JP2009296571A - 発振器および位相同期回路のループ帯域補正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】安定した高周波信号を発振する発振器および位相同期回路のループ帯域補正方法を実現する。
【解決手段】基準周波数の基準信号を発生する基準信号発生部と、前記基準信号とフィードバック信号との位相差に応じた電圧を出力する位相比較部と、前記位相比較部から出力された電圧が入力され、外部制御信号により、前記位相比較部から出力された電圧のゲインを調整するループフィルタと、前記ループフィルタによりゲインが調整された調整信号に応じた周波数の出力信号を発振する電圧制御発振部と、前記出力信号を分周した分周信号を前記フィードバック信号として前記位相比較部にフィードバックする分周部とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、発振器および位相同期回路のループ帯域補正方法に関する。特に本発明は、被処理信号の周波数に依存して感度が変化する電圧制御発振回路を備えた発振器、および、当該電圧制御発振器を備えた位相同期回路のループ帯域補正方法に関する。

従来、電圧に応じて周波数が変化する電圧制御発振回路（ＶＣＯ）の出力信号と、ＶＣＯに入力される基準周波数の基準信号との位相差を、ＶＣＯにフィードバックすることにより同期する位相同期回路（ＰＬＬ）が知られている。ＰＬＬは、ＶＣＯへのフィードバック信号として、ＶＣＯの出力信号を分周した信号を用いることで、入力信号の周波数を逓倍した信号を生成できる。

ＶＣＯの感度が周波数に依存する場合、ＰＬＬの発振周波数を変更すると、ループ帯域が変化して、位相雑音特性、スプリアス特性、出力周波数切替時間が変化する。そこで、ループ帯域を一定に保つ目的で、ＰＬＬにループフィルタの利得切替器が設けられる場合がある。特許文献１には、抵抗およびコンデンサ素子で構成される分圧回路と複数のスイッチ素子とからなる利得切替器を有して、スイッチ素子により分圧回路の回路構成を切り替えることで、ループ利得を切り替えることのできるＰＬＬ回路が開示されている。なお、関連する技術として、特開２００６−８０９０９号公報（特許文献２）、特開２００５−２５２９３０号公報（特許文献３）、特開２００４−２７４６７３号公報（特許文献４）がある。

特開２００１−１６１０２号公報

特開２００６−８０９０９号公報

特開２００５−２５２９３０号公報

特開２００４−２７４６７３号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたＰＬＬ回路を使用した場合には、ＰＬＬ回路のループ利得を離散的にしか切り替えることができず、発振周波数にあわせてゲインを最適化することができない。発振周波数に合わせてゲインを最適化することを目的として分圧回路を多数設けた場合には、回路規模が大きくなる。さらに、ＶＣＯ感度が未知の場合には分圧回路のゲインの値を合理的に決定できない。

そこで本発明の１つの側面においては、上記の課題を解決することのできる発振器および位相同期回路のループ帯域補正方法を提供することを目的とする。この目的は特許請求の範囲における独立項に記載の特徴の組み合わせにより達成される。また従属項は本発明の更なる有利な具体例を規定する。

即ち、本発明の第１の形態によると、基準周波数の基準信号を発生する基準信号発生部と、前記基準信号とフィードバック信号との位相差に応じた電圧を出力する位相比較部と、前記位相比較部から出力された電圧が入力され、外部制御信号により、前記位相比較部から出力された電圧のゲインを調整するループフィルタと、前記ループフィルタによりゲインが調整された調整信号に応じた周波数の出力信号を発振する電圧制御発振部と、前記出力信号を分周した分周信号を前記フィードバック信号として前記位相比較部にフィードバックする分周部と、を備えた発振器が提供される。

上記発振器は、前記外部制御信号を出力して、前記外部制御信号により、前記電圧制御発振部の感度または分周比に応じて前記ループフィルタを制御する制御部、をさらに備えてよく、前記制御部は、前記発振器のトータルゲインが、トータルゲインの目標値になるように、前記ループフィルタのゲインを制御してよい。

上記発振器において、前記ループフィルタは、記位相比較部から出力された電圧を積分して交流分を除去する積分器とラグリードフィルタとを有して、前記ラグリードフィルタは、信号ラインに挿入されたシリーズ抵抗と前記信号ラインと接地との間に配置されたシャント抵抗およびコンデンサを有する直列回路とを含み、前記シャント抵抗は、前記外部制御信号により抵抗値が制御される可変抵抗器を有して、前記制御部は、前記外部制御信号により、前記可変抵抗器の抵抗値を制御して、前記電圧制御発振部の感度または分周比に応じて前記ループゲインを制御してよい。上記発振器において、前記制御部は、前記分周部の分周比により設定される前記出力信号の設定周波数と、前記外部制御信号との対応関係に基づいて、前記外部制御信号を生成してよい。

上記発振器において、前記外部制御信号に対する前記ラグリードフィルタのゲイン特性を取得するゲイン特性取得部と、前記電圧制御発振部への入力電圧に対する前記電圧制御発振部の感度特性を取得する感度特性取得部と、前記感度特性取得部で取得した前記電圧制御発振部の感度特性に基づき、前記設定周波数ごとの前記ループゲインを計算するループゲイン計算部と、前記設定周波数ごとの前記ループゲインに基づき、前記設定周波数ごとのトータルゲインが、トータルゲインの目標値になるような、前記設定周波数ごとの前記ラグリードフィルタのターゲットゲインを計算するラグリードフィルタゲイン計算部と、前記設定周波数と前記外部制御信号との対応関係を決定する対応関係決定部とをさらに備えてよい。

