JP2002185291A - 電圧制御発振器およびpll回路 - Google Patents

電圧制御発振器およびpll回路

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JP2002185291A JP2000377700A JP2000377700A JP2002185291A JP 2002185291 A JP2002185291 A JP 2002185291A JP 2000377700 A JP2000377700 A JP 2000377700A JP 2000377700 A JP2000377700 A JP 2000377700A JP 2002185291 A JP2002185291 A JP 2002185291A
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神崎  実
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電源電圧の揺らぎに伴う電圧制御発振器なら
びにPLL回路のジッタの発生を低減する。 【解決手段】 複数個のインバータ回路を環状に接続し
てなるリングオシレータI3と、制御電圧Vcに応じた
電圧を前記インバータ回路の受電端に供給する電源回路
I1と、前記インバータ回路の直流動作電圧に概略等し
い電圧を生成する電圧発生回路I4と、前記リングオシ
レータの発振出力信号と前記電圧発生回路の電圧出力信
号を比較する電圧比較器I5とで電圧制御発振器を構成
する。さらに、前記電圧制御発振器を用いてPLL回路
を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、電圧制御発振器お
よびそれを用いたPLL(位相同期ループ)回路に関わ
り、特に電源電圧変動によって出力信号に発生するジッ
タを低減する手法を提供するものである。
【0002】
【従来の技術】従来用いられている典型的な電圧制御発
振器の構成は、例えば、Ian A. Youngらによって公表さ
れた文献 “A PLL Clock Generator with 5 to 110 MHz
of Lock Range for Microprocessors”, IEEE Journal
of Solid-State Circuits, vol. SC-27, pp. 1599-160
7, Nov. 1992. に示されるものを挙げることができる。
その回路構成を図5に示す。図5において、I11は電
圧−電流変換回路、I12はバイアス発生回路、I14
はリングオシレータ、I18は電圧比較器である。リン
グオシレータI14は、一般に3個以上の複数のインバ
ータ回路を環状に接続して構成される。ここでは、最も
簡単な例として3個のインバータ回路I15,I16,
I17からなる構成を示している。各々のインバータ回
路I15,I16,I17は、コモンモードノイズを除
去する目的で差動構成となっており、差動の出力信号は
電圧比較器I18によってシングルエンド信号foに変
換されて取り出される。制御電圧Vcは、電圧−電流変
換回路I11によって電流値に変換され、その電流値は
カレントミラーによって、後段のバイアス発生回路I1
2、およびインバータ回路I15,I16,I17の入
力電流値に反映されている。制御電圧Vcが高いほど前
記電流値は高くなり、インバータ回路I15,I16,
I17の出力電流値が増加する。結果としてインバータ
回路I15,I16,I17における信号遅延が減少す
るため、リングオシレータの発振周波数は増加する。一
方、インバータ回路I15,I16,I17内部に図示
される各一対の抵抗器は、それぞれ電圧制御抵抗器であ
り、その抵抗値はバイアス発生回路I12の生成するバ
イアス電圧Vbによって制御される。バイアス発生回路
I12の構成要素は、インバータ回路I15,I16,
I17と同一となっており、いわゆるレプリカ回路を形
成している。このレプリカ回路の2つの入力端は、いず
れか一方に発振波形の最大電圧値(Vref)、他方に
最低電圧値(0V)が入力されている状態を模擬して接
続されている。このとき、2つの出力端のうち一方から
は発振波形の最大電圧値に相当する電圧が出力される
が、演算増幅器I13による負帰還作用によって、その
電圧値がVrefと等しくなるように、バイアス電圧値
Vbが自動的に決定される。すなわち、このバイアス電
圧値Vbを以って動作する同一回路構成のインバータ回
