JP2010166119A - Ｐｌｌ回路 - Google Patents

Abstract

【課題】温度変化により電圧制御発振器を制御する制御電圧に変動が発生しても位相同期回路のロックが外れることを最小限の電圧制御発振器により防止する位相同期回路を提供する。
【解決手段】発振周波数帯域の異なる複数の電圧制御発振器を備えるＰＬＬ回路であって、ループフィルタから出力される電圧制御発振器制御電圧の温度特性と正の相関関係にある基準電圧を出力する基準電圧源回路と、電圧制御発振器制御電圧と基準電圧とを比較して判定する判定回路と、判定回路の出力信号により複数の電圧制御発振器から１つの電圧制御発振器を選択する選択回路と、を備えるＰＬＬ回路である。
【選択図】図１

Description

本発明は、発振周波数帯域の異なる複数の電圧制御発振器（以下、ＶＣＯ：Voltage Controlled Oscillator）を備えるＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路の技術に関する。

従来、広い周波数範囲の信号を受信するチューナでは、周波数範囲をカバーするために発振周波数帯域の異なる複数のＶＣＯを切り替えて使用しており、判定回路・ＶＣＯ選択回路を用いて最適なＶＣＯを決めている。

しかしながら、適切なＶＣＯを選択後に、温度変動が起きた場合にＶＣＯを制御するための制御電圧が変移して、ＰＬＬ回路のロックが外れてしまうことがある。このような場合は改めて判定回路・ＶＣＯ選択回路を再起動してＶＣＯを選択しなおす必要が生ずる。

特許文献１によれば、集積回路に内蔵するすべてのＶＣＯについて発振周波数可変範囲のばらつきを同一方向にする。そして、各ＶＣＯの発振周波数可変範囲が、ばらつくか否かにかかわらずカバーする範囲に、ばらついた場合の分を加え、ＶＣＯの発振周波数可変範囲同士が連続するように各発振周波数可変範囲を設定する。上記のように、少ない個数のＶＣＯで広い周波数範囲をカバーできるようにした、複数のＶＣＯを内蔵した集積回路を小型化する提案がされている。

特許文献２によれば、基準電圧に基づいて電源を監視し、電源電圧が検出電圧になると検出信号を出力する。そして、低い電源電圧でも高精度な基準電圧を発生できると共に、回路の安定した起動を実現できるＣＭＯＳ基準電圧発生回路、電源監視回路が提案されている。

特許第３７９５３６４号公報 特開２００３−１７３２１２号公報

上記のような実情に鑑みてなされたものであり、ＶＣＯ制御電圧の温度特性に対して正の相関を有するように基準電圧を変動させて、この基準電圧に基づいて一つのＶＣＯが広い発振周波数範囲をカバーすることで、最小限のＶＣＯにより構成されるＰＬＬ回路を提供することを目的とする。

態様のひとつである発振周波数帯域の異なる複数のＶＣＯを備えるＰＬＬ回路は、基準電圧源回路、判定回路、ＶＣＯ選択回路を備えている。
基準電圧源回路は、ループフィルタから出力されるＶＣＯ制御電圧の温度特性と正の相関関係にある基準電圧を出力する。判定回路は、上記ＶＣＯ制御電圧と上記基準電圧とを比較して判定する。選択回路は、上記判定回路の出力信号により上記複数の電圧制御発振器から１つの電圧制御発振器を選択する。

また、上記判定回路は、所望の電圧範囲であるかを判定し、上記電圧範囲外のときは上記ＶＣＯを切り替える判定をする。
また、上記基準電圧源回路は、正の温度特性を有する回路または素子を用い、上記基準電圧を生成する。

上記判定回路は、上記電圧範囲内であるか判定するとき、上記ＶＣＯ制御電圧と基準電圧源回路より生成される電圧とを比較して最適なＶＣＯに切り替える判定をする。

ＶＣＯ制御電圧の温度特性に対して正の相関を有するように基準電圧を変動させて、この基準電圧に基づいて一つのＶＣＯが広い発振周波数範囲をカバーすることで、最小限のＶＣＯによりＰＬＬ回路を構成することができる。また、ＰＬＬ回路のロックが外れ難くなるため、判定回路・ＶＣＯ選択回路を再起動してＶＣＯを選択しなおすことが不要となる。