上記発振器において、前記対応関係決定部は、前記ゲイン特性取得部で取得した前記ラグリードフィルタの前記ゲイン特性と、前記ラグリードフィルタゲイン計算部が計算した前記設定周波数ごとの前記ターゲットゲインとに基づき、前記ラグリードフィルタのラグリードフィルタゲインが前記設定周波数ごとの前記ターゲットゲインになるような前記外部制御信号を計算して、前記設定周波数と前記外部制御信号との対応関係を決定してよい。

上記発振器において、前記ゲイン特性取得部は、前記外部制御信号に対する前記シャント抵抗の抵抗値を測定することにより、前記外部制御信号に対する前記ラグリードフィルタのゲイン特性を取得し、前記感度特性取得部は、前記電圧制御発振部の入力電圧に対する発振周波数を測定することにより、前記電圧制御発振部の入力電圧に対する前記電圧制御発振部の感度特性を取得してよい。上記発振器において、前記対応関係決定部は、発振器の動作中に前記対応関係を決定してよい。

また、上記発振器において、前記ループフィルタは、前記外部制御信号により出力電流を調整するチャージポンプを有してよい。これらの発振器において、前記ループフィルタは、ステップアンプを有してよい。また、前記基準信号発生部と、前記位相比較部と、前記ループフィルタと、前記電圧制御発振部と、前記分周部とが、単一の半導体基板上に形成されてよい。

本発明の第２の形態によると、位相同期回路のループ帯域補正方法であって、基準周波数の基準信号を発生する段階と、前記基準信号とフィードバック信号との位相差に応じた電圧を出力する段階と、外部制御信号により、前記位相差に応じた電圧のゲインを調整する段階と、前記ゲインを調整する段階においてゲインが調整された調整信号に応じた周波数の出力信号を発振する段階と、前記出力信号を分周した分周信号を前記フィードバック信号としてフィードバックする段階とを備える、位相同期回路のループ帯域補正方法が提供される。

なお上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションも又発明となりうる。

発振器１００の構成の一例を概略的に表す。 対応関係決定部１９８における処理手順の一例を表す。 ラグリードフィルタ１３２のゲイン特性の一例を概略的に表す。 電圧制御発振部１２６の感度特性の一例を概略的に表す。 電圧制御発振部１２６の設定周波数と、分周部１２８の分周比および電圧制御発振部１２６の感度との対応関係の一例を概略的に表す。 電圧制御発振部１２６の設定周波数と、分周部１２８の分周比および外部制御信号１４の設定値との対応関係の一例を概略的に表す。 発振器７００の構成の一例を概略的に表す。 発振器７００における処理手順の一例を表す。 自動レベル調整器９００の構成の一例を概略的に表す。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明の一側面を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではなく、又実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。以下、図面を参照して、実施形態について説明するが、図面の記載において、同一または類似の部分には同一の参照番号を付して重複する説明を省く場合がある。

図１は、発振器１００の構成の一例を概略的に表す。発振器１００は、安定した高周波信号を発振する。発振器１００は、出力端子１０４と、基準信号発生部１１０と、位相同期回路１２０とを備える。出力端子１０４は、位相同期回路１２０の出力側に配され、位相同期回路１２０により発振された出力信号１８を外部に出力する。基準信号発生部１１０は、基準周波数の基準信号１０を発生する。基準信号発生部１１０として、例えば、水晶発振器が用いられる。これにより、基準信号１０の安定度が向上する。また、基準信号発生部１１０と位相同期回路１２０とが、単一の半導体チップまたは単一の半導体基板の上に形成されてよい。

位相同期回路１２０は、基準信号発生部１１０から出力された基準信号１０が入力され、出力信号１８を出力する。位相同期回路１２０は、基準信号１０の基準周波数と、出力信号１８の周波数とを同期させる。また、出力信号１８の周波数を、例えば、基準周波数の整数倍にする。位相同期回路１２０は、位相比較部１２２と、ループフィルタ１２４と、電圧制御発振部１２６と、分周部１２８とを備える。また、位相比較部１２２と、ループフィルタ１２４と、電圧制御発振部１２６と、分周部１２８とが、単一の半導体基板上に形成されてよい。

位相比較部１２２は、基準信号１０とフィードバック信号１２との位相差に応じた電圧を出力する。位相比較部１２２には、基準信号発生部１１０から出力された基準信号１０と、分周部１２８から出力されたフィードバック信号１２とが入力されてよい。電圧制御発振部１２６は、ループフィルタ１２４によりゲインが調整された調整信号１６に応じた周波数の出力信号１８を発振する。電圧制御発振部１２６には、ループフィルタ１２４から出力された調整信号１６が入力されてよい。分周部１２８は、出力信号１８を分周した分周信号をフィードバック信号１２として位相比較部１２２にフィードバックする。分周部１２８として、例えば、カウンタが用いられる。分周部１２８には、電圧制御発振部１２６から出力された出力信号１８の一部が入力されてよい。

ループフィルタ１２４は、位相同期回路１２０のループ時定数を決定する。即ち、位相比較部１２２から出力された電圧が入力され、外部制御信号１４により、位相比較部１２２から出力された電圧のゲインを調整する。ループフィルタ１２４は、外部制御信号１４により、電圧制御発振部１２６の感度または分周比に応じて、ループゲインが制御されてよい。ループフィルタ１２４は、発振器１００のトータルゲインが、トータルゲインの目標値になるように、位相比較部１２２から出力された電圧のゲインを調整してよい。ループフィルタ１２４は、ステップアンプ１３０と、ラグリードフィルタ１３２とを有してよい。

