JP2004080123A

JP2004080123A - 位相同期発振回路

Info

Publication number: JP2004080123A
Application number: JP2002234339A
Authority: JP
Inventors: Masaki Hasegawa; 長谷川　正樹
Original assignee: Fujitsu Telecom Networks Ltd
Current assignee: Fujitsu Telecom Networks Ltd
Priority date: 2002-08-12
Filing date: 2002-08-12
Publication date: 2004-03-11

Abstract

【課題】基準信号に位相同期した信号を出力する位相同期発振回路に関し、ループゲインを変更することなく、スプリアス低減を図る。
【解決手段】電圧制御発振器４の出力信号を分周器５により分周した位相比較信号ｆｐと基準信号ｆｒとを位相比較器１により位相比較し、この位相比較器１の出力信号をループフィルタ２を介して電圧制御発振器４の制御電圧とする位相同期発振回路であって、ループフィルタ２から電圧制御発振器４に入力する制御電圧の振幅を制限するか否かを切替える振幅制限回路３と、位相比較器に入力される基準信号ｆｒと位相比較信号ｆｐとの位相差が所定範囲内の時に同期状態と判定して、振幅制限回路３に於ける制御電圧のパルス状の電圧振幅成分に対する制限動作を開始させる同期検出部６とを有する。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基準信号の位相に、電圧制御発振器の出力信号の位相を同期させるように制御する位相同期発振回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電圧制御発振器を含み、基準信号の位相に同期した信号を出力する位相同期発振回路（ＰＬＯ；Ｐｈａｓｅ　Ｌｏｏｋｅｄ　Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）は、既に各種提案されている。例えば、図７に示すように、電圧制御発振器（ＶＣＯ；Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）５３の出力信号ｆｏを分周器５４により分周した位相比較信号ｆｐと、入力信号や基準発振器からの基準信号ｆｒとを位相比較器５１に於いて位相比較し、位相誤差信号をループフィルタ５２を介して電圧制御発振器５３の制御電圧とし、基準信号ｆｒに位相同期した電圧制御発振器５３の出力信号ｆｏを、位相同期発振回路の出力信号とする。この場合、分周器５４により電圧制御発振器５３の出力信号ｆｏの周波数を１／ｎとする場合、基準信号ｆｒの周波数のｎ倍の周波数の電圧制御発振器５３の出力信号ｆｏとなる。
【０００３】
図８は位相比較動作説明図であり、図７に於ける位相比較信号ｆｐと基準信号ｆｒとの位相の一例を示し、（ａ）は位相比較器５１の出力信号（位相誤差信号）、（ｂ）はループフィルタ５２の出力信号（制御電圧）、（ｃ）は拡大波形図を示す。位相比較器５１は、位相比較信号ｆｐと基準信号ｆｒとの位相差に対応したパルス幅の位相誤差信号を出力する。又ループフィルタ５２は、例えば、位相誤差信号を入力するチャージポンプ回路と、コンデンサ帰還回路を設けた演算増幅器による積分回路とを含むもので、図示の位相差の場合に、（ｂ）に示すように、位相誤差信号のパルス幅に対応して制御電圧が上昇し、位相同期状態に於いては、（ａ）に示すように、位相誤差信号は正負極性の狭いパルス幅のパルスとなる。それによって、（ｃ）に概略波形を拡大して示すように正負極性のパルス状の振幅を含む制御電圧となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
