JP2010233060A

JP2010233060A - Ｐｌｌ回路

Info

Publication number: JP2010233060A
Application number: JP2009079678A
Authority: JP
Inventors: Eiko Goto; 栄孝後藤
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2009-03-27
Filing date: 2009-03-27
Publication date: 2010-10-14

Abstract

【課題】ＶＣＯを切り替えて使用するＰＬＬ回路において、位相雑音を減らすことである。
【解決手段】複数のＶＣＯ２２ａ〜２２ｎの内の１つを選択する際に、選択可能な複数のＶＣＯ内で、発振周波数帯域の最も低いＶＣＯを選択する。これにより、位相雑音の小さいＶＣＯを使用することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のＶＣＯを有するＰＬＬ回路に関する。

テレビ等の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電圧制御発振器（ＶＣＯ：Voltage Controlled Oscillator）を切り替えて使用している。

特許文献１には、ＶＣＯの出力の周波数を分周した信号を出力する第１の分周器と、基準信号の周波数を分周する第２の分周器を有するＰＬＬ回路において、第１の分周器の出力と第２の分周器の出力の周波数誤差を検出し、その検出結果に応じてＶＣＯのキャパシタ又はインダクタの値を変化させることが記載されている。

発振回路の位相雑音は、以下のＬeesonの式で表すことができる。
Ｌｖ＝１０＊Ｌｏｇ（（Fｖ/（２＊Ｑ＊ｆ）)）²＊Ｆｎ＊ｋ＊Ｔ／Ｐｏ）
上記の式で、Ｌｖは位相雑音、Ｆｖは発振周波数、Ｑは共振回路のＱ値、ｆは離調周波数、Ｆｎは雑音指数、ｋはボルツマン係数、Ｔは温度、Ｐoは共振回路の消費電力を表している。

上記の式から共振回路のＱ値が大きいほど発振回路の位相雑音は小さくなる。

特開２００５−１６７７９５号公報

本発明の課題は、ＰＬＬ回路のＶＣＯの位相雑音を抑制することである。

本発明のＰＬＬ回路は、発振周波数帯域の異なる複数のＶＣＯと、位相比較器と、チャージポンプと、ループフィルタと、前記ループフィルタから出力される、前記ＶＣＯの発振周波数を制御する制御電圧が、第1の基準値より大きいか、前記第1の基準値より小さい第２の基準値未満か、前記第２の基準値以上でかつ前記第１の基準値以下か否かを判定し、前記制御電圧が、前記第１の基準値より大きいときには、現在の発振周波数帯域より一段上の発振周波数帯域を有するＶＣＯに切り替え、前記第２の基準値未満のときには、現在の発振周波数帯域より一段低い発振周波数帯域を有するＶＣＯに切り替え、前記第２の基準値以上でかつ前記第1の基準値以下のときには、現在の発振周波数帯域より一段低い発振周波数帯域を有するＶＣＯに切り替え、前記ＶＣＯを切り替えた後の前記制御電圧が前記第２の基準値未満か、前記第２の基準値以上で、かつ前記第１の基準値以下か否か判定し、前記制御電圧が、前記第２の基準値以上で、かつ前記第１の基準値以下のときには、発振周波数帯域が一段低いＶＣＯに切り替え、前記第２の基準値未満のときには、発振周波数帯域が一段高いＶＣＯに切り替えてＶＣＯ切り替え動作を終了するＶＣＯ選択回路とを備える。

この発明によれば、目的とする周波数を含むＶＣＯに切り替えるときに、所望の周波数制御電圧範囲を有し、発振周波数帯域の最も低いＶＣＯを選択することができる。これによりＰＬＬ回路の位相雑音を減らすことができる。

上記のＰＬＬ回路において、前記チャージポンプは、出力電流を可変することができる可変チャージポンプであり、前記ＶＣＯ選択回路は、前記ＶＣＯを切り替えるときに、前記可変チャージポンプの出力電流値をロック時より大きな値に切り替え、前記ＰＬＬ回路がロック状態となったとき、前記可変チャージポンプの出力電流値をロック時の値に戻す。

このように構成することで、ＰＬＬ回路のロックアップタイムを短縮できる。
上記のＰＬＬ回路において、前記ＰＬＬ回路は、外部から与えられる分周比を決めるデータに基づいて、前記複数のＶＣＯの内の選択されたＶＣＯの出力信号を所望の分周比で分周して前記位相比較器に出力するプログラマブル分周器を有し、前記ＶＣＯ選択回路は、分周比を決める前記データに基づいて前記複数のＶＣＯの内の１つを選択する。