ステップアンプ１３０は、位相比較部１２２から出力された電圧を積分して交流分を除去する積分機能を有する。また、ステップアンプ１３０は、位相比較部１２２から出力された電圧を所定のゲインで増幅する増幅機能を有する。ステップアンプ１３０には、位相比較部１２２から出力された電圧が入力されてよい。ステップアンプ１３０は、オペアンプ１４２と、抵抗器１４４と、コンデンサ１４６と、ゲイン切替部１５０とを含んでよい。ゲイン切替部１５０は、抵抗器１５２と、抵抗器１５４と、スイッチ１５６とを有してよい。ゲイン切替部１５０は、スイッチ１５６のＯＮ／ＯＦＦを切り替えることで、ステップアンプ１３０のゲインを変更する。

これにより、ループフィルタ１２４のゲイン可変幅を変更できる。例えば、ループフィルタ１２４が、可変幅として−Ｇ［ｄＢ］〜０［ｄＢ］のゲインを有するラグリードフィルタ１３２と、スイッチ１５６のＯＮ／ＯＦＦによりゲインの値をＧ［ｄＢ］と０［ｄＢ］とに切替えることのできるゲイン切替部１５０とを有する場合を考える。スイッチ１５６がＯＦＦの場合には、ループフィルタ１２４のループゲイン可変幅は、−Ｇ［ｄＢ］〜０［ｄＢ］となり、スイッチ１５６がＯＮの場合には、０［ｄＢ］〜Ｇ［ｄＢ］となる。このように、ステップアンプ１３０を設けることで、ループフィルタ１２４のゲイン可変幅を拡張できる。本実施形態において、ゲイン切替部１５０は、２つの抵抗器を有するが、３つ以上の抵抗器を有してもよく、また、可変抵抗器を有して、ゲインを連続的に変えてもよい。

ラグリードフィルタ１３２は、ループフィルタ１２４のゲイン可変幅を決定する。ラグリードフィルタ１３２には、ステップアンプ１３０により交流分が除去された電圧が入力されてよい。ラグリードフィルタ１３２は、信号ラインに挿入されたシリーズ抵抗１６２と、信号ラインと接地との間に配置されたシャント抵抗およびコンデンサ１６６を有する直列回路とを含んでよい。シャント抵抗は、外部制御信号１４により抵抗値が制御される可変抵抗器１６４を有してよい。

これにより、ループフィルタ１２４は、外部制御信号１４により、位相比較部１２２から出力された電圧のゲインを調整できる。また、回路規模の増加を抑制しながら、ループゲインを連続的に変更できる。また、ループゲインを連続的に変更できるので、ループフィルタ１２４は、発振周波数にあわせてゲインを最適化できる。

また、ラグリードフィルタ１３２は、スイッチ１７２と、スイッチ１７４と、抵抗器１７６と、バッファ１７８とを含んでよい。スイッチ１７２と抵抗器１７６とが直列に配され、コンデンサ１６６とスイッチ１７４とが直列に配され、スイッチ１７２および抵抗器１７６と、コンデンサ１６６およびスイッチ１７４とが、並列に配されてよい。バッファ１７８は、可変抵抗器１６４とコンデンサ１６６との間に配されてよい。これにより、外部制御信号１４に対するラグリードフィルタ１３２のゲイン特性を取得できる。なお、ラグリードフィルタ１３２のゲイン特性を取得する構成は、上記構成に限定されない。

発振器１００は、周波数カウンタ１８０と、スイッチ１８２と、ＤＡコンバータ１８４とを備えてよい。また、発振器１００は、ＡＤコンバータ１８６と、ＤＡコンバータ１８８とを備えてよい。周波数カウンタ１８０は、分周部１２８と位相比較部１２２との間に配され、フィードバック信号１２の周波数を測定する。ＤＡコンバータ１８４は、スイッチ１８２を介して、ループフィルタ１２４と電圧制御発振部１２６との間に結合される。

これにより、電圧制御発振部１２６への入力電圧に対する電圧制御発振部１２６の感度特性を取得できる。なお、電圧制御発振部１２６の感度特性を取得する構成は、上記構成に限定されない。ＡＤコンバータ１８６は、バッファ１７８と結合され、可変抵抗器１６４に印加された電圧をデジタル信号に変換する。ＤＡコンバータ１８８は、可変抵抗器１６４と結合され、可変抵抗器１６４を制御する外部制御信号１４をアナログ信号に変換する。

発振器１００は、発振器１００を制御する制御部１９０を備えてよい。制御部１９０は、外部制御信号１４を出力して、外部制御信号１４によりループフィルタ１２４を制御してよい。発振器１００のトータルゲインが、トータルゲインの目標値になるように、ループフィルタ１２４のゲインを制御してよい。制御部１９０は、外部制御信号１４により可変抵抗器１６４の抵抗値を制御して、電圧制御発振部１２６の感度または分周比に応じてループフィルタ１２４のゲインを制御してよい。また、制御部１９０は、分周部１２８の分周比により設定される出力信号１８の設定周波数と、外部制御信号１４との対応関係に基づいて、外部制御信号１４を生成してよい。なお、本実施形態において、制御部１９０は発振器１００の内部に設けられたが、制御部１９０は発振器１００の外部に設けられてもよい。

発振器１００は、ゲイン特性取得部１９４と、感度特性取得部１９５と、ループゲイン計算部１９６と、ラグリードフィルタゲイン計算部１９７と、対応関係決定部１９８とを有してよい。ゲイン特性取得部１９４、感度特性取得部１９５、ループゲイン計算部１９６、ラグリードフィルタゲイン計算部１９７および対応関係決定部１９８は、制御部１９０に設けられてよい。また、これらの機能は厳密に区別されるものではなく、例えば、対応関係決定部１９８が、ループゲイン計算部１９６およびラグリードフィルタゲイン計算部１９７の機能を有してもよく、感度特性取得部１９５が、ループゲイン計算部１９６の機能を有してもよい。