実施の形態のＰＬＬ回路の構成を示すブロック図である。 基準電圧源回路の構成を示すブロック図である。 基準電圧源回路の基準電圧の温度特性を示す図である。 Ａは判定回路の動作を示すフロー図である。Ｂは判定回路のＶＣＯを選択するブロックを示す図である。 Ａ、Ｃ、Ｅは低温時にＶＣＯの選択をし、その後温度が高温に変動したときの図である。Ｂ、Ｄ、Ｆは高温時にＶＣＯの選択をし、その後温度が低温に変動したときの図である。

以下図面に基づいて、本発明の実施形態について詳細を説明する。
図１は、実施の形態のＰＬＬ回路の構成を示すブロック図である。
このＰＬＬ回路１は、例えば、テレビやラジオに備えられるチューナ機能を有する半導体集積回路に搭載される。ＰＬＬ回路１は、ＶＣＯ２ａ〜２ｎ、ＶＣＯ選択回路３、判定回路４、基準電圧源回路５、インタフェース回路６、プログラマブル分周器８、基準クロック発生器９、ループフィルタ１０、チャージポンプ１１、位相比較器１２、基準クロック分周器１３を備えている。ＰＬＬ回路１は、発振周波数帯域の異なる複数のＶＣＯ２ａ〜２ｎの中から、受信したい放送局の周波数に適した周波数帯域のＶＣＯを選択するための回路である。

なお、図１において、半導体集積回路の外部に設けられた制御部７（プロセッサ）は、利用者が受信を希望する放送局の周波数に対応する分周データ（プログラマブル分周器８の分周比を指定するデータ）を、半導体集積回路のインタフェース回路６に出力する。

ＶＣＯ２ａ〜２ｎは、それぞれ発振周波数帯域の異なる複数の電圧制御発振器であり、これらのＶＣＯ２ａ〜２ｎの発振信号の内の１つがＶＣＯ選択回路３により選択されプログラマブル分周器８および図示しない他の回路に出力される。

基準電圧源回路５は、ＶＣＯ２ａ〜２ｎの発振周波数を制御するＶＣＯ制御電圧（以後ＶＴと呼ぶ）の温度特性と相関がある基準電圧を生成する。その基準電圧に基づいてＶＣＯ２ａ〜２ｎを切り替える際に用いる判定回路の閾値電圧を生成する（図３に示す上限値Ｂ、下限値Ｂ）。なお、基準電圧源回路５は、不図示のＰＬＬ回路１以外の回路にも電圧を供給する。

判定回路４は、ＶＴが基準電圧の温度特性により決定される電圧範囲Ｂ（図３に示す上限値Ｂと下限値Ｂの電圧範囲）内であるか判定する。電圧範囲Ｂ外のとき、現在選択されているＶＣＯから他のＶＣＯに切り替えるための判定をする。その判定結果に基づいて複数のＶＣＯ２ａ〜２ｎの内の１つを選択するＶＣＯ選択信号をＶＣＯ選択回路３に出力する。

ＶＣＯ選択回路３は、判定回路４の判定結果に基づいてＶＣＯ２ａ〜２ｎを選択する。
インタフェース回路６は、制御部７から受信した分周データをプログラマブル分周器８に出力する。

プログラマブル分周器８は、ＶＣＯ選択回路３から出力される発振信号を、分周データで指定される分周比で分周して位相比較器１２に出力する。ここで、プログラマブル分周器８の分周比は、ＶＣＯ２ａ〜２ｎの発振周波数と、ＰＬＬ回路１の比較周波数（クロック信号の周波数）から決めることができる。

なお、プログラマブル分周器８の前段に別の分周器を設け、ＶＣＯ選択回路３から出力される発振信号をその分周器で分周した後、プログラマブル分周器８でさらに分周しても良い。分周器を複数段使用することで、発振周波数が高い場合でもプログラマブル分周器８の分周比をそれほど大きくせずに対応できる。

