に応じて発振周波数レンジを決定する周波数
レンジ決定手段を有することを特徴とする。
【0011】さらに請求項3の発明は、請求項1におい
て、前記電流制御手段は、前記位相差検出手段からの信
号に基づいて動作する可変電流源を有することを特徴と
する。
【0012】さらに請求項4の発明は、請求項2におい
て、前記電流制御手段は、前記発振器への電流量を制御
してロックレンジの上限と下限を設定する手段をさらに
有することを特徴とする。
【0013】さらに請求項5の発明は、請求項1におい
て、前記電流制御手段は、オープンループ状態で電流量
制御を実行することを特徴とする。
【0014】さらに請求項6の発明は、請求項5におい
て、前記電流制御手段が、オープンループ状態で電流量
制御を実行する際に、前記生成手段の出力がオープンに
なり、前記発振手段への入力が内部の一定電位になるこ
とを特徴とする。
【0015】さらに請求項7の発明は、請求項4におい
て、前記設定手段は、基準周波数固定のままでロックレ
ンジの上限と下限を設定することを特徴とする。
【0016】
【発明の実施の形態】本発明によれば、たとえば、分周
器、ループフィルタ、VCO(またはICO)は変更せ
ずに、VCOの中心周波数をPLLのロックレンジの中
心にあわせることができる回路を付加することにより、
VCOの感度を低く設定することができる。本発明によ
ると位相ノイズ特性は悪化せずに、PLLシンセサイザ
の位相ノイズ特性は向上することになる。以下の説明で
は特にLSIに内蔵するVCO(またはICO)の中心
周波数をあわせる適用例について述べる。分周器、ルー
プフィルタ、チャージポンプの詳細な説明は他の文献に
譲ることとする(たとえば、Frequency Synthesizer De
sign Handbook;James A.Crawford,1994 )。
【0017】以下、本発明の実施の形態を詳細に説明す
る。
【0018】VCO(またはICO)は送信または受信
のPLLシンセサイザの構成要素として一般的に使用さ
れるが、これは本発明の適用範囲内である。
【0019】発振器(VCOまたはICO)の周波数
は、発振器の形態によらず、発振器に供給される電流と
発振器のもつ容量で決まる。この容量が製造プロセスで
変動するため、設計値通りの電流を供給していたとして
も、発振周波数が大きく変動することになる。特にリン
グオシレータ方式をとる場合、寄生容量を充放電するこ
とで発振周波数が決まっているので、寄生容量の変動を
直接受け周波数変動幅は大きなものになる。
【0020】この様な変動を抑えるために、PLLシン
セサイザを起動する際に周波数キャリブレーションして
から通常動作に入るようにする。周波数キャリブレーシ
ョンとは基準信号周波数にあうように発振器の周波数を
決める電流(または電圧)を調整することを意味する。
周波数キャリブレーション中はPLLシンセサイザをオ
ープンループ動作にする。具体的にはループフィルタ出
力を開放状態にし、発振器への入力はIC内部電位を与
える、という構成にする。このようにすると発振器へ供
給する電流を変えることで発振器の周波数の調整を容易
に行うことができる。
【0021】(実施例1)本発明のPLLシンセサイザ
の構成例を図8に示す。位相周波数検出器(PFD)9
の構成は図2に示す回路と同じである。チャージポンプ
(CP)回路10の構成は図4と同じである。また位相
周波数検出器9とチャージポンプ回路10との接続は図
4と同じである。VCO11は、gmセル11Aと、I
CO11Bとから構成されている。図8は位相周波数検
出器9とチャージポンプ回路10として従来と同様の回
路を使用し、VCOに流れる電流を最適化するキャリブ
レーションコントロール回路12を新たに付加している
ことが特徴である。13は分周器であって、VCO11
の出力を分周して位相周波数検出器9に供給する。
【0022】キャリブレーションコントロール回路12
の具体例を図9に示す。キャリブレーションコントロー
ル回路12は、PFD9の出力(UP,DW)を入力
し、そのモニタ値に基づいてgmセル11A及びICO
11Bに流れる電流量を調整するためのデータを生成す
るモニタ回路32を有し、gmセル11A及びICO1
1Bに流れる電流量を調整することによってVCOの周
波数は増減することになる。すなわち、シリアルインタ
ーフェース14によって、モニタ回路32からのレジス
タ15にgmセル11AおよびICO11Bに流すべき
電流を決定するデータ(SDATA)を書き込み、レジ
スタ15の出力によって、gmセル11AおよびICO
11Bに各々複数接続された電流源11C,11Dをオ
ン、オフする回路である。電流源11C,11Dは2の
べき乗で重み付けされている。すなわち制御ビット数が
(n+1)で状態が
【0023】
【数1】(MSB,MSB−1,・・・,2,1,LS
B)=(H,H ,・・・,L,H,L) である場合、VCOに供給される電流は
【0024】