位相比較器５１からの位相誤差信号はパルス状であるが、演算増幅器による積分回路構成のループフィルタ５２によって平滑化されるものである。しかし、実際には、図８の（ｃ）に示すように、位相同期状態に於いてもパルス状の振幅成分を含む制御電圧となる。この制御電圧によって電圧制御発振器５３の出力信号にはジッタを含むものとなり、サイドバンドスプリアスとして、位相比較信号ｆｐの周波数漏れの原因となる問題がある。
【０００５】
そこで、ループゲインを低下させてパルス状の振幅成分のピークを低減させる構成や、演算増幅器による積分回路構成のループフィルタ５２に、コンデンサと抵抗等によるローパスフィルタ構成の追加フィルタを設けて、パルス状の振幅成分の平滑化を図る構成等が提案されている。しかし、ループゲインの低下による位相同期引込みが遅くなり、又基準信号の位相に高速追従することが困難となる問題がある。
【０００６】
本発明は、従来の問題点を解決するもので、ループゲインを変更することなく、スプリアス低減を図ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の位相同期発振回路は、図１を参照して説明すると、電圧制御発振器４の出力信号を直接又は分周した位相比較信号ｆｐと基準信号ｆｒとを位相比較器１により位相比較し、この位相比較器１の出力信号をループフィルタ２を介して電圧制御発振器４の制御電圧とする位相同期発振回路であって、ループフィルタ２から電圧制御発振器４に入力する制御電圧の振幅を制限するか否かを切替える振幅制限回路３と、位相比較器に入力される基準信号ｆｒと位相比較信号ｆｐとの位相差が所定範囲内の時に同期状態と判定して、振幅制限回路３に於ける制御電圧の振幅の制限動作を開始させる同期検出部６とを備えている。
【０００８】
又振幅制限回路３は、ループフィルタ２の出力の制御電圧の直流成分を抽出する直流成分抽出回路と、この直流成分抽出回路からの直流成分に対する振幅の上限値と下限値とを設定して、制御電圧の振幅を制限するリミット回路と、同期検出部６からの同期検出信号ＳＹＮによって、リミット回路の振幅制限動作を開始させる切替制御部とを有するものである。
【０００９】
又振幅制限回路３は、ループフィルタ２の出力の制御電圧の直流成分を抽出する直流成分抽出回路と、この直流成分抽出回路からの直流成分に上限比較電圧を加算した電圧と制御電圧とを比較して、制御電圧の振幅上限値を制限する第１の演算増幅器及び制御電圧の直流成分に下限比較電圧を加算した電圧と制御電圧とを比較して、制御電圧の振幅下限値を制限する第２の演算増幅器を含むリミット回路とを有するものである。又振幅制限回路３は、ループフィルタの出力の制御電圧の直流成分を抽出する直流成分抽出回路と、同期検出部からの同期検出信号によって前記直流成分に上限比較電圧を加算した電圧及び直流成分に下限比較電圧を加算した電圧を出力する切替制御部と、この切替制御部からの電圧と制御電圧とを比較して、制御電圧の振幅の上限値を制限する第１の演算増幅器及び切替制御部からの電圧と制御電圧とを比較して、制御電圧の振幅の下限値を制限する第２の演算増幅器を含むリミット回路とを有するものである。
【００１０】
又同期検出部６は、電圧制御発振器４の出力信号を分周するカウンタ構成の分周器５のカウント値を基に同期範囲を設定する範囲設定部８と、基準信号ｆｒの立上り位相が同期範囲の時に同期状態と判定して同期検出信号ＳＹＮを振幅制限回路３に入力する比較部９とを有するものである。又同期検出部は、電圧制御発振器４の出力信号を分周するカウンタ構成の分周器５のカウント値を基に非同期範囲を設定する範囲設定部８と、基準信号の立上り位相が非同期範囲の時に非同期状態と判定する比較部９とを有するものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の形態の説明図であり、１は位相比較器、２はループフィルタ、３は振幅制限回路、４は電圧制御発振器、５は分周器、６は同期検出部、７は読込処理部、８は範囲設定部、９は比較部を示す。又ｆｒは基準信号、ｆｐは位相比較信号、ｆｏは出力信号、ＳＹＮは同期検出信号を示す。