このように構成することで、分周比を決めるデータに基づいて、好適な発振周波数帯域を有するＶＣＯを選択することができる。

本発明によれば、複数のＶＣＯを有するＰＬＬ回路において、目的とする周波数を含むＶＣＯに切り替えるときに、所望の周波数制御電圧範囲を有し、発振周波数帯域の最も低いＶＣＯを選択することができる。これによりＰＬＬ回路の位相雑音を減らすことができる。

第1の実施の形態のＰＬＬ回路の回路図である。図２（Ａ）は、発振周波数及びプログラマブル分周器のデータと周波数制御電圧の関係を示す図である。図２（Ｂ）は、プログラマブル分周器のデータとＶＣＯの対応関係を示す図である。ＰＬＬ回路の動作を示すフローチャートである。第２の実施の形態のＰＬＬ回路の回路図である。可変チャージポンプの回路図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について説明する。図１は、第1の実施の形態のＰＬＬ回路構成を示すブロック図である。
このＰＬＬ回路１１は、例えば、テレビチューナ用ＩＣに搭載され、発振周波数帯域の異なる複数のＶＣＯの中から、受信したい放送局の周波数に適した発振周波数帯域のＶＣＯを選択して使用する。

図１において、テレビチューナ用ＩＣの外部の制御部（プロセッサ）１２は、ユーザが受信を希望する放送局の周波数に対応するデータ（プログラマブル分周器１４の分周比を指定するデータ）を、テレビチューナ用ＩＣのインターフェイス回路１３に出力する。

インターフェイス回路１３は、制御部１２から受信したデータ（プログラマブル分周器１４のデータ）をプログラマブル分周器１４とＶＣＯ選択回路１５に出力する。
ＶＣＯ選択回路１５は、プログラマブル分周器１４のデータに基づいて複数のＶＣＯ２２ａ〜２２ｎの内の１つを選択するＶＣＯ選択信号を出力する。

プログラマブル分周器１４は、ＶＣＯ出力回路１６から出力される発振信号を、プログラマブル分周器１４のデータで指定される分周比で分周して位相比較器１７に出力する。
プログラマブル分周器１４の分周比は、ＶＣＯの発振周波数と、ＰＬＬ回路の比較周波数（クロック信号の周波数）から決めることができる。実施の形態では、位相比較器１７に入力するクロック信号の周波数は一定であるので、そのクロック信号の周波数とプログラマブル分周器１４のデータに基づいて、放送局の周波数に対して好適な発振周波数帯域を有するＶＣＯを予め決めておくことができる。従って、ＶＣＯ選択回路１５は、プログラマブル分周器１４のデータに基づいて、受信しようとする放送局の周波数を含む発振周波数帯域のＶＣＯを選択する信号を生成することができる。

なお、プログラマブル分周器１４の前段に別の分周器を設け、ＶＣＯ出力回路１６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１４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１４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１９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１８は、基準クロック発生器１９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１７に出力する。

位相比較器１７は、プログラマブル分周器１４の出力信号と、基準クロック分周器１８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２０に出力する。

チャージポンプ２０は、位相比較器１７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（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２１のキャパシタの充電または放電を行う。

ループフィルタ２１は、チャージポンプ２０の出力電流を平滑してＶＣＯ２２ａ〜２２ｎ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。
ＶＣＯ２２ａ〜２２ｎは、それぞれ発振周波数帯域の異なる電圧制御発振器であり、これらのＶＣＯ２２ａ〜２２ｎの発振信号の内の１つがＶＣＯ出力回路１６により選択されプログラマブル分周器１４及び図示しない他の回路に出力される。

上記のプログラマブル分周器１４、位相比較器１７、チャージポンプ２０、ループフィルタ２１、ＶＣＯ２２ａ〜２２ｎ等でＰＬＬ回路を構成している。
比較器２３は、ループフィルタ２１から出力されるアナログの周波数制御電圧と、基準電圧回路２４から出力されるアナログの基準電圧を比較して、アナログの周波数制御電圧をデジタル値に変換する。

図２（Ａ）は、ＶＣＯの発振周波数及びプログラマブル分周器１４のデータと周波数制御電圧の関係を示す図であり、図２（Ｂ）は、プログラマブル分周器１４のデータとＶＣＯの対応関係を示す図である。