ゲイン特性取得部１９４は、外部制御信号１４に対するラグリードフィルタ１３２のゲイン特性を取得する。ゲイン特性取得部１９４は、外部制御信号１４に対するシャント抵抗の抵抗値を測定することにより、外部制御信号１４に対するラグリードフィルタ１３２のゲイン特性を取得してよい。感度特性取得部１９５は、電圧制御発振部１２６への入力電圧に対する電圧制御発振部１２６の感度特性を取得する。感度特性取得部１９５は、電圧制御発振部１２６の入力電圧に対する発振周波数を測定することにより、調整信号１６に対する電圧制御発振部１２６の感度特性を取得してよい。

ループゲイン計算部１９６は、感度特性取得部１９５で取得した電圧制御発振部１２６の感度特性に基づき、設定周波数ごとのループゲインを計算する。ラグリードフィルタゲイン計算部１９７は、設定周波数ごとのループゲインに基づき、設定周波数ごとのトータルゲインがトータルゲインの目標値になるような、設定周波数ごとのラグリードフィルタ１３２のターゲットゲインを計算する。

対応関係決定部１９８は、設定周波数と外部制御信号１４との対応関係を決定する。対応関係決定部１９８は、ゲイン特性取得部１９４で取得したラグリードフィルタ１３２のゲイン特性と、ラグリードフィルタゲイン計算部１９７が計算した設定周波数ごとのラグリードフィルタ１３２のターゲットゲインとに基づき、設定周波数ごとに、ラグリードフィルタのラグリードフィルタゲインが、設定周波数ごとのターゲットゲインになるような外部制御信号１４を計算して、設定周波数と外部制御信号との対応関係を決定してよい。これにより、ループフィルタ１２４のゲインの値を合理的に決定できる。

対応関係決定部１９８は、発振器１００の動作中に設定周波数と外部制御信号との対応関係を決定してよい。対応関係決定部１９８は、発振器１００の動作開始前に上記対応関係を決定してよい。また、対応関係決定部１９８は、発振器１００の位相雑音特性、スプリアス特性、出力周波数切替時間等が悪化したときに、上記対応関係を決定してよい。

図２は、対応関係決定部１９８における、出力信号１８の設定周波数と外部制御信号１４との対応関係を決定する手順の一例を表す。発振器１００は、制御部１９０が上記対応関係に基づき外部制御信号１４の値を決定することで、トータルゲインの制御を高速化できる。

Ｓ２０において、発振器１００は、外部制御信号１４に対する可変抵抗器１６４の抵抗値を測定する。これにより、ゲイン特性取得部１９４は、ＤＡコンバータ１８８を介して可変抵抗器１６４に入力される外部制御信号１４に対する、ラグリードフィルタ１３２のゲイン特性を取得できる。上記可変抵抗器１６４の抵抗値は、例えば、以下の手順で測定できる。

即ち、スイッチ１７２、およびスイッチ１８２をＯＮに、スイッチ１７４をOFFに設定する。ＤＡコンバータ１８４を所定の値に固定する。ＤＡコンバータ１８８の電圧を掃引しながら、ＡＤコンバータ１８６により可変抵抗器１６４にかかる電圧を測定する。抵抗器１７６と可変抵抗器１６４との分圧比の関係を利用して、測定した電圧に基づき、外部制御信号１４に対応する可変抵抗器１６４の抵抗値を計算する。

可変抵抗器１６４の抵抗値を用いて、外部制御信号１４の各設定値に対して、シリーズ抵抗１６２、可変抵抗器１６４、コンデンサ１６６を含むラグリードフィルタ１３２の入出力伝達係数、即ち、ラグリードフィルタ１３２のゲインＧＬａｇを計算することで、外部制御信号１４の各設定値とラグリードフィルタ１３２のゲインＧＬａｇとの関係が求まる。ゲイン特性取得部１９４は、外部制御信号１４の各設定値に対するラグリードフィルタ１３２のゲインＧＬａｇをテーブル化して記憶してもよい。

Ｓ２２において、発振器１００は、電圧制御発振部１２６の入力電圧に対する、電圧制御発振部１２６の発振周波数を測定する。これにより、感度特性取得部１９５は、調整信号１６に対する電圧制御発振部１２６の感度特性を取得できる。上記電圧制御発振部１２６の発振周波数は、例えば、以下の手順で測定できる。即ち、スイッチ１７２、スイッチ１７４をＯＦＦに設定して、スイッチ１８２をＯＮに設定する。ＤＡコンバータ１８４の電圧を掃引しながら、分周部１２８の出力周波数を周波数カウンタ１８０で測定する。

電圧制御発振部１２６の入力電圧に対する電圧制御発振部１２６の発振周波数に関する測定結果に基づき、発振周波数を入力電圧で微分して、電圧制御発振部１２６の感度Ｋｖを計算する。感度特性取得部１９５は、電圧制御発振部１２６の入力電圧に対する感度Ｋｖをテーブル化して記憶してもよい。

Ｓ２４において、ループゲイン計算部１９６は、感度特性取得部１９５で取得した電圧制御発振部１２６の感度特性に基づき、出力信号１８の設定周波数ごとのループゲインＧＬｏｏｐを計算する。ループゲインＧＬｏｏｐは、電圧制御発振部１２６の感度Ｋｖ［Ｈｚ／Ｖ］、および、分周部１２８の分周比Ｎを用いて、式（１）により計算できる。
ＧＬｏｏｐ＝Ｋｖ／Ｎ ・・・（１）