【００１２】
ループフィルタ２と電圧制御発振器４との間に接続した振幅制限回路３は、同期検出部６からの同期検出信号ＳＹＮに従って振幅制限動作を開始し、電圧制御発振器４に入力する制御電圧の振幅の上限と下限とを制限するものである。又同期検出部６は、読込処理部７と範囲設定部８と比較部９とを含む構成の場合を示す。又分周器５は、電圧制御発振器４の出力信号ｆｏの周波数と、基準信号ｆｒの周波数との関係に従った分周比とするものであり、既に知られている各種の構成を適用することができる。例えば、複数のカウンタを縦続接続し、初段のカウンタは電圧制御発振器４の出力信号ｆｏをカウントアップし、その桁上げ信号を次のカウンタが出力信号ｆｏに同期してカウントアップする構成とし、最終段のカウンタの桁上げ信号と出力信号ｆｏとを同期して、全カウンタをリセットする構成とすることができる。
【００１３】
同期検出部６の読込処理部７は、分周器５を構成するカウンタの所定範囲の分周段のカウント値を読込み、範囲設定部８は、同期範囲をカウント値の範囲として設定する。比較部９は、同期範囲の設定値と基準信号ｆｒとを比較し、設定値の範囲内に基準信号ｆｒの立上り位相が入っている時に、位相同期と判定して同期検出信号ＳＹＮを振幅制限回路３に入力する。それにより、振幅制限回路３は、制御電圧の振幅の上限と下限との制限動作を開始する。又非同期状態では、振幅制御回路３は、制御電圧の振幅の制限動作を行わないものである。
【００１４】
図２は振幅制限回路の原理説明図であり、（Ａ）は回路構成図、（Ｂ）は波形説明図である。（Ａ）に於いて、１１は入力端子、１２は出力端子、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ４は抵抗、Ｄ１，Ｄ２はダイオード、Ｕ１Ａ，Ｕ２Ａは第１，第２の演算増幅器、Ｖ２は上限比較電圧、Ｖ５は下限比較電圧、Ｖ３，Ｖ４，Ｖ６，Ｖ７は演算増幅器の電源電圧を示す。
【００１５】
入力端子１１をループフィルタ２（図１参照）の出力端子に接続し、位相比較器１からの位相誤差信号をループフィルタ２を介して入力するものであり、又出力端子１２は電圧制御発振器４に対する制御電圧を出力するものである。入力端子１１と出力端子１２との間に抵抗Ｒ１を接続し、第１の演算増幅器Ｕ１Ａの反転端子（−）に抵抗Ｒ２を介して出力端子１２を接続し、非反転端子（＋）に上限比較電圧Ｖ２を入力し、演算増幅器Ｕ１Ａの出力端子にダイオードＤ１を介して出力端子１２を接続する。又第２の演算増幅器Ｕ２Ａの反転端子（−）に抵抗Ｒ４を介して出力端子１２を接続し、非反転端子（＋）に下限比較電圧Ｖ５を入力し、演算増幅器Ｕ２Ａの出力端子にダイオードＤ２を介して出力端子１２に接続する。
【００１６】
第１の演算増幅器Ｕ１Ａは、反転端子（−）に入力される制御電圧が上限比較電圧Ｖ５以下の時に、その出力電圧をダイオードＤ１に対して逆極性として、出力端子１２に対して切り離した状態とし、制御電圧に対する振幅制限は行わないが、上限比較電圧Ｖ５を超える制御電圧に対しては、ダイオードＤ１に対して順方向の極性の出力電圧として、ダイオードＤ１を介して制御電圧の振幅制限を行うものである。又第２の演算増幅器Ｕ２Ａについても同様に、反転端子（−）に入力される制御電圧が、下限比較電圧以上の時に、その出力電圧をダイオードＤ２に対して逆極性として、出力端子１２に対して切り離した状態とし、制御電圧に対する振幅制限は行わないが、下限比較電圧Ｖ７を超えて低下すると、ダイオードＤ２に対して順方向の極性の出力電圧として、ダイオードＤ２を介して制御電圧の振幅制限を行うものである。
