JP2005532016A - 自動周波数同調位相ロックループ - Google Patents

Abstract

電圧制御発信器（４）の適切な動作モード（Ｑ）を自動的に設定できるＰＬＬ周波数シンセサイザを提供する。電圧制御発信器（４）は複数の動作モードで動作可能であり、動作モードのそれぞれは電圧制御発信器の異なった動作周波数レンジを定義する。適切な動作モードを、ＰＬＬ周波数シンセサイザの位相／周波数検出器（１）によって検出された誤差信号に基づいて選択する。ウィンドウ比較器を用いて、誤差信号が所定の誤差電圧の上限を超えたとき、または下限を下回った場合に、隣接する動作モードへの切り替えを行う。

Description

本発明は一般に選択された動作モードの自動調整機能を持つ位相ロックループ周波数シンセサイザに関する。

位相ロックループ（ＰＬＬ）周波数シンセサイザは入力信号に対して一定の位相関係を持つ特定周波数の出力信号を生成する回路である。ＰＬＬ周波数シンセサイザの一般的な構成を図１のブロック図に示す。このＰＬＬ周波数シンセサイザは位相／周波数検出器（ＰＦＤ）１と、ローパスフィルタ３と、電圧制御発信器（ＶＣＯ）４とから構成される。入力信号F_INが位相／周波数検出器１に供給され、ＶＣＯ４の出力信号F_OUTが位相／周波数検出器１にフィードバックされる。この位相／周波数検出器１は入力信号F_INの位相とフィードバック信号F_OUTの位相とを比較する。もし両方の信号が互いに異なっていたら、この位相／周波数検出器はその差の大きさを示す誤差信号を出力する。この誤差信号はＶＣＯ４を制御して、位相／周波数検出器１への２つの入力信号（F_IN，F_OUT）の周波数が最終的に合致するようにする。この位相差が特定の誤差値未満になったときに、このＶＣＯの出力信号（F_OUT）は入力信号（F_IN）の位相に結合される。

ＶＣＯ出力信号F_OUTの所望の周波数は入力信号F_INの周波数である。出力信号F_OUTの出力周波数はフィードバック分周器５を用いることによって、入力信号F_INの周波数の倍数にすることも可能である。上記のＰＬＬ周波数シンセサイザは分周数Ｎ＝１を用いた特定のケースを示している。

位相ロックループのフィードバックパスの効果によって、ＶＣＯ出力信号F_OUTは、入力信号F_INに対して固定された位相関係を持つ。入力および出力信号の位相は最小限の位相オフセットを保ちながら同期する。

多くの場合、位相／周波数検出器１からの誤差信号出力に基づいてＶＣＯ４に対する同調電圧を生成するためにチャージポンプ２を用いる。このチャージポンプとＶＣＯ４の間に接続されたループフィルタ３は、ＶＣＯ同調電圧から高周波成分を除去するために用いられる。

低ノイズＰＬＬ用途においては、ＶＣＯ周波数制御特性のループゲインが決定パラメータの一つである。低ＶＣＯ位相ノイズを達成するためには、ＰＬＬ周波数シンセサイザは比較的低いゲインを持たなくてはならない。位相ノイズを低減するために、しばしばＶＣＯは、複数の動作周波数レンジに全体の動作周波数レンジを分散させて設計される。そのようなＶＣＯは、比較的小さなＶＣＯゲインと比較的小さな入力電圧レンジを用いて、広帯域の出力周波数において確実に動作する。このＶＣＯは、ＶＣＯ入力電圧に応答して出力周波数を生成するために特定の動作曲線を用いた複数の動作モードのうちの一つで動作する。所望のＰＬＬ動作を達成するために、ＶＣＯのその動作曲線は所望のＰＬＬ出力周波数に近い動作モードの中心周波数に対応して選択されなければならない。