【数2】Ivco=I*2^n+I*2^(n−1)+
・・・+I*2^1 となる。
【0025】この回路で以下に述べるようにして周波数
キャリブレーションを行うことによって、電流値を最適
にして、VCOの発振周波やゲインを設定することがで
きる。なお図10にgmセルの例を、さらに図11にI
COの例を示す。図10の(A)は、gmセルの具体的
回路の一例を示すものであって、5個のFET16A〜
16Eと、電流源17とから構成されている。図10の
(B)はこのような構成のgmセルの特性を示す図であ
る。図11の(A)はマルチバイブレータタイプのIC
Oの例を示すものであって、4個のFET18A〜18
Dと、2個のオペアンプ19A,19Bと、2個のノア
ゲート20A,20Bと、2個のナンドゲート21A,
21Bと、電流源22と、コンデンサ23とから構成さ
れている。発振周波数は、電流源22に流れる電流をI
とし、コンデンサ23の容量をCとすると、I/Cで決
定される。図11の(B)はリングオシレータタイプの
ICOの例を示すものであって、一対のFET24A,
24Bと一対の電流源25A,25Bとからなる組み合
わせ回路をn個接続したものである。Ctは寄生容量の
総和である。一対の電流源25A,25Bに各々流れる
電流をIp,Inとすると、発振周波数は、Ip/C
t,In/Ctで決定される。
【0026】周波数キャリブレーションの動作フローを
図6の周波数キャリブレーションのフロチャートを参照
して以下に説明する。
【0027】(1)電源投入またはリセット解除する
(ステップ(S)1)。
【0028】(2)初期状態からキャリブレーションス
タートする。I=I0 (S2)。
【0029】(3)PFD(位相周波数検出器)のUP
/DW信号をモニタする(S3)。
【0030】(4)S4で、PFDのUP/DW信号の
Nサイクルをモニタした結果、LOCK=Lで、かつU
P=Hならば、ICOへ供給する電流を半減してPFD
信号モニタに戻る(S4→S5→S6→S3)。し、L
OCK=LならばS5に進む。
【0031】(5)S4で、PFDのUP/DW信号の
Nサイクルをモニタした結果、LOCK=LでかつUP
=Lならば、ICOへ供給する電流を2倍しPFDの信
号モニタに戻る(S4→S5→S7→S3)。
【0032】(6)S4で、PFDのUP/DW信号の
Nサイクルをモニタした結果、LOCK=Hならばキャ
リブレーションを終了する。
【0033】この様に(3)から(5)のフローを繰り
返すことで最適電流へあわせていく。
【0034】以上のフローは発振中心周波数のみをあわ
せる場合で、ロックレンジを広くとれるアプリケーショ
ンに適する。狭いロックレンジの場合はICOゲインの
プロセス変動を電流量で調整するために、ICO単体の
電流だけでなくロックレンジを決める電流のキャリブレ
ーションが必要となる。
【0035】ICOのゲインキャリブレーションも行う
周波数キャリブレーションの動作フローを図7の周波数
キャリブレーションのフロチャートを参照して以下に説
明する。
【0036】(1)電源投入またはリセット解除する
(ステップ(S)11)。
【0037】(2)初期状態設定。すなわち、ICOの
ロックレンジを決めるgmセルへの入力電圧VICO を
0.5Vとし、基準周波数入力finをfin=(floc
k)lとする。(flock)lはロックレンジ内の最
小周波数を表わす(S12)。
【0038】(3)PFD(位相周波数検出器)のUP
/DW信号をモニタする(S13)。
【0039】(4)S14で、PFDの信号のNサイク
ルをモニタした結果、LOCK=LでかつUP=Hなら
ば、ICOへ供給する電流を半減してPFD信号モニタ
に戻る(S14→S15→S16→S13)。
【0040】(5)S14で、PFDの信号のNサイク
ルをモニタした結果、LOCK=LでかつUP=Lなら
ば、ICOへ供給する電流を2倍しPFDの信号モニタ
に戻る(S14→S15→S17→S13)。
【0041】(6)S14で、PFDの信号のNサイク
ルをモニタした結果、LOCK=Hならば以下の様に設
定を変えてロックレンジの上限を決めるキャリブレーシ
ョンを行う。
【0042】・ICOロックレンジを決めるgmセルへ
の入力VICO をVICO =1.5Vとする。
【0043】・基準周波数入力finをfin=(floc
k)h。(flock)hはロックレンジ内の最大周波
数を表わす。(S18) (7)PFD(位相周波数検出器)のUP/DW信号を
モニタする(S19)。
【0044】(8)S20で、PFDの信号のNサイク
ルをモニタした結果、LOCK=LでかつUP=Hなら
ば、gmセルへ供給する電流を半減してPFD信号モニ
タに戻る(S20→S21→S22→S19)。
【0045】(9)S20で、PFDの信号のNサイク
ルをモニタした結果、LOCK=LでかつUP=Lなら
ば、gmセルへ供給する電流を2倍しPFDの信号モニ
タに戻る(S20→S21→S23→S19)。