基準クロック発生器９は、水晶振動子等から基準クロック信号を生成する回路である。基準クロック分周器１３は、基準クロック発生器９から出力される基準クロック信号を、予め定められた分周比で分周して特定の周波数のクロック信号を位相比較器１２に出力する。

ループフィルタ１０は、チャージポンプ１１の出力電流を平滑してＶＣＯ２ａ〜２ｎの発振周波数を制御する周波数制御電圧として出力する。
チャージポンプ１１は、位相比較器１２から出力されるアップ信号またはダウン信号に従って、電源側または接地側（または負電位側）のトランジスタをオンしてループフィルタ１０のキャパシタの充電または放電を行う。

位相比較器１２は、プログラマブル分周器８の出力信号と、基準クロック分周器１３から出力されるクロック信号の位相を比較し、位相差に応じた信号をチャージポンプ１１に出力する。

基準クロック分周器１３は、基準クロック発生器９から出力される基準クロック信号を、予め定められた分周比で分周して特定の周波数のクロック信号を位相比較器１２に出力する。
（基準電圧源回路）
図２は基準電圧源回路５の構成を示す図である。

基準電圧源回路５は、基準電流源回路２０、基準電圧生成部２１、共通基準電圧生成部２２、閾値生成回路２４を備えている。
基準電流源回路２０は一般的な電流源であり、例えば、図２に示すようにトランジスタＱ１〜Ｑ６、抵抗Ｒ１から構成される回路である。

基準電圧生成部２１は、トランジスタＱ７が基準電流源回路２０からの電流を、トランジスタＱ７のドレインに接続される正の温度特性を有する回路または素子（図２の２３）に供給する。そして、ＶＴの温度特性と相関がある基準電圧（ＶＴｒｅｆ）を生成する。

なお、正の温度特性を有する回路または素子として、例えば抵抗などを用いる回路または素子が考えられるが限定するものではない。
閾値生成回路２４は、その基準電圧に基づいてＶＣＯ２ａ〜２ｎを切り替えるための閾値電圧を生成する（図３に示す上限値Ｂ、下限値Ｂ）。閾値電圧である上限値Ｂ、下限値Ｂは例えば抵抗により分圧することなどで生成する。

上記のような構成の基準電圧源回路５を用いることにより、従来、温度特性をもたない基準電圧源回路より生成された閾値電圧（上限値Ａ’、下限値Ａ’）で決まる電圧範囲Ａ’（図３）よりも、広い電圧範囲Ｂを得ることができる。
（判定回路）
判定回路４は、電圧範囲Ｂ（図３）内であるか判定するとき、ＶＴと電圧範囲Ｂの上限値と下限値を比較する。上限値を上まわるときは発振周波数の高いＶＣＯに切り替える判定をし、下限値を下まわるときは発振周波数の低いＶＣＯに切り替える判定をする。

図４のＡ、Ｂを用いて判定回路４の動作を説明する。
図４のＡのステップＳ１では、受信周波数を設定してＶＣＯ２ａ〜２ｎの中から１を選択する。判定回路４は、例えば常温（例えば、２５℃）において、予め決められた放送局の周波数に適した周波数帯域のＶＣＯ２ｘ（ｘは整数）を選択する。ここで、ｎはＶＣＯの最大個数を示す整数である。

ステップＳ２では、ステップＳ１で設定したＶＣＯ２ａ〜２ｎの中から選択されたＶＣＯ２ｘを用いて、ＰＬＬ回路１を動作させて、一定の時間待つ。この一定時間の間に次のステップＳ３に示す判定を行う。

ステップＳ３では、ＶＴと上記基準電圧により決められた閾値電圧（上限値Ｂと下限値Ｂ）とを比較して、ＶＴ＜下限値Ｂであれば発振周波数が現在のＶＣＯ２ｘより低いＶＣＯ２ｘ−１を選択するステップＳ４に移行する。ＶＴ＞上限値Ｂであれば発振周波数が現在のＶＣＯ２ｘより高いＶＣＯ２ｘ＋１を選択するステップＳ５に移行する。ＶＴが下限値Ｂ≦ＶＴ≦上限値Ｂの条件を満たしていればステップＳ１で設定されたＶＣＯ２ｘのまま設定を終了する。また、ステップＳ３を繰り返して最終的にＶＴが下限値Ｂ≦ＶＴ≦上限値Ｂの条件を満たせば、該条件を満たしたＶＣＯを選択して設定を終了する。