ＶＣＯの動作曲線の適切なセットを図３に示す。動作曲線のそれぞれは低いゲインを持ち、V_MINからV_OUTまでの範囲の同一レンジの入力電圧において動作する。ＶＣＯに印加される特定のデジタル制御語によって、一度に一つの動作曲線Ｓが選択される。

慣習的には、ＰＬＬの電源が投入される際に、適切な中心周波数を持つ動作曲線を選択する。通常のＰＬＬ動作においては、ループフィルタ電圧がＶＣＯに印加される。

適切な動作曲線を自動的に選択する手順において、ループフィルタ電圧ではなくて、基準電圧V_REFをＶＣＯ入力に印加する。この基準電圧V_REFは、ＶＣＲが動作するように指示された入力電圧幅の名目中心であることが望ましい。対応するＰＬＬ周波数シンセサイザの構成を表す図２に示すように、スイッチ７および８が対応して開いたり、閉じたりする。

この動作曲線は、自己校正回路６から供給される制御語によって選択される。自己校正回路６はＰＬＬ入力信号F_INおよびＰＬＬフィードバック信号F_OUTを受信する。自己校正回路６は周波数検出器９と、デジタルアキュムレータ１０と、状態機械１１とを含む。この回路は、ＶＣＲ４に符号語（コードワード）を供給して適切な動作曲線を選択するために電源投入時にのみ動作する。

自己校正の際、周波数検出器９の測定結果がＶＣＲの所望の最適動作モードが選択されたことを示すまでデジタル制御語を増分していくことによって、ＶＣＲに与えられるデジタル制御語が決定される。そのような位相ロックループベースの周波数シンセサイザについては、Ｗ．Ｂ．Ｗｉｌｌｓｏｎらによる、”A CMOS self-calibrating frequency synthesizer”、IEEE Journal Of Solid-State Circuit, vol. 35, no.10, ２０００年１０月に説明されている。

ＰＬＬ周波数シンセサイザ、および特にＶＣＯは、未だ多くの問題をかかえている。問題の一つは、適切な動作レンジの自動選択が電源投入の際にしかできないことである。動作中の所望の出力周波数のいかなる変更も、または大きなドリフトまたは温度偏移に対するいかなる補償も周波数合成動作を中断することなしには実行不可能である。

発明の概要

所望の出力周波数に適切な動作レンジに自動的に適応することを可能にする、改良されたＰＬＬ周波数シンセサイザが提供される。

一実施形態として、電圧制御発信器と、位相／周波数検出器と、動作モード決定ユニットとを備えたＰＬＬ周波数シンセサイザが提供される。電圧制御発信器は、それぞれが電圧制御発信器の異なった動作周波数レンジを定義する複数の動作モードにおいて動作可能である。位相／周波数検出器は周波数入力信号およびＰＬＬフィードバック信号に基づいて誤差信号を生成する。動作モード決定ユニットは検出された誤差信号に基づいて電圧制御発信器の動作モードの一つを決定する。動作モード決定ユニットは誤差電圧が上側および下側の電圧限界を超えたとき、または下回ったときに、隣接する動作モードへ移行するための上限および下限の誤差電圧を定義するウィンドウ比較器を備える。

他の実施形態では、動作周波数レンジは、電圧制御発信器の同調電圧の線形および使用可能な動作レンジによって決定される。

他の実施形態では、前記ウィンドウ比較器は、誤差電圧の上限および下限を監視する二つの比較器を含む。

他の実施形態では、動作モード決定ユニットは、電圧制御発信器に供給されるデジタル制御語を生成することによって特定の動作モードを選択するためのアップ／ダウンカウンタをさらに含む。