ここで、出力信号１８の設定周波数が与えられれば、Ｓ２２で求めた電圧制御発振部１２６の入力電圧に対する発振周波数に関する測定結果及び電圧制御発振部１２６の入力電圧に対する感度の計算結果に基づき、電圧制御発振部１２６の感度Ｋｖが求まる。また、上記設定周波数を基準信号１０の基準周波数で除算することで、分周比Ｎが求まる。

Ｓ２６において、ラグリードフィルタゲイン計算部１９７は、設定周波数ごとのループゲインＧＬｏｏｐに基づき、設定周波数ごとのラグリードフィルタ１３２のゲインＧＬａｇを計算する。ラグリードフィルタゲイン計算部１９７は、設定周波数ごとのトータルゲインＧＴｏｔａｌが、トータルゲインの目標値となるような、ラグリードフィルタ１３２のゲインＧＬａｇを計算する。上記ラグリードフィルタ１３２のゲインＧＬａｇは、例えば、以下の手順で計算できる。即ち、ラグリードフィルタ１３２のゲインＧＬａｇは、位相同期回路１２０のトータルゲインＧＴｏｔａｌ、電圧制御発振部１２６の感度Ｋｖ、および、分周部１２８の分周比Ｎを用いて、式（２）により計算できる。
ＧＬａｇ＝ＧＴｏｔａｌ÷（Ｋｖ／Ｎ） ・・・（２）

ここで、各設定周波数ごとのトータルゲインの目標値ＧＴｏｔａｌーＴａｒｇｅｔが与えられれば、式（２）のＧＴｏｔａｌに、上記目標値ＧＴｏｔａｌーＴａｒｇｅｔを代入することで、設定周波数ごとのトータルゲインＧＴｏｔａｌがＧＴｏｔａｌーＴａｒｇｅｔとなるような、ラグリードフィルタ１３２のターゲットゲインＧＬａｇ−Ｔａｒｇｅｔが求まる。対応関係決定部１９８は、Ｓ２０で求めた外部制御信号１４の各設定値とラグリードフィルタ１３２のゲインＧＬａｇとの関係に基づいて、ラグリードフィルタ１３２のターゲットゲインＧＬａｇ−Ｔａｒｇｅｔに対応する外部制御信号１４の設定値を決定する。対応関係決定部１９８は、出力信号１８の設定周波数と外部制御信号１４との対応関係をテーブル化して記憶してもよい。

以上の通り、出力信号１８の設定周波数と、各設定周波数ごとのトータルゲインの目標値ＧＴｏｔａｌーＴａｒｇｅｔが与えられれば、出力信号１８の設定周波数と外部制御信号１４との対応関係が求まる。また、以上の記載により、位相同期回路１２０のループ帯域補正方法であって、基準周波数の基準信号１０を発生する段階と、基準信号１０とフィードバック信号１２との位相差に応じた電圧を出力する段階と、位相比較部１２２から出力された電圧が入力され、外部制御信号１４により、位相比較部１２２から出力された電圧のゲインを調整する段階と、ゲインが調整された調整信号１６に応じた周波数の出力信号１８を発振する段階と、出力信号１８を分周した分周信号をフィードバック信号１２として位相比較部１２２にフィードバックする段階とを備える位相同期回路のループ帯域補正方法が開示される。

図３は、ラグリードフィルタ１３２のゲイン特性の一例を概略的に表す。同図において、横軸は、Ｓ２０で掃引されたＤＡコンバータ１８８の電圧を示しており、縦軸は、測定電圧から求めた可変抵抗器１６４の抵抗値を用いて計算されたラグリードフィルタ１３２のゲインＧＬａｇを示す。ここで、ゲイン特性３０は、ゲイン切替部１５０のスイッチ１５６がＯＦＦに設定されている場合のゲイン特性を示す。また、ゲイン特性３２は、ゲイン切替部１５０のスイッチ１５６がＯＮに設定されている場合のゲイン特性を示す。このように、ループフィルタ１２４は、ステップアンプ１３０にゲイン切替部１５０を設けることで、ループフィルタ１２４のゲイン可変幅を変更できる。

図４は、電圧制御発振部１２６の感度特性４０の一例を概略的に表す。同図において、横軸は、Ｓ２２で掃引されたＤＡコンバータ１８４の電圧を示しており、縦軸は、電圧制御発振部１２６の感度Ｋｖを示す。同図に示す通り、電圧制御発振部１２６の感度Ｋｖは、電圧制御発振部１２６の入力電圧に依存する。

図５は、電圧制御発振部１２６の設定周波数と、分周部１２８の分周比および電圧制御発振部１２６の感度との対応関係の一例を概略的に表す。出力信号１８の設定周波数が与えられれば分周比Ｎが求まるので、同図に示すように、設定周波数に対応する、分周比および電圧制御発振部１２６の入力電圧に対する感度をテーブル化できる。

図６は、電圧制御発振部１２６の設定周波数に対する、分周部１２８の分周比および外部制御信号１４の設定値の対応関係の一例を概略的に表す。同図に示す通り、電圧制御発振部１２６の設定周波数に対応する外部制御信号１４の設定値は、目的に応じて、複数の値が用意されてよい。例えば、外部制御信号１４は、周波数特性を重視する場合、例えば、位相雑音特性、スプリアス特性等の改善を目的とする場合と、速度を重視する場合、例えば、出力周波数切替時間の短縮化を目的とする場合とで、異なる設定値を用いてもよい。また、発振器１００は、外部制御信号１４の設定値を、外部入力により切り替えてもよい。