【0046】(10)S20で、PFDの信号のNサイ
クルをモニタした結果、LOCK=Hならばキャリブレ
ーションを終了する。
【0047】この様に(3)から(5)を繰り返すこと
でロックレンジの下限にあわせ、さらに(7)から
(9)を繰り返すことでロックレンジの上限にあわせる
ことができる。基準周波数が変えられないアプリケーシ
ョンの場合、基準周波数を一定に保ち、分周比のmin
/maxで電流をあわせることも可能である。
【0048】以上のように本発明はプロセス変動による
中心周波数のばらつき及び発振器のゲインを、それらに
供給する電流を最適化することにより、望ましいPLL
回路特性を与えるものである。
【0049】(実施例2)シリアルインターフェースに
よらず、デジタル回路で構成したキャリブレーションコ
ントロール回路の一例を図12に示す。キャリブレーシ
ョンコントロール回路以外の回路の構成は図8と同一で
ある。gmセル、ICOの構成も実施例1と同一のもの
である。
【0050】図12のキャリブレーションコントロール
回路26は、位相周波数検出器9からのUP出力をカウ
ントするUPカウンタ27と、位相周波数検出器9から
のDW出力をカウントするDWカウンタ28と、2つの
カウンタ27,28の出力からPLL回路がロック状態
か否かを判断し、ロック状態のときに検出信号を出力す
るロック検出回路29と、フレームサイクル発生回路3
0と、コンペア・ロジック回路31とから構成される。
【0051】フレームサイクル発生回路30は、UPカ
ウンタ27,DWカウンタ28,ロック検出回路29等
からきまるシステムの状態を更新するサイクルを発生す
る回路である。コンペア・ロジック回路31はUPカウ
ンタ27,DWカウンタ28,ロック検出回路29の出
力から現在の状態がUP/DW/LOCKのいずれかで
あるかを判断してgmセル11AおよびICO11Bに
各々複数接続された電流源11C,11Dの各々をオ
ン、オフして、gmセル11AおよびICO11Bに流
れる電流を制御する電流制御ビットを設定する回路であ
る。
【0052】以上のような構成によれば、キャリブレー
ション動作時において、コンペア・ロジック回路31は
フレームサイクル発生回路30からのフレームサイクル
の立ち上がりでシステムの状態を更新し、立ち下がりで
UP/DWカウンタ27,28をリセットする。このリ
セット動作で次のフレームに前のカウントの影響を及ぼ
さないようにしている。
【0053】なお図13にキャリブレーション動作のフ
ローチャートの1例を示した。さらにロックレンジが狭
いアプリケーションで必要となるゲインキャリブレーシ
ョン動作のフローチャートの1例を図14に示す。
【0054】図13に示すように、キャリブレーション
動作がスタートすると、フレームサイクル発生回路30
からのフレームサイクルの立ち下がりでUP/DWカウ
ンタ27,28をリセットし(S31)、フレームサイ
クル発生回路30からのフレームサイクルの立ち上がり
を待ち(S32)、ついで、S33で、UPカウンタ2
7のカウント値(UPcount)と、DWカウンタ2
8のカウント値(DWcount)とが共に、所定の範
囲内であるか否かを判断する。すなわち、m<UPco
unt<n,m<DWcount<nであるか否かを判
断する(m<n)。S33でm<UPcount<nお
よびm<DWcount<nであるかの判断のうちの少
なくとも一方がNoの判断であるときは、S34に進
み、そこでUPcountがnより大きいか否かを判断
する。即ち、UPcount>nか否かを判断する。
【0055】S34でUPcount>nであるなら
ば、S35に進み、UP=Hをロック検出回路29から
コンペア・ロジック回路31に出力する。ついで、S3
6で、ICOに流れる電流It を、It =It +I×2
i にし、S32に戻る。
【0056】S34でUPcount>nでなければ、
S37に進み、DW=Hをロック検出回路29からコン
ペア・ロジック回路31に出力する。ついで、S38
で、ICOに流れる電流It を、It =It −I×2i
にし、S32に戻る。
【0057】S33で、m<UPcount<nおよび
m<DWcount<nであるかの判断の両方がYes
の判断であるときは、S39に進み、そこでLOCK=
Hをロック検出回路29からコンペア・ロジック回路3
1に出力し、キャリブレーション動作を終了する。
【0058】図14に示すように、キャリブレーション
動作がスタートすると、まず、ロックレンジの下限を決
めるためにICO11Bの電流It の制御(S41〜S
48)を開始する。即ち、フレームサイクル発生回路3
0からのフレームサイクルの立ち下がりでUP/DWカ
ウンタ27,28をリセットし、且つ分周器13の分周
比を最大にし(S41)、S42に進む。S42〜S4
8までは、図13のS32〜S38までと同様である。
S43でm<UPcount<nおよびm<DWcou
nt<nであるかの判断の両方がYesの判断であると