例えば、図４のＢに示すような構成を用いて判定を行うことが考えられる。
コンパレータ４１は、ＶＴと上限値Ｂを比較して上限値Ｂを上まわれば「１」を出力するコンパレータである。コンパレータ４２は、ＶＴと下限値Ｂを比較して下限値Ｂを下まわれば「１」を出力するコンパレータである。

ＡＤＤ４３（加算器）は、コンパレータ４１の出力を受けて後段に接続されているカウンタ４５に「＋１」を出力する。ＳＵＢ４４（減算器）は、コンパレータ４２の出力を受けて後段に接続されているカウンタ４５に「−１」を出力する。

カウンタ４５は、ＡＤＤ４３またはＳＵＢ４４の出力信号を受信して、現在のカウント値を加減させる。例えば、現在ＶＣＯ２ｘが選択されているとすると、カウンタにはｘ（ｘは整数）が設定され、ＶＴが上限値Ｂを上まわればｘ＋１の演算がされ、ＶＴが下限値Ｂを下まわればｘ−１の演算がされる。

ステップＳ４では、発振周波数が一段低いＶＣＯを選択する。また、ステップＳ５では発振周波数が一段高いＶＣＯを選択する。
図４のＢに示したように、テーブル４６（記録部）の「ＶＣＯ」に記録されている値（ａ〜ｎ：整数）の中で、カウンタ４５の示すカウント値と同じ値を選択する。そして、選択した「ＶＣＯ」に対応して記録されている「出力」を選択して、ＶＣＯ選択回路３にＶＣＯ選択信号として出力する。例えば、出力はＶＣＯの個数に対応したビット数を用意し、ａ〜ｎに対応する整数を２進数で表してもよい。図４のＢではａ〜ｎに対応する出力「００・・・０」〜「０１・・・１」「１１・・・１」をテーブル４６に記録している。

ＶＣＯ選択信号を受信したＶＣＯ選択回路３は、ＶＣＯ２ｘに対応するＶＣＯ選択信号を受信すればＶＣＯ２ｘを選択する経路に切り替えを行う。
ＶＴの温度変動と正の相関関係のある基準電圧に基づいて生成される上限値Ｂと下限値Ｂを用いて、ＶＣＯ２ａ〜２ｎの切り替えを行うことにより、温度変動が生じた場合でもＰＬＬ回路１の同期が外れにくくなるため、ＶＣＯ２ａ〜２ｎの個数を従来に比べて少なくできる。

図５のＡ、Ｂは温度変動を考慮しない場合のＶＣＯの発振周波数とＶＴの温度特性を示す図である（一般的なＶＣＯの温度特性）。図５のＣ、Ｄは温度変動を考慮して上限値と下限値の間を狭くした場合のＶＣＯの発振周波数とＶＴの温度特性を示す図である。図５のＥ、Ｆは温度変動を考慮するとともに上限値と下限値の間を広くした場合のＶＣＯの発振周波数とＶＴの温度特性を示す図である。

図５のＡ、Ｃ、Ｅは低温時にＶＣＯの選択をし、その後温度が高温に変動したときの図である。図５のＢ、Ｄ，Ｆは高温時にＶＣＯの選択をし、その後温度が低温に変動したときの図である。なお、図５のＡ〜Ｆの縦軸はＶＣＯの発振周波数を示し、横軸はＶＣＯ制御電圧ＶＴを示す。

図５のＡの場合、温度特性をもたない基準電圧源回路を用いたため、高温になったとき上限値Ａ（ＶＴが約１．７５Ｖ）が同期限界値であるＶＴ限界値Ｄ（上限：約２．７５Ｖ）の範囲を上まわり（図５のＡの丸：ＮＧ）、ＰＬＬ回路１で同期がとれなくなってしまうことを示している。図５のＢの場合、低温になったとき下限値Ａ（ＶＴが約０．７５Ｖ）が同期限界値であるＶＴ限界値Ｃ（下限：約０．２５Ｖ）の範囲を下まわり（図５のＢの丸：ＮＧ）、ＶＣＯの発振周波数範囲を超えてしまうことを示している。