図７は、別の実施形態に係る発振器７００の構成の一例を概略的に表す。発振器７００は、出力端子１０４と、基準信号発生部１１０と、位相同期回路７２０と、制御部１９０とを備える。位相同期回路７２０は、位相比較部１２２と、ループフィルタ７２４と、電圧制御発振部１２６と、分周部１２８とを備える。ループフィルタ７２４は、積分器７３０と、チャージポンプ７３２と、積分器７３０の出力抵抗７６２とを有する。積分器７３０は、ゲイン切替部１５０の代わりに抵抗器７５２を用いた以外は、ステップアンプ１３０と同様の構成および機能を有する。なお、発振器７００において、積分器７３０の代わりにステップアンプ１３０を用いてもよい。

同図に示す通り、発振器７００は、ラグリードフィルタ１３２の代わりにチャージポンプ７３２を設けた点で、発振器１００と相違する。その他の点については、発振器７００は、発振器１００と同様の機能および構成を有してよく、発振器１００に関する上記記載は、発振器７００にも適用できる。

チャージポンプ７３２は、外部制御信号１４により出力電流を調整する。チャージポンプ７３２は、例えば、位相比較部１２２からのＵＰ信号が入力されると、外部制御信号１４の設定値に応じて、出力電流を増加させる。一方、位相比較部１２２からのＤＯＷＮ信号が入力されると、外部制御信号１４の設定値に応じて、出力電流を減少させる。以上の構成により、チャージポンプ７３２の設定電流をＤＡコンバータ１８８でプログラマブルに制御することで、ループフィルタ７２４のゲインを変更できる。

また、発振器７００は、スイッチ１７４と、周波数カウンタ１８０と、スイッチ１８２と、ＤＡコンバータ１８４とを備えてよい。スイッチ１７４は、ループフィルタ７２４と電圧制御発振部１２６との間に配され、ＤＡコンバータ１８４は、スイッチ１７４と電圧制御発振部１２６との間に、スイッチ１８２を介して結合されてよい。

これにより、電圧制御発振部１２６への入力電圧に対する電圧制御発振部１２６の感度特性を取得できる。なお、電圧制御発振部１２６の感度特性を取得する構成は、上記構成に限定されない。また、発振器７００において、基準信号発生部１１０と、位相比較部１２２と、ループフィルタ７２４と、電圧制御発振部１２６と、分周部１２８とが、単一の半導体基板上に形成されてもよい。

図８は、発振器７００における、出力信号１８の設定周波数と外部制御信号１４との対応関係を決定する手順の一例を表す。発振器７００は、上記対応関係に基づき外部制御信号１４の値を決定することで、トータルゲインの制御を高速化できる。

Ｓ８２において、発振器１００は、電圧制御発振部１２６の入力電圧に対する、電圧制御発振部１２６の発振周波数を測定する。これにより、発振器７００は、調整信号１６に対する電圧制御発振部１２６の感度特性を取得できる。上記電圧制御発振部１２６の発振周波数は、例えば、以下の手順で測定できる。

即ち、スイッチ１７４をＯＦＦに設定して、スイッチ１８２をＯＮに設定する。ＤＡコンバータ１８４の電圧を掃引しながら、分周部１２８の出力周波数を周波数カウンタ１８０で測定する。電圧制御発振部１２６の入力電圧に対する電圧制御発振部１２６の発振周波数に関する測定結果に基づき、発振周波数を入力電圧で微分して、電圧制御発振部１２６の感度Ｋｖを計算する。

Ｓ８４において、発振器７００は、出力信号１８の設定周波数ごとのループゲインＧＬｏｏｐを計算する。出力信号１８の設定周波数ごとのループゲインＧＬｏｏｐは、Ｓ２４と同様の手順で求めることができる。

Ｓ８６において、発振器７００は、設定周波数ごとのループゲインＧＬｏｏｐに基づき、設定周波数ごとのチャージポンプ７３２のゲインＧＬａｇを計算する。チャージポンプ７３２のゲインＧＬａｇは、Ｓ２６と同様の手順で求めることができる。ここで、外部制御信号１４の各設定値とチャージポンプ７３２のゲインＧＬａｇとの関係は、チャージポンプ７３２の仕様により求まる。これにより、チャージポンプ７３２のゲインＧＬａｇに対応する外部制御信号１４の設定値を決定できる。

図９は、自動レベル調整器９００の構成の一例を概略的に表す。同図は、ループフィルタ１２４をＡＬＣ回路に適用した場合の一例を示す。自動レベル調整器９００は、入力端子９０２と、出力端子９０４と、バッファ９０６と、可変電圧アッテネータ９２６とを備える。自動レベル調整器９００は、自動レベル調整器９００を制御する制御部９９０を備えてよい。

自動レベル調整器９００は、入力端子９０２に入力された入力信号を、可変電圧アッテネータ９２６で適切な信号レベルに減衰して、可変電圧アッテネータ９２６により減衰された信号を、バッファ９０６を介して出力端子９０４から出力する。可変電圧アッテネータ９２６は、入力信号の減衰量を調整して、出力端子９０４から出力される出力信号の電力が、所定の目標値すなわち設定電力で略一定になるように動作する。可変電圧アッテネータ９２６は、制御電圧により、入力信号の減衰量を制御されてよい。可変電圧アッテネータ９２６は、例えば、内部の抵抗値を変更することで、入力信号の減衰量を変更できる。