【００１７】
図２の（Ｂ）の（ａ）は、位相同期状態に於ける制御電圧に含まれるパルス状の電圧の概略波形を示し、（ｂ）は、第１，第２の演算増幅器Ｕ１Ａ，Ｕ２Ａによりパルス状の電圧の振幅の上限と下限とを制限した概略波形を示す。即ち、振幅制限回路によって制御電圧のパルス状振幅を含む変動を無くして、電圧制御発振器４の出力信号ｆｏのジッタ発生を低減することができる。
【００１８】
振幅制限回路３は、位相同期状態に於ける制御電圧の直流成分に重畳されているパルス状の電圧を制限するものである。従って、図３に示すように、直流成分抽出回路２２を設けて、制御電圧のパルス状の電圧の振幅に対してのみ制限を与えるものである。又同図に於いて、２１は前述の第１，第２の演算増幅器Ｕ１Ａ，Ｕ２Ａを含むリミット回路、２３は切替制御部を示す。
【００１９】
直流成分抽出回路２２は、制御電圧の直流成分を抽出する比較的簡単な積分回路（ローパスフィルタ）とすることができる。又切替制御部２３は、同期検出部６（図１参照）からの同期検出信号ＳＹＮが入力されると、リミット回路２１に於ける制御電圧の振幅の上限と下限とを制限する動作を行って、電圧制御発振器（ＶＣＯ）４に制御電圧を入力し、同期検出信号ＳＹＮが入力されない時は、リミット回路２１は、ループフィルタ２の出力電圧をそのまま電圧制御発振器（ＶＣＯ）４に制御電圧として入力するように切替える制御を行うものである。
【００２０】
図４は振幅制限回路の説明図であり、図２と同一符号は同一部分を示し、２２は抵抗Ｒ５とコンデンサＣ１とからなる直流成分抽出回路を示す。この直流成分抽出回路２２は、ループゲインに影響を与える回路上の位置ではないので、比較的時定数の長いフィルタ構成とすることが可能となる。そして、この直流成分抽出回路２２により抽出した制御電圧の直流成分に対して、上限比較電圧Ｖ２を加算して第１の演算増幅器Ｕ１Ａの非反転端子（＋）に入力し、その直流成分に対して下限比較電圧Ｖ５を加算して第２の演算増幅器Ｕ２Ａの非反転端子（＋）に入力する。それによって、図２の（Ｂ）の（ｂ）示すように、制御電圧に含まれるパルス状電圧をカットすることができる。
【００２１】
図５は切替制御部を含む振幅制限回路の説明図であり、図４と同一符号は同一部分を示し、３１は切替制御部を示す、又Ｖ８，Ｖ９は切替制御部３１の動作電圧とすると共に、振幅制限動作を行わない時に、上限比較電圧Ｖ２と下限比較電圧Ｖ５との代わりに第１の演算増幅器Ｕ１Ａと第２の演算増幅器Ｕ２Ａとの非反転端子に入力する電圧を示し、Ｖ８＞Ｖ２、Ｖ９＞Ｖ５の関係とする。
【００２２】
切替制御部３１は、加算処理機能と切替機能とを含み、出力端子Ｘを第１の演算増幅器Ｕ１Ａの非反転端子に接続し、出力端子Ｙを第２の演算増幅器Ｕ２Ａの非反転端子に接続する。又入力端子Ｘ０に電圧Ｖ８を入力し、入力端子Ｘ１に上限比較電圧Ｖ２を入力し、入力端子Ｙ０に電圧Ｖ９を入力し、入力端子Ｙ１に下限比較電圧Ｖ５を入力し、入力端子Ａに同期検出部からの同期検出信号ＳＹＮを入力し、入力端子Ｄに直流成分抽出回路２２からの直流成分を入力する。
【００２３】
同期検出信号ＳＹＮが入力端子Ａに入力されない時、即ち、非同期状態に於いては、直流成分抽出回路２２から入力端子Ｄに入力される直流成分に対して、電圧Ｖ８を加算した電圧を出力端子Ｘから第１の演算増幅器Ｕ１Ａの非反転端子に入力し、又直流成分に対して、電圧Ｖ９を加算した電圧を出力端子Ｙから第２の演算増幅器Ｕ２Ａの非反転端子に入力する。それによって、第１，第２の演算増幅器Ｕ１Ａ，Ｕ２Ａの非反転端子に入力される電圧値が高いので、第１，第２の演算増幅器Ｕ１Ａ，Ｕ２Ａによる制御電圧に対する振幅制限動作は行われないものとなる。
【００２４】