そこで、図５のＣ、Ｄに示すように温度変動があっても上限値Ａ’（ＶＴが約１．５０Ｖ）、下限値Ａ’（ＶＴが約１．００Ｖ）で示される電圧範囲を狭く設定して、ＶＴ限界値ＤとＶＴ限界値Ｃから外れないようにする。しかし、上限値Ａ’、下限値Ａ’で示される電圧範囲を狭く設定した場合には、ＶＣＯ一つでカバーできる周波数範囲が狭くなるため、ＶＣＯの個数を多くしなければならない。

しかし、上記説明した基準電圧源回路５、判定回路４、ＶＣＯ選択回路３を用いることにより、図５のＥ、Ｆに示すように上限値Ｂ（ＶＴが約１．５０Ｖ〜１．７５）と下限値Ｂ（ＶＴが約０．７５Ｖ〜１．００）により決まる電圧範囲を上限値Ａ’、下限値Ａ’により決まる電圧範囲より広くすることができる。

つまり、温度変化により電圧制御発振器を制御する制御電圧に変動が発生しても、基準電圧回路の生成する上限値と下限値が電圧制御発振器制御電圧に相関して変動するため上限値と下限値により決定される電圧範囲を広くできる。そして、電圧範囲を広くしたことにより電圧制御発振器が広い発振周波数範囲をカバーすることで、最小限の電圧制御発振器によりＰＬＬ回路を構成することができる。

さらに、ＶＣＯの個数を削減することにより回路の搭載面積、テスト時間などを縮小することができる。
また、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。

１ ＰＬＬ回路、
２ａ〜２ｎ 電圧制御発振器（ＶＣＯ）、
３ ＶＣＯ選択回路、
４ 判定回路、
５ 基準電圧源回路、
６ インタフェース回路、
７ 制御部、
８ プログラマブル分周器、
９ 基準クロック発生器、
１０ ループフィルタ、
１１ チャージポンプ、
１２ 位相比較器、
１３ 基準クロック分周器、
２０ 基準電流源回路、
２１ 基準電圧生成部、
２２ 共通基準電圧生成部、
２３ 回路または素子、
２４ 閾値生成回路、
４１、４２ コンパレータ、
４３ ＡＤＤ（加算器）、
４４ ＳＵＢ（減算器）、
４５ カウンタ、
４６ テーブル（記録部）

Claims (4)

1. 発振周波数帯域の異なる複数の電圧制御発振器を備えるＰＬＬ回路であって、
   ループフィルタから出力される電圧制御発振器制御電圧の温度特性と正の相関関係にある基準電圧を出力する基準電圧源回路と、
   前記電圧制御発振器制御電圧と前記基準電圧とを比較して判定する判定回路と、
   前記判定回路の出力信号により前記複数の電圧制御発振器から１つの電圧制御発振器を選択する選択回路と、
   を備えることを特徴とするＰＬＬ回路。
2. 前記判定回路は、前記電圧制御発振器制御電圧が前記基準電圧に基づいて閾値生成回路により生成される上限値なる電圧と下限値なる電圧により決定される電圧範囲内であるかを判定し、前記電圧範囲外のときは前記電圧制御発振器を切り替える判定をすることを特徴とする請求項１に記載のＰＬＬ回路。
3. 前記基準電圧源回路は、
   正の温度特性を有する回路または素子を用い、前記基準電圧を生成することを特徴とする請求項１に記載のＰＬＬ回路。
4. 前記判定回路は、
   前記電圧制御発振器制御電圧が前記電圧範囲内であるかどうかを判定し、前記上限値を上まわるときは発振周波数の高い電圧制御発振器に切り替える判定をし、前記下限値を下まわるときは発振周波数の低い電圧制御発振器に切り替える判定をすることを特徴とする請求項２に記載のＰＬＬ回路。