きは、S49に進み、そこから、ロックレンジの上限を
決めるためにgmセル11Aの電流Igmの制御(S49
〜S56)を開始する。S49ではフレームサイクル発
生回路30からのフレームサイクルの立ち下がりでUP
/DWカウンタ27,28をリセットし、且つ分周器1
3の分周比を最小にし(S49)、S50に進む。な
お、S49以降は、制御する対象がgmセルである以外
は上記のICO11Bの制御と同様である。即ち、S5
4,S56で、Igm=Igm+I×2i ,Igm=Igm−I
×2i とする以外は、上記S41〜S48と同様であ
る。そして、S51で、m<UPcount<nおよび
m<DWcount<nであるかの判断の両方がYes
の判断であるときは、S57に進み、そこでLOCK=
Hをロック検出回路29からコンペア・ロジック回路3
1に出力し、キャリブレーション動作を終了する。
【0059】以上説明してきたように、新規にPLL回
路の電流を最適化するキャリブレーション回路を発明し
たことによりプロセス変動を電流量の調整で打ち消すこ
とを可能にした。さらに本発明はロックレンジを最適化
できるため、VCO(またはICO)ゲインを低く設定
できるので、位相ノイズ特性の改善を可能にした。
【0060】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
発振手段、生成手段等は変更せずに、発振手段の中心周
波数をロックレンジの中心にあわせることができるの
で、発振手段の感度を低く設定することができる。本発
明によると位相ノイズ特性は悪化せずに、PLLシンセ
サイザの位相ノイズ特性は向上することになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】PLLシンセサイザの基本構成を示す図であ
る。
【図2】従来の位相比較器の回路例を示す図である。
【図3】図2の回路のタイミングを示す図である。
【図4】従来の位相比較器とチャージポンプの接続例を
示す図である。
【図5】図4の構成でのロック時のタイミングを示す図
である。
【図6】本発明の周波数キャリブレーションのフローチ
ャートを示す図である。
【図7】本発明のゲインキャリブレーションのフローチ
ャートを示す図である。
【図8】本発明のPLLシンセサイザの構成を示す図で
ある。
【図9】キャリブレーションコントロールの例を示す図
である。
【図10】gmセルの例を示す図である。
【図11】ICOの例を示す図である。
【図12】デジタル回路でキャリブレーションコントロ
ールをする場合の例を示す図である。
【図13】キャリブレーションコントロールのフローチ
ャートを示す図である。
【図14】ゲインキャリブレーションコントロールのフ
ローチャートを示す図である。
【符号の説明】
9 位相周波数検出器(PFD) 10 チャージポンプ(CP)回路 11 VCO 11A gmセル 11B ICO 13 分周器

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 入力信号に応答して発信周波数を変化さ
    せる発振手段と、該発振手段から出力した信号の位相
    と、基準信号の位相との位相差を検出する位相差検出手
    段と、該位相差検出手段からの位相差検出信号に基づい
    て前記発振手段に供給する入力信号を生成する手段と、
    前記発振手段の発振周波数がロックレンジに適合するよ
    うに当該発振手段に供給する電流量を制御する電流制御
    手段とを具備することを特徴とするPLL回路。
  2. 【請求項2】 請求項1において、 前記発振手段は、前記電流制御手段によって制御される
    電流量に応じて発振周波数レンジを決定する周波数レン
    ジ決定手段を有することを特徴とするPLL回路。
  3. 【請求項3】 請求項1において、 前記電流制御手段は、前記位相差検出手段からの信号に
    基づいて動作する可変電流源を有することを特徴とする
    PLL回路。
  4. 【請求項4】 請求項2において、 前記電流制御手段は、前記発振器への電流量を制御して
    ロックレンジの上限と下限を設定する手段をさらに有す
    ることを特徴とするPLL回路。
  5. 【請求項5】 請求項1において、 前記電流制御手段は、オープンループ状態で電流量制御
    を実行することを特徴とするPLL回路。
  6. 【請求項6】 請求項5において、 前記電流制御手段が、オープンループ状態で電流量制御
    を実行する際に、前記生成手段の出力がオープンにな
    り、前記発振手段への入力が内部の一定電位になること
    を特徴とするPLL回路。
  7. 【請求項7】 請求項4において、 前記設定手段は、基準周波数固定のままでロックレンジ
    の上限と下限を設定することを特徴とするPLL回路。
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