図２（Ａ）の左側の図は、ＶＣＯの発振周波数と周波数制御電圧の関係を示し、右側の図は、プログラマブル分周器１４のデータＮ０〜Ｎ_ｎ−１と周波数制御電圧の関係を示している。

プログラマブル分周器１４のデータＮ、ＰＬＬ回路の比較周波数（クロック信号の周波数）ｆrefとすると、ＶＣＯの発振周波数ｆvcoは、以下の式で表せる。
ｆvco＝ｆref×Ｎ
ＰＬＬ回路の比較周波数ｆrefが一定であるとすると、上記の式から、受信する放送局の周波数が決まればプログラマブル分周器１４のデータＮの値が決まるので、プログラマブル分周器１４のデータＮと特定の発振周波数帯域を有するＶＣＯを対応付けることができる。

図２（Ａ）において、発振周波数帯域が最も低いＶＣＯをＶＣＯ０（図１のＶＣＯ２２ａに対応する）、発振周波数帯域が２番目に低いＶＣＯをＶＣＯ１（図１のＶＣＯ２２ｂに対応する）・・・発振周波数帯域が２番目に高いＶＣＯをＶＣＯ_ｎ−１（図１のＶＣＯ２２_ｎ−１に対応する）、発振周波数帯域が最も高いＶＣＯをＶＣＯｎ（図１のＶＣＯ２２ｎに対応する）とする。

例えば、発振周波数帯域が最も低いＶＣＯ０の周波数制御電圧が上限値である基準値Ａとほぼ等しくなるときのプログラマブル分周器１４のデータＮの値がＮ０、発振周波数帯域が２番目に低いＶＣＯ１の周波数制御電圧が基準値Ａとほぼ等しくなるときのプログラマブル分周器１４のデータＮの値がＮ１・・・発振周波数帯域が２番目に高いＶＣＯ_ｎ−１の周波数制御電圧が基準値Ａとほぼ等しくなるときのプログラマブル分周器１４のデータＮの値がＮ_ｎ−１である。

本実施の形態では、上記のプログラマブル分周器１４のデータＮの値Ｎ０〜Ｎ_ｎ−１用いて、図２（Ｂ）に示すプログラマブル分周器１４のデータＮの範囲と、そのとき選択するＶＣＯの対応関係を決めている。図２（Ａ）に示す例では、ＶＣＯの発振周波数帯域が各ＶＣＯで一部重複しているので、重複している周波数範囲などを考慮してプログラマブル分周器１４のデータＮの範囲を決めている。

次に、図１のＰＬＬ回路１１の動作を、図３のフローチャートを参照して説明する。
プログラマブル分周器１４に、受信する周波数に対応するデータ（プログラマブル分周器１４のデータ）をセットする（Ｓ１１）。

次に、ＶＣＯ選択回路１５は、プログラマブル分周器１４に設定する上記のデータに対応するＶＣＯを選択するＶＣＯ選択信号を出力する（Ｓ１２）。
次のステップＳ１３において、周波数制御電圧が安定するまで一定時間待つ。一定時間経過したなら、周波数制御電圧のデジタル値が、基準値Ａ（第１の基準値に相当）より大きいか、基準値Ｂ（第２の基準値に相当）より小さいか、それとも基準値Ｂ以上で、かつ基準値Ａ以下か否かを判定する（Ｓ１４）。基準値Ａと基準値Ｂは、基準値Ａ＞基準値Ｂの関係を有する。ステップＳ１４の機能は、例えば、周波数制御電圧と基準値Ａ、Ｂを比較して判定する比較回路又は判定回路等により実現できる。

ステップＳ１４において、周波数制御電圧のデジタル値が、基準値Ａより大きいと判定されたときには、ステップＳ１５に進み、現在のＶＣＯの発振周波数帯域より一段高い発振周波数帯域を有するＶＣＯを選択するＶＣＯ選択信号を出力する。その後、ステップＳ１３に戻る。

ステップＳ１４において、周波数制御電圧のデジタル値が、基準値Ｂ未満と判定されたときには、ステップＳ１６に進み、現在のＶＣＯの発振周波数帯域より一段低い発振周波数帯域を有するＶＣＯを選択するＶＣＯ選択信号を出力する。その後、ステップＳ１３に戻る。