他の実施形態では、アップ／ダウンカウンタは比較器の出力に基づいてデジタル制御語を増加させ、または減少させる。

他の実施形態では、動作モード決定ユニットは、動作モード決定ユニットの動作が外部入力信号によってホールド状態に設定されるように構成される。

他の実施形態では、ＰＬＬ周波数シンセサイザの電圧制御発信器の動作を制御する方法を提供する。電圧制御発信器は複数の動作モードで動作可能であり、それぞれのモードが電圧制御発信器の異なる動作周波数レンジを定義する。この方法は、周波数入力信号およびＰＬＬフィードバック信号の間の誤差信号に基づいて電圧制御発信器の動作モードの一つを決定する。この決定ステップでは、誤差信号が上側および下側の電圧限界を超えたとき、または下回ったときに、隣接する動作モードに現在の動作モードを切り替えるために、誤差信号を所定の誤差電圧の上限および下限と比較する。

他の実施形態では、隣接する動作モードの動作周波数レンジはそれぞれの周波数レンジの予め定義された部分だけ重なる。

他の実施形態では、この重なりは動作周波数レンジのおおよそ半分に相当する。

他の実施形態では、動作周波数レンジは、電圧制御発信器の同調電圧の線形および使用可能な動作レンジによって決定される。

他の実施形態では、複数の動作モードのうちの一つを選択するデジタル制御語は、誤差信号が上限誤差電圧を超えるか、または下限誤差電圧より低下したときに、増加され、または減少される。

他の実施形態では、誤差電圧を上限および下限誤差電圧と比較した結果として、隣接する動作レンジに切り替えるための切り替え信号を所定の時間期間だけ遅延させる。

他の実施形態では、後続の比較結果が前記所定の遅延期間の間に現在の動作モードを維持すべきことを示している場合には、隣接する動作モードを選択するための遅延させられた切り替え信号を削除する。

その他の実施形態は、従属請求項の主題となる。
添付の図面は、本発明の原理を説明する目的において、明細書に組み込まれ、そして明細書の一部となる。これらの図面は、本発明がいかに製造され、使用されるかを示す図示され、説明される実施例のみに本発明を限定するものと考えるべきではない。他の特徴および優位点は添付の図面に示されるように、以下のより詳細な本発明の説明において明らかになるであろう。

本発明の例示としての実施形態を図面を参照して説明する。類似の要素および構造は同様の参照符号で示す。

図面、特に図４に、ここで説明するチャージポンプ位相ロックループを示す。図４に示された構成では、位相／周波数検出器１、チャージポンプ２、ループフィルタ３、電圧制御発信器４およびＰＬＬフィードバック分周器５は、図２に示したチャージポンプ位相ロックループの対応する要素と一般的に同様である。さらに、図４の位相ロックループは、電源投入時または動作中のいずれの場合にも、位相ロックループ周波数シンセサイザが適切な動作曲線を自動的に選択可能にする動作モード決定ユニット１２を備える。ループフィルタ３は図２のループフィルタ３と同様であるが、このループフィルタが動作モード決定ユニット１２に供給される制御信号を供給する点で異なる。この動作モード決定ユニットは、ＶＣＯ４の複数の動作曲線のうちの一つを選択するための制御語を出力する。

動作モード決定ユニット１２はウィンドウ比較器１３およびアップ／ダウンカウンタ１４を含む。ウィンドウ比較器１３はＶＣＯ同調電圧、つまり誤差信号を監視し、比較結果に応じて上げ（アップ）または下げ（ダウン）信号によって、アップ／ダウンカウンタ１４に対してデジタル符号語を増加させ、または減少させるように指示する。アップ／ダウンカウンタ１４の出力は、ＶＣＯの動作レンジを所望の出力周波数に調整するために、ＶＣＯ４の動作モードＳを隣接する動作モードに切り替える。

図５に動作モード決定ユニット１２の一実施形態としての特定の構成を示す。図５に示す位相ロックループにおいて、位相／周波数検出器１、チャージポンプ２、ループフィルタ３、電圧制御発信器４およびフィードバック分周器５は、図４に示した位相ロックループの対応する要素と同様である。図５の実施形態は、図４の位相ロックループとは、動作モード決定ユニット１２の構成が異なる。動作モード決定ユニット１２の構成中、ウィンドウ比較器１３およびアップ／ダウンカウンタ１４は図４で説明したものと同様であるが、遅延カウンタ１５がそれらの間に接続されている点が異なる。遅延カウンタ１５は、ウィンドウ比較器からの切り替え信号、つまり隣接した動作モードへの切り替えと、アップ／ダウンカウンタ１４によって実行される隣接した動作モードへの切り替え動作との間に遅延を設けることによって、ＶＣＯの安定した動作を生み出すように機能する。