自動レベル調整器９００は、基準電圧発生部９１０と、電力検出部９２８と、ループフィルタ１２４と、ＤＡコンバータ１８８とを備える。電力検出部９２８は、出力端子９０４とバッファ９０６との間に結合され、可変電圧アッテネータ９２６により減衰された減衰信号を検出する。ループフィルタ１２４は、基準電圧発生部９１０の発生させた基準電圧と電力検出部９２８の出力電圧とが入力され、ＤＡコンバータ１８８から入力された外部制御信号１４に応じて、上記基準電圧と電力検出部９２８の出力電圧とが同じ電圧になるように動作する。

可変電圧アッテネータ９２６の感度が非線形である場合、すなわち、可変電圧アッテネータ９２６の制御電圧に対する減衰量の微分特性が非線形である場合、上記設定電力の値によって、自動レベル調整器９００のトータルゲイン等のループ帯域幅が変化する。自動レベル調整器９００のループ帯域幅が変化すると、自動レベル調整器９００の過渡応答特性が変化する。本実施形態によれば、例えば、制御部９９０は、自動レベル調整器９００のトータルゲインが目標値になるように、ループフィルタ１２４のゲインを制御する。これにより、制御電圧に応じて可変電圧アッテネータ９２６が非線形に変化する場合であっても、出力信号の電力を可変電圧アッテネータ９２６の非線形性をループフィルタのゲインによって補償できる。その結果、自動レベル調整器９００のループ帯域幅を設定電力で略一定になるよう制御することが容易になる。

すなわち、電力検出部９２８の出力電力は、ループフィルタ１２４によりゲインが調整され、調整信号としてループフィルタ１２４から出力される。ループフィルタ１２４から出力された調整信号は、制御電圧として可変電圧アッテネータ９２６に入力され、可変電圧アッテネータ９２６における入力信号の減衰量を制御する。ループフィルタ１２４のゲインは、制御部９９０により、自動レベル調整器９００のトータルゲインが目標値になるように制御されているので、ループフィルタ１２４は、入力信号の電力にあわせて、ループゲインを最適化できる。

自動レベル調整器９００は、スイッチ１８２と、ＤＡコンバータ１８４と、ＡＤコンバータ１８６と、ＡＤコンバータ９８０とを備えてよい。ＤＡコンバータ１８４は、ループフィルタ１２４と可変電圧アッテネータ９２６との間に、スイッチ１８２を介して配されてよい。ＡＤコンバータ９８０は、電力検出部９２８とループフィルタ１２４との間に配されてよい。

これにより、ループフィルタ１２４の調整信号に対する、電力検出部９２８の減衰特性を取得できる。即ち、スイッチ１７２、スイッチ１７４をＯＦＦに設定して、スイッチ１８２をＯＮに設定した状態で、入力端子に、周波数ｆの正弦波を入力する。電力検出部９２８の出力電圧をＡＤコンバータ９８０で測定する。これにより、周波数ｆにおける、電力検出部９２８の減衰特性を取得できる。上記減衰特性を微分することで、可変電圧アッテネータ９２６の感度が求まる。上記感度を用いて、発振器１００の場合と同様にして、出力信号の電力が設定電力で略一定になるような外部制御信号１４の設定値を決定できる。これにより、ループフィルタ１２４のゲインの値を合理的に決定できる。

以上の記載によれば、基準電圧を発生させる基準電圧発生部９１０と、入力信号を減衰する可変電圧アッテネータ９２６と、可変電圧アッテネータ９２６により減衰された減衰信号を検出する電力検出部９２８と、電力検出部９２８から出力された電圧が入力され、外部制御信号１４により、電力検出部９２８から出力された電圧のゲインを調整するループフィルタ１２４とを備え、ループフィルタ１２４より出力された調整信号に応じて、入力信号を減衰する、可変電圧アッテネータ９２６が開示される。また、可変電圧アッテネータ９２６において、外部制御信号１４を出力して、外部制御信号１４により、可変電圧アッテネータ９２６の感度に応じてループフィルタ１２４を制御する制御部９９０をさらに備え、制御部９９０は、自動レベル調整器９００のトータルゲインが、トータルゲインの目標値になるように、ループフィルタ１２４のゲインを制御してもよい。

以上の記載により、上記構成を、出力信号の周波数または電力に依らず、トータルゲイン等のループ帯域幅を一定に保持する場合について説明したが、上記構成は、周波数または電力に応じて、ループ帯域幅を変更する場合にも応用できる。また、以上の記載によれば、ＤＡコンバータ１８８から入力される外部制御信号１４により、ループフィルタ１２４またはループフィルタ７２４のゲインをプログラマブルに変更することで、トータルゲインを制御したが、位相比較部１２２の出力電流をプログラマブルに変更することで、トータルゲインを制御してもよい。

以上、本発明の一側面を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることができる。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

上記説明から明らかなように、本発明の一実施形態によれば、安定した高周波信号を発振する発振器および位相同期回路のループ帯域補正方法を実現することができる。

１０ 基準信号
１２ フィードバック信号
１４ 外部制御信号
１６ 調整信号
１８ 出力信号
３０ ゲイン特性
３２ ゲイン特性
４０ 感度特性
１００ 発振器
１０４ 出力端子
１１０ 基準信号発生部
１２０ 位相同期回路
１２２ 位相比較部
１２４ ループフィルタ
１２６ 電圧制御発振部
１２８ 分周部
１３０ ステップアンプ
１３２ ラグリードフィルタ
１４２ オペアンプ
１４４ 抵抗器
１４６ コンデンサ
１５０ ゲイン切替部
１５２ 抵抗器
１５４ 抵抗器
１５６ スイッチ
１６２ シリーズ抵抗
１６４ 可変抵抗器
１６６ コンデンサ
１７２ スイッチ
１７４ スイッチ
１７６ 抵抗器
１７８ バッファ
１８０ 周波数カウンタ
１８２ スイッチ
１８４ ＤＡコンバータ
１８６ ＡＤコンバータ
１８８ ＤＡコンバータ
１９０ 制御部
１９４ ゲイン特性取得部
１９５ 感度特性取得部
１９６ ループゲイン計算部
１９７ ラグリードフィルタゲイン計算部
１９８ 対応関係決定部
７００ 発振器
７２０ 位相同期回路
７２４ ループフィルタ
７３０ 積分器
７３２ チャージポンプ
７５２ 抵抗器
７６２ 出力抵抗
９００ 自動レベル調整器
９０２ 入力端子
９０４ 出力端子
９０６ バッファ
９１０ 基準電圧発生部
９２６ 可変電圧アッテネータ
９２８ 電力検出部
９８０ ＡＤコンバータ
９９０ 制御部