路I14,I15,I16についても、その発振出力の
最大電圧値はほぼVrefとなる。このようなバイアス
手法により、制御電圧Vcが変化してもリングオシレー
タI14の発振出力は所望の振幅となる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
電圧制御発振器の構成では、電圧−電流変換回路I1
1、およびインバータ回路I15,I16,I17は、
いずれも電源電圧Vddから直接的に給電を受けている
が故に、電源電圧Vddが変動すると、発振周波数も変
動するという問題を抱えていた。そのため、このような
電圧制御発振器をPLL回路に組み込んで使用すると、
分周器や位相比較器などのロジック回路が状態遷移する
都度、電源電圧Vddに揺らぎが生じるため、それを以
って発振周波数にも揺らぎが生じてしまう。その結果、
PLL回路が生成する出力信号にはジッタが発生してし
まっていた。
【0004】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明では、複数個のインバータ回路を環状に接続
してなるリングオシレータと、制御電圧に応じた電圧を
前記インバータ回路の受電端に供給する電源回路と、前
記インバータ回路の直流動作電圧に概略等しい電圧を生
成する電圧発生回路と、前記リングオシレータの発振出
力信号と前記電圧発生回路の電圧出力信号を比較する電
圧比較器とで電圧制御発振器を構成した。さらに、前記
電圧制御発振器を用いてPLL回路を構成した。
【0005】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら、本発
明の最適な実施形態について説明する。
【0006】図1は、本発明による電圧制御発振器の構
成例を示した回路図である。図1において、I1は電源
回路、I3はリングオシレータ、I4は電圧発生回路、
I5は電圧比較器である。電源回路I1の出力電圧値
は、演算増幅器I2の負帰還作用によって、負荷の大小
や電源電圧Vddの高低に関わらず、常に制御電圧Vc
に等しく保たれる。リングオシレータI3は、5個のイ
ンバータ回路を環状に接続して構成されている。各々の
インバータ回路は、各一個のPチャネルMOSトランジ
スタとNチャネルトランジスタからなる最も基本的な回
路構成となっている。なお、インバータ回路の個数は一
例として5個で図示しているが、それに限らず3以上の
任意の奇数個で構成することができる。
【0007】リングオシレータI3内部の各インバータ
回路において、PチャネルMOSトランジスタの受電端
は、電源回路I1の出力に接続されている。すなわち、
リングオシレータI3の電源電圧自体が、制御電圧Vc
に応じて変化する。制御電圧Vcが高くなると、リング
オシレータI3内部の各インバータ回路の電源電圧もそ
れに連れて高くなり、各インバータ回路における信号遅
延が減少する。よって、発振周波数が高くなる。逆に、
制御電圧Vcが低くなると、発振周波数は低くなる。こ
のようにして、リングオシレータI3は、電圧制御発振
器として動作する。ここで、実際に本回路を作成し、発
振周波数を測定した例を図3に示す。図3において、横
軸は制御電圧Vcであり、縦軸が発振周波数を示してい
る。このような構成によれば、リングオシレータI3は
直接的に電源電圧Vddに接続されておらず、その発振
周波数は電源回路I1の出力電圧のみに依存する。電源
回路I1の出力電圧は、電源電圧Vddの大小に依存せ
ず、常に制御電圧Vcと等しく保たれている。そのた
め、電源電圧Vddに揺らぎが生じたとしても、発振周
波数が揺らぐことがない。よって、従来の電圧制御発振
器のように、電源電圧の揺らぎによって出力信号にジッ
タが発生するという欠点がない。
【0008】ところで、リングオシレータI3は、そこ
に供給される電源電圧自体が制御電圧Vcに応じて変化
するため、当然のことながら、発振振幅も制御電圧Vc
によって変化する。つまり、発振周波数が低いほど発振
振幅は小さく、発振周波数が高いほど発振振幅は大きく
なってゆく。このため、このままの構成では、通常のロ
ジック回路に対して、出力信号のインターフェースが不
可能である。そこで、電圧発生回路I4および電圧比較
器I5を用いることで、発振振幅をロジックレベルに変
換する操作を行う。電圧発生回路I4は、リングオシレ
ータI3の直流動作電圧にほぼ等しい電圧値を発生す
る。通常、直流動作電圧は制御電圧Vcの1/2であ
る。図1に示す例においては、電圧発生回路I4は単純