遅延カウンタ１５は、アップ／ダウンカウンタ１４に対して、上げまたは下げの切り替え信号を転送する前に、所定のクロック数をカウントすることによってそのような遅延を計算する。遅延カウンタ１５が入力信号F_INをクロック信号として用いることが望ましい。当業者であれば、同様の効果、つまり所定の遅延を提供するために他のクロック信号を用いることができることが理解できる。

隣接する動作レンジへの切り替え命令が現に遅延されているとき、その遅延期間において、その切り替え命令はウィンドウ比較器１３の後続出力によって「覆され」て、遅延カウンタ１５はリセットされる。つまり、アップ／ダウンカウンタ１４に転送されるのを待っている切り替え命令がキャンセルされる。従って、隣接する動作モード間の短時間の切り替えを回避することができ、それによってより安定したＶＣＯ動作につながる。

他の実施形態では、アップ／ダウンカウンタ１４の動作は外部「ディスエーブル」信号によってホールド状態に設定することができる。

ＶＣＲ同調電圧、つまりチャージポンプ２から提供される誤差信号は動作モード決定ユニット１２に供給されるのが望ましい。好適な実施形態では、動作モード決定ユニットに供給される信号は、ＶＣＯ同調電圧をローパスフィルタリングするためにループフィルタ３内において取得される。動作モード決定ユニットに供給される入力信号をローパスフィルタリングすることによって、切り替え動作は平滑化され、より安定したＶＣＯ動作につながる。

図６は、図４または図５に示した位相ロックループ周波数シンセサイザに用いることができるループフィルタ３の一例を示す。特に、ループフィルタ３はコンデンサ１６と１７のペアおよび抵抗器１８を含む。ウィンドウ比較器１３は抵抗器１８とコンデンサ１７との間に接続された入力を含む。この構成によって、この動作モード決定ユニットは平滑化された入力信号を受信する。当業者であれば、動作モード決定ユニット入力を平滑化するための他の任意の手段を用いることができることは理解できる。

ウィンドウ比較器１３の一実施形態としての特定例を図７に示す。ウィンドウ比較器の目的はＶＣＯ同調電圧を監視して、ＶＣＯ同調電圧が所定の電圧設定よりも上になったり、下になったりしたときに、アップ／ダウンカウンタ１４にデジタル的に指令することである。この電圧「ウィンドウ（窓）」は異なった抵抗値を用いることで調整可能である。図７の比較器は、分圧器を形成する抵抗器Ｒ１，Ｒ２およびＲ３を含む。この分圧器は電圧「ウィンドウ」の上限および下限電圧を定義する。Ｒ２の抵抗値を小さくすることで、ウィンドウの大きさが狭くなる。Ｒ２を大きくすると、ウィンドウの大きさが広くなる。比較器Ｃ１およびＣ２それぞれには、これらの所定の電圧が接続される。これらの比較器のそれぞれは、受信したＶＣＯ同調電圧をそれら所定の電圧の一つと比較して、その結果「上げ」または「下げ」をアップ／ダウンカウンタ１４に出力する。上述のように、これらの比較結果を遅延カウンタ１５を通して転送することもできる。

上述の様々な実施形態に従って、低ノイズＰＬＬ周波数シンセサイザにおいて、ＶＣＯの動作は自動的に所望の出力電圧に調整される。ＶＣＯ同調電圧に基づいて、動作中に適切な動作モードが自動的に選択される。