ステップＳ１４において、周波数制御電圧のデジタル値が、基準値Ｂ以上で、かつ基準値Ａ以下と判定されたときには、ステップＳ１７に進み、現在のＶＣＯの発振周波数帯域より一段低い発振周波数帯域を有するＶＣＯを選択するＶＣＯ選択信号を出力する。

上記のステップＳ１５〜Ｓ１７の機能は、例えば、ステップＳ１４の判定結果に基づいて、複数のＶＣＯの内の１つを選択する選択信号を出力するセレクタ等の選択回路により実現できる。

ステップＳ１７の次にステップＳ１８に進み、周波数制御電圧が安定するまで一定時間まつ。一定時間経過したなら、ステップＳ１９に進み、周波数制御電圧のデジタル値が、基準値Ｂ以上で、かつ基準値Ａ以下か、それとも基準値Ｂ未満かを判定する。

ステップＳ１９において、周波数制御電圧のデジタル値が、基準値Ｂ以上で、かつ基準値Ａ以下と判定されたときには、ステップＳ１７に戻り、発振周波数が一段低いＶＣＯを選択する。

ステップＳ１９において、基準値Ａより大きいと判断されたときには、ステップＳ１３に戻り、一定時間待つ。
ステップＳ１９において、周波数制御電圧が基準値Ｂ未満と判定されたときには、ステップＳ２０に進み、発振周波数が一段高いＶＣＯを選択して、ＶＣＯの切り替え動作を終了する。ステップＳ２０の処理により、ＶＣＯを切り替えた結果、目的とする周波数範囲に対してそのＶＣＯの発振周波数帯域が低すぎる場合には、発振周波数帯域が１つ上のＶＣＯに変更することができる。ステップＳ１９及びＳ２０の機能は、例えば、比較回路又は判定回路、選択回路により実現できる。

上記のステップＳ１７〜Ｓ２０の処理により、発振周波数帯域のより低いＶＣＯに切り替えることができる。発振周波数帯域の低いＶＣＯは、インダクタの値が大きくなり、共振回路のＱ値が大きくなるので前述したLeesonの式から位相雑音を減らすことができる。

上述した第１の実施の形態は、発振周波数帯域の低いＶＣＯに切り替える際に、発振周波数帯域が一段低いＶＣＯに切り替え、ＶＣＯを切り替えた後の周波数制御電圧が、所定の範囲（例えば、基準値Ｂ以上で、基準値Ａ以下の範囲）に入るか否かを判定する。そして、周波数制御電圧が所定の範囲に入る場合には、さらに次に発振周波数帯域の低いＶＣＯに切り替える。このとき、周波数制御電圧が基準値Ｂ未満となったなら、１つ上の発振周波数帯域を有するＶＣＯに切り替えてＶＣＯの切り替え動作を終了する。上記のようなＶＣＯの切り替え制御を行うことで、目的とする周波数を含む所望の周波数範囲を有し、かつ発振周波数帯域が最も低いＶＣＯを選択することができる。発振周波数帯域が低いＶＣＯは共振回路のＱが大きいので、ＰＬＬ回路１１の位相雑音を減らすことができる。

次に、図４は、第２の実施の形態のＰＬＬ回路２５の回路図である。図４のＰＬＬ回路２５は、基本的には図１のＰＬＬ回路１１と同じであり、異なる点は、可変チャージポンプ２７を有する点である。以下の説明では、図１と同じブロックには同じ符号を付け、それらの説明は省略する。

図４において、ＶＣＯ選択回路２６は、外部の制御部１２から与えられるデータ（プログラマブル分周器１４の分周比を決めるデータ）に基づいて、複数のＶＣＯ２２ａ〜２２ｎの内の１つを選択するＶＣＯ選択信号と、ＶＣＯを切り替える際に、可変チャージポンプ２７の出力電流を通常（ロック時）より大きな値に変更する切替信号を出力する。

可変チャージポンプ２７は、位相比較器１７から出力されるアップ信号又はダウン信号に従って、ループフィルタ２１のキャパシタ（図示せず）を充電又は放電する電流を出力する。また、可変チャージポンプ２７は、ＶＣＯ選択回路２６から出力される切替信号に基づいて出力電流値を変化させる。

図５は、可変チャージポンプ２７の一例を示す図である。可変チャージポンプ２７は、正の電源ＶＤＤに接続される可変電流源３１と、ＭＯＳトランジスタ等で構成されるスイッチ３２、３３と、負電源ＶＳＳまたは接地に接続される可変電流源３４とを有する。