な抵抗分割回路と電圧安定化のためのコンデンサとで構
成されている。別の例として、図2に示すように、抵抗
器の代わりに1対のPチャネルMOSトランジスタとN
チャネルトランジスタを用いて電圧発生回路I4を構成
することも可能である。電圧比較器I5は、電圧発生回
路I4の出力電圧値と、リングオシレータI3の出力電
圧値とを比較して、リングオシレータI3の出力電圧値
が高い場合はハイレベルのロジック電圧、リングオシレ
ータI3の出力電圧値が低い場合はローレベルのロジッ
ク電圧を出力する。このようにして、本電圧制御発振器
の発振振幅はロジックレベルとなる。
【0009】さらに、以上説明した電圧制御発振器をP
LL回路に適用した例を図4に示す。位相周波数比較器
1は、周波数frの入力信号と周波数fo/Nの帰還信
号を比較し、両者の位相差に応じて、ハイレベルまたは
ローレベルのパルスを出力する。低域通過特性を有する
ループフィルタ2は、位相周波数比較器1の出力パルス
を積分し、制御電圧Vcを生成して電圧制御発振器3に
与える。電圧制御発振器3は、先に説明した図1もしく
は図2に示された構成からなる。分周器4は、周波数が
foである電圧制御発振器3の出力信号をN分周して、
周波数fo/Nの帰還信号を生成する。制御電圧Vcの
大小に応じて電圧制御発振器3の出力信号の周波数fo
が適宜変化し、入力信号と帰還信号の位相差がなくなる
と、位相周波数比較器1は出力パルスを発生しなくな
る。すなわち、ループは平衡して定常状態となる。この
とき入力信号と帰還信号の周波数は等しくなり、fr=
fo/Nであるから、入力信号のN倍の周波数の出力信
号が得られることになる。このように構成されたPLL
回路においては、位相比較器1および分周器4はロジッ
ク回路であり、内部の状態遷移に起因して電源電圧Vd
dに揺らぎを生じさせる。しかしながら、ここで用いら
れる電圧制御発振器3は、電源電圧Vddに依存せずに
動作するため、その出力信号にジッタは現れない。よっ
て、ジッタの少ないPLL回路が実現できる。
【0010】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の電圧制御
発振器は、電源電圧に揺らぎが生じても出力周波数が揺
らぐことがない。すなわち、ジッタの少ない出力信号を
得ることができる。この電圧制御発振器は、特にPLL
回路に適用すると有用であり、位相周波数比較器や分周
器の状態遷移によって電源電圧が揺らいだとしても出力
信号にはジッタが発生しない。これにより、従来の技術
に比べてジッタの少ないPLL回路が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の電圧制御発振器の回路構成を示す図。
【図2】本発明の電圧制御発振器の他の回路構成を示す
図。
【図3】本発明の電圧制御発振器の制御電圧と発振周波
数の関係を示す図。
【図4】本発明の電圧制御発振器を用いたPLL回路の
ブロック図。
【図5】従来の電圧制御発振器の回路構成を示す図。
【符号の説明】
I1. 電源回路 I2. 演算増幅器 I3. リングオシレータ I4. 電圧発生回路 I5. 電圧比較器 I11. 電圧−電流変換回路 I12. バイアス発生回路 I13. 演算増幅器 I14. リングオシレータ I15. インバータ回路 I16. インバータ回路 I17. インバータ回路 I18. 電圧比較器 1. 位相周波数比較器 2. ループフィルタ 3. 電圧制御発振器 4. 分周器

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】制御電圧に応じて発振周波数を変化させる
    電圧制御発振器であって、複数個のインバータ回路を環
    状に接続してなるリングオシレータと、制御電圧に応じ
    た電圧を前記インバータ回路の受電端に供給する電源回
    路と、前記インバータ回路の直流動作電圧に概略等しい
    電圧を生成する電圧発生回路と、前記リングオシレータ
    の発振出力信号と前記電圧発生回路の電圧出力信号を比
    較する電圧比較器とを含むことを特徴とする電圧制御発
    振器。
  2. 【請求項2】請求項1記載の電圧制御発振器を用いたP
    LL回路。
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Cited By (5)

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