同期検出部６からの同期検出信号ＳＹＮが入力端子Ａに入力されると、切替制御部３１は、直流成分抽出回路２２から入力端子Ｄに入力される直流成分に対して、上限比較電圧Ｖ２を加算した電圧を、出力端子Ｘから第１の演算増幅器Ｕ１Ａの非反転端子に入力し、直流成分に下限比較電圧Ｖ５を加算した電圧を、出力端子Ｙから第２の演算増幅器Ｕ２Ａの非反転端子に入力するように切替動作する。この場合、上限比較電圧Ｖ２及び下限比較電圧Ｖ５は、制御電圧のパルス状電圧を制限する値に設定するものであるから、入力端子１１に入力される制御電圧は、同期状態に於いてパルス状電圧の振幅が制限され、ほぼ平坦な制御電圧として出力端子１２から電圧制御発振器４に入力されることになる。
【００２５】
図６は同期検出動作の説明図であり、（Ａ）は同期範囲設定、（Ｂ）は同期状態、（Ｃ）は非同期状態を示し、図１に於ける分周器５を１５７８分周する構成とした場合、（Ａ）に示すように、分周器５を構成するカウンタのカウント値に対して、例えば、９３９〜０〜６３９の範囲、即ち、０を中心に±６３９の範囲を同期範囲Ｔ１として定義する。この場合、図１の範囲設定部８に於いて、読込処理部７により読込んだ分周器５のカウント値について同期範囲Ｔ１（位相同期状態か否かを判定するタイミング）を比較部９に入力する。又この同期範囲Ｔ１は、更に狭く、或いは、更に広く設定することも可能である。
【００２６】
比較部９は、図６の（Ｂ）に示すように、基準信号ｆｒの立上り検出パルスと同期範囲Ｔ１（カウント値９３９〜０〜６３９の範囲）とを比較部９に於いて比較し、立上り検出パルスが同期範囲Ｔ１内であると、非同期状態に於いてローレベル（“０”）とする同期検出信号ＳＹＮをハイレベル（“１”）として出力する。そして、同期範囲Ｔ１内のタイミングで立上り検出パルスが得られる場合は、継続して同期検出信号ＳＹＮをハイレベル（“１”）とするが、同期範囲Ｔ１内に立上り検出パルスが得られない時は、非同期状態と判定して、同期検出信号ＳＹＮをローレベル（“０”）とする。なお、保護段数を設定し、この保護段数分継続して同一の判定となった場合に、非同期状態から同期状態、又は同期状態から非同期状態に切替える制御構成とすることも可能である。
【００２７】
又範囲設定部８に於いて、図６の（Ｃ）に示すように、非同期範囲Ｔ２を設定し、基準信号ｆｒの立上り検出パルスと比較部９に於いて比較し、立上り検出パルスが非同期範囲Ｔ２内であると、非同期状態と判定して、同期検出信号ＳＹＮをローレベル（“０”）とし、それ以外の場合は同期状態と判定する。即ち、図６の（Ｂ）に示す同期検出の条件に対して逆の条件で同期状態と非同期状態とを判定する場合を示す。又図６の（Ｂ）と（Ｃ）とに於ける同期範囲Ｔ１と非同期範囲Ｔ２とをそれぞれ設定して、同期検出と非同期検出とを並行して行う構成とすることも可能である。
【００２８】
本発明は、前述の実施の形態のみに限定されるものではなく、種々付加変更することが可能であり、例えば、同期検出部６は、位相比較器１による基準信号ｆｒと位相比較信号ｆｐとの位相誤差を示すパルス幅の出力信号を基に、同期範囲Ｔ１内の位相状態か否かを判定する構成等を適用することも可能である。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、電圧制御発振器４と、ループフィルタ２と、位相比較器２とを含む位相同期発振回路であって、ループフィルタ２と電圧制御発振器４との間に振幅成分回路３を接続し、同期検出部６による同期検出信号ＳＹＮに従って、電圧制御発振器４に入力される制御電圧に含まれるパルス状の電圧振幅成分を、振幅制限回路３によって振幅制限し、ループゲインに対する影響を与えることなく、電圧制御発振器４のジッタ抑圧を図り、それにより、サイドバンドスプリアス低減を図ることができる利点がある。又非同期状態に於いては、振幅制限回路３による振幅制限動作は停止状態となるから、同期引込みは高速化を阻害することがない利点がある。又分周器５をカウンタ構成として、そのカウント値を基に同期範囲を設定して、同期状態か否かを容易に判定し、前述の振幅制限動作を開始又は停止を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の説明図である。