可変電流源３１、３４には、ＶＣＯ選択回路２６から電流の切替信号が与えられる。ＶＣＯ選択回路２６から、電流値をロック時より大きな値に変更する切替信号が与えられたときには、可変電流源３１、３４の出力電流が増加する。また、ＶＣＯ選択回路２６から、電流値を小さな値に変更する切替信号が与えられたときには、可変電流源３１、３４の電流が減少する。すなわち、可変チャージポンプ２７は、ＶＣＯを切替えるとき、ロック時より大きな電流を出力し、ＶＣＯを切り替えた後、ＰＬＬ回路２５がロック状態となると、ＶＣＯの切り替え時より小さな電流を出力する。

スイッチ３２、３３には、位相比較器１７からそれぞれアップ信号またはダウン信号が与えられる。アップ信号が与えられたときには、スイッチ３２がオン、スイッチ３３がオフ状態となり、可変電流源３１の出力電流がループフィルタ２１のキャパシタに供給される。他方、ダウン信号が与えられたときには、スイッチ３２がオフ、スイッチ３３がオン状態となり、ループフィルタ２１のキャパシタに蓄積された電荷が可変電流源３４を介して放出される。

上述した第２の実施の形態によれば、発振周波数帯域の低いＶＣＯに切り替える際に、目的とする周波数を含む所望の周波数範囲を有し、発振周波数帯域が最も低いＶＣＯを選択することができる。発振周波数帯域が低いＶＣＯは共振回路のＱ値が大きいので、ＰＬＬ回路２５の位相雑音を減らすことができる。

さらに、ＶＣＯを切り替える際に、可変チャージポンプ２７の出力電流を大きくすることでロックアップタイムを短縮することができる。
また、環境温度、その他の条件が変化して周波数制御電圧が変動した場合に、変動後の条件に適した発振周波数帯域を持つＶＣＯに切り替えることができる。

１１、２５ＰＬＬ回路
１４プログラマブル分周器
１５、２６ＶＣＯ選択回路
１７位相比較器
１８基準クロック分周器
１９基準クロック発生器
２０チャージポンプ
２１ループフィルタ
２２ａ〜２２ｎＶＣＯ
２７可変チャージポンプ

Claims

発振周波数帯域の異なる複数のＶＣＯと、
位相比較器と、
チャージポンプと、
ループフィルタと、
前記ループフィルタから出力される前記ＶＣＯの発振周波数を制御する制御電圧が、第1の基準値より大きいか、前記第1の基準値より小さい第２の基準値未満か、前記第２の基準値以上でかつ前記第１の基準値以下か否かを判定し、前記制御電圧が、前記第１の基準値より大きいときには現在の発振周波数帯域より一段上の発振周波数帯域を有するＶＣＯに切り替え、前記第２の基準値未満のときには現在の発振周波数帯域より一段低い発振周波数帯域を有するＶＣＯに切り替え、前記第２の基準値以上でかつ前記第1の基準値以下のときには、現在の発振周波数帯域より一段低い発振周波数帯域を有するＶＣＯに切り替え、前記ＶＣＯを切り替えた後の前記制御電圧が前記第２の基準値未満か、前記第２の基準値以上でかつ前記第１の基準値以下か否か判定し、前記制御電圧が、前記第２の基準値以上でかつ前記第１の基準値以下のときには発振周波数帯域が一段低いＶＣＯに切り替え、前記第２の基準値未満のときには、発振周波数帯域が一段高いＶＣＯに切り替えてＶＣＯ切り替え動作を終了するＶＣＯ選択回路と、を備えるＰＬＬ回路。
前記チャージポンプは、出力電流を可変することができる可変チャージポンプであり、
前記ＶＣＯ選択回路は、前記ＶＣＯを切り替えるときに、前記可変チャージポンプの出力電流値をロック時より大きな値に切り替え、前記ＰＬＬ回路がロック状態となったとき、前記可変チャージポンプの出力電流値をロック時の値に戻す請求項１記載のＰＬＬ回路。
前記ＰＬＬ回路は、外部から与えられる分周比を決めるデータに基づいて、前記複数のＶＣＯの内の選択されたＶＣＯの出力信号を所望の分周比で分周して前記位相比較器に出力するプログラマブル分周器を有し、
前記ＶＣＯ選択回路は、分周比を決める前記データに基づいて前記複数のＶＣＯの内の１つを選択する請求項１又は２記載のＰＬＬ回路。