Claims (11)

1. 基準周波数の基準信号を発生する基準信号発生部と、
   前記基準信号とフィードバック信号との位相差に応じた電圧を出力する位相比較部と、
   前記位相比較部から出力された電圧が入力され、外部制御信号により、前記位相比較部から出力された電圧のゲインを調整するループフィルタと、
   前記ループフィルタによりゲインが調整された調整信号に応じた周波数の出力信号を発振する電圧制御発振部と、
   前記出力信号を分周した分周信号を前記フィードバック信号として前記位相比較部にフィードバックする分周部と、
   を備えた発振器。
2. 前記外部制御信号を出力して、前記外部制御信号により、前記電圧制御発振部の感度または前記分周部の分周比に応じて前記ループフィルタを制御する制御部、
   をさらに備え、
   前記制御部は、前記発振器のトータルゲインが、トータルゲインの目標値になるように、前記ループフィルタのゲインを制御する、
   請求項１に記載の発振器。
3. 前記ループフィルタは、記位相比較部から出力された電圧を積分して交流分を除去する積分器と、ラグリードフィルタとを有し、
   前記ラグリードフィルタは、信号ラインに挿入されたシリーズ抵抗と、前記信号ラインと接地との間に配置されたシャント抵抗およびコンデンサを有する直列回路とを含み、
   前記シャント抵抗は、前記外部制御信号により抵抗値が制御される可変抵抗器を有し、
   前記制御部は、前記外部制御信号により、前記可変抵抗器の抵抗値を制御し、前記電圧制御発振部の感度または前記分周部の分周比に応じてループゲインを制御する、
   請求項２に記載の発振器。
4. 前記制御部は、前記分周部の分周比により設定される前記出力信号の設定周波数と、前記外部制御信号との対応関係に基づいて、前記外部制御信号を生成する、
   請求項３に記載の発振器。
5. 前記外部制御信号に対する前記ラグリードフィルタのゲイン特性を取得するゲイン特性取得部と、
   前記電圧制御発振部への入力電圧に対する前記電圧制御発振部の感度特性を取得する感度特性取得部と、
   前記感度特性取得部で取得した前記電圧制御発振部の感度特性に基づき、前記設定周波数ごとの前記ループゲインを計算するループゲイン計算部と、
   前記設定周波数ごとの前記ループゲインに基づき、前記設定周波数ごとのトータルゲインが、トータルゲインの目標値になるような、前記設定周波数ごとの前記ラグリードフィルタのターゲットゲインを計算するラグリードフィルタゲイン計算部と、
   前記設定周波数と前記外部制御信号との対応関係を決定する対応関係決定部と、
   をさらに備え、
   前記対応関係決定部は、前記ゲイン特性取得部で取得した前記ラグリードフィルタの前記ゲイン特性と、前記ラグリードフィルタゲイン計算部が計算した前記設定周波数ごとの前記ターゲットゲインとに基づき、前記ラグリードフィルタのラグリードフィルタゲインが前記設定周波数ごとの前記ターゲットゲインになるような前記外部制御信号を計算して、前記設定周波数と前記外部制御信号との対応関係を決定する、
   請求項４に記載の発振器。
6. 前記ゲイン特性取得部は、前記外部制御信号に対する前記シャント抵抗の抵抗値を測定することにより、前記外部制御信号に対する前記ラグリードフィルタのゲイン特性を取得し、
   前記感度特性取得部は、前記電圧制御発振部の入力電圧に対する発振周波数を測定することにより、前記電圧制御発振部の入力電圧に対する前記電圧制御発振部の感度特性を取得する、
   請求項５に記載の発振器。
7. 前記対応関係決定部は、前記発振器の動作中に前記対応関係を決定する、
   請求項６に記載の発振器。
8. 前記ループフィルタは、前記外部制御信号により出力電流を調整するチャージポンプを有する、
   請求項２から請求項７までの何れか一項に記載の発振器。
9. 前記ループフィルタは、ステップアンプを有する、
   請求項１から請求項８までの何れか一項に記載の発振器。
10. 前記基準信号発生部と、前記位相比較部と、前記ループフィルタと、前記電圧制御発振部と、前記分周部とが、単一の半導体基板上に形成される、
    請求項１から請求項９までの何れか一項に記載の発振器。
11. 位相同期回路のループ帯域補正方法であって、
    基準周波数の基準信号を発生する段階と、
    前記基準信号とフィードバック信号との位相差に応じた電圧を出力する段階と、
    外部制御信号により、前記位相差に応じた電圧のゲインを調整する段階と、
    前記ゲインを調整する段階においてゲインが調整された調整信号に応じた周波数の出力信号を発振する段階と、
    前記出力信号を分周した分周信号を前記フィードバック信号としてフィードバックする段階と、
    を備える、位相同期回路のループ帯域補正方法。

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