【図２】振幅制限回路の原理説明図である。
【図３】直流成分抽出回路を含む振幅制限回路の説明図である。
【図４】振幅制限回路の説明図である。
【図５】切替制御部を含む振幅制限回路の説明図である。
【図６】同期検出動作の説明図である。
【図７】従来の位相同期発振回路の説明図である。
【図８】位相比較動作説明図である。
【符号の説明】
１　位相比較器
２　ループフィルタ
３　振幅制限回路
４　電圧制御発振器
５　分周器
６　同期検出部
７　読込処理部
８　範囲設定部
９　比較部
ｆｒ　基準信号
ｆｐ　位相比較信号
ｆｏ　出力信号
ＳＹＮ　同期検出信号

Claims

電圧制御発振器の出力信号を直接又は分周した位相比較信号と基準信号とを位相比較器により位相比較し、該位相比較器の出力信号をループフィルタを介して前記電圧制御発振器の制御電圧とする位相同期発振回路に於いて、
前記ループフィルタから前記電圧制御発振器に入力する制御電圧の振幅を制限するか否かを切替える振幅制限回路と、
前記位相比較器に入力される前記基準信号と前記位相比較信号との位相差が所定範囲内の時に同期状態と判定して前記振幅制限回路に於ける前記制御電圧の振幅の制限動作を開始させる同期検出部と
を備えたことを特徴とする位相同期発振回路。
前記振幅制限回路は、前記ループフィルタの出力の制御電圧の直流成分を抽出する直流成分抽出回路と、該直流成分抽出回路からの直流成分に対する振幅の上限値と下限値とを設定して前記制御電圧の振幅を制限するリミット回路と、前記同期検出部からの同期検出信号によって前記リミット回路の振幅制限動作を開始させる切替制御部とを有することを特徴とする請求項１記載の位相同期発振回路。
前記振幅制限回路は、前記ループフィルタの出力の制御電圧の直流成分を抽出する直流成分抽出回路と、該直流成分抽出回路からの直流成分に上限比較電圧を加算した電圧と前記制御電圧とを比較して、該制御電圧の振幅上限値を制限する第１の演算増幅器及び前記制御電圧の直流成分に下限比較電圧を加算した電圧と前記制御電圧とを比較して、該制御電圧の振幅下限値を制限する第２の演算増幅器を含むリミット回路とを有することを特徴とする請求項１記載の位相同期発振回路。
前記振幅制限回路は、前記ループフィルタの出力の制御電圧の直流成分を抽出する直流成分抽出回路と、同期検出部からの同期検出信号によって前記直流成分に上限比較電圧を加算した電圧及び前記直流成分に下限比較電圧を加算した電圧を出力する切替制御部と、該切替制御部からの電圧と前記制御電圧とを比較して該制御電圧の振幅の上限値を制限する第１の演算増幅器及び前記切替制御部からの電圧と前記制御電圧とを比較して該制御電圧の振幅の下限値を制限する第２の演算増幅器を含みリミット回路とを有することを特徴とする請求項１記載の位相同期発振回路。
前記同期検出部は、前記電圧制御発振器の出力信号を分周するカウンタ構成の分周器のカウント値を基に同期範囲を設定する範囲設定部と、前記基準信号の立上り位相が前記同期範囲の時に同期状態と判定して同期検出信号を前記振幅制限回路に入力する比較部とを有することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の位相同期発振回路。
前記同期検出部は、前記電圧制御発振器の出力信号を分周するカウンタ構成の分周器のカウント値を基に非同期範囲を設定する範囲設定部と、前記基準信号の立上り位相が前記非同期範囲の時に非同期状態と判定する比較部とを有することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の位相同期発振回路。