本発明をそれに従って構成された物理的実施形態に関連して説明したが、当業者には、上記開示に照らして、本発明の精神および意図する範囲から離れることなく添付の特許請求の範囲内において、本発明の様々な変更、変形および改良が可能であることは明らかである。さらに、開示した発明を不必要にわかりにくくするのを避けるために、当業者が習熟していると考えられる領域については説明を省略した。従って、本発明は例示の特定の実施形態に限定されるべきではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるものと理解するべきである。

従来のチャージポンプ位相ロックループのブロック図。 チャージポンプを含む自己校正位相ロックループのブロック図。 図２に示した位相ロックループの電圧制御発信器の利用可能な動作曲線のセットを示す図。 適切な発信器動作曲線を自動的に選択するチャージポンプ位相ロックループのブロック図。 適切な発信器動作曲線の自動選択機能を持つチャージポンプ位相ロックループのより詳細な実施形態を示す図。 図４に示すチャージポンプ位相ロックループに使用されるループフィルタの例を示す図。 図４に示す動作モード決定ユニットに使用されるウィンドウ比較器の例を示す図。

Claims (10)

1. 電圧制御発信器の異なった動作周波数レンジをそれぞれ定義する複数の動作モードにおいて動作可能な電圧制御発信器と、
   周波数入力信号およびＰＬＬフィードバック信号に基づいて誤差信号を生成する位相／周波数検出器と、
   検出された前記誤差信号に基づいて、電圧制御発信器の動作モードの一つを決定する動作モード決定ユニットとを備え、
   前記動作モード決定ユニットは、隣接する動作モードへ切り替えるための上限および下限の誤差電圧を定義するウィンドウ比較器を含む、ＰＬＬ周波数シンセサイザ。
2. 隣接する動作モードの前記動作周波数レンジはそれぞれの周波数レンジの予め定義された部分だけ重なる、請求項１記載のＰＬＬ周波数シンセサイザ。
3. 前記重なりは前記動作周波数レンジのおおよそ半分に相当する、請求項２記載のＰＬＬ周波数シンセサイザ。
4. 前記動作モード決定ユニットは隣接する動作モード間における切り替えを遅らせる遅延カウンタをさらに含む、請求項１記載のＰＬＬ周波数シンセサイザ。
5. 前記遅延カウンタのカウント値は新しい動作モードに切り替わった後にリセットされる、請求項４記載のＰＬＬ周波数シンセサイザ。
6. 前記遅延カウンタは、所定のクロックサイクル数だけ、前記比較器から前記アップ／ダウンカウンタに供給される、隣接する動作モードを選択するための遅延信号を遅らせる、請求項５記載のＰＬＬ周波数シンセサイザ。
7. 前記遅延カウンタのカウント値は、前記比較器の出力が前記与えられた遅延期間内において現在の動作モードを維持することを指示する場合にはリセットされる、請求項４記載のＰＬＬ周波数シンセサイザ。
8. 前記電圧制御発信器の同調電圧が前記動作モード決定ユニットに供給される、請求項１記載のＰＬＬ周波数シンセサイザ。
9. 前記電圧制御発信器の前記同調電圧をフィルタリングするループフィルタをさらに備え、前記動作モード決定ユニットに供給される前記信号は前記ループフィルタ内において得られる請求項８記載のＰＬＬ周波数シンセサイザ。
10. ＰＬＬ周波数シンセサイザの電圧制御発信器の動作を制御する方法であって、
    前記電圧制御発信器はそれぞれのモードが前記電圧制御発信器の異なる動作周波数レンジを定義する複数の動作モードで動作可能であり、
    周波数入力信号およびＰＬＬフィードバック信号の間の誤差信号に基づいて、前記電圧制御発信器の動作モードの一つを決定するステップを含み、
    前記決定ステップでは、前記誤差信号が誤差電圧の上限を超えたとき、またはその下限を下回ったときに隣接する動作モードに切り替えるために、前記誤差信号を所定の誤差電圧の上限および下限と比較する、方法。

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