JP2012129643A - Clock frequency control circuit and clock frequency control method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、クロック周波数制御回路及びクロック周波数制御方法に係り、特に、PLL(Phase Locked Loop)回路において基準周波数を微少にずらして調整するクロック周波数制御回路及びクロック周波数制御方法に関する。 The present invention relates to a clock frequency control circuit and a clock frequency control method, and more particularly, to a clock frequency control circuit and a clock frequency control method for adjusting a reference frequency slightly shifted in a PLL (Phase Locked Loop) circuit.
従来のPLL回路は、図17に示すように、M分周器1、位相比較回路2、ローパスフィルタ3、電圧制御発振器4、プログラマブルカウンタ5から構成される。
As shown in FIG. 17, the conventional PLL circuit includes an
同図に示すPLL回路の位相比較回路2において、基準周波数fRの信号をM分周したものと電圧制御発振器4の出力周波数f0をN分周したものを位相比較し、ローパスフィルタ3で平滑化した後に電圧制御発振器4へ帰還する。PLLが位相同期した状態の基準周波数fRとPLLの出力周波数f0との関係は、
f0=N/M・fR (1)
で示される(例えば、特許文献1参照)。従来技術においては微少な周波数変化、例えばfR=10GHz(10の10乗Hz)としたときに1Hzシフトした周波数を生成しようとすると、N=10の10乗、M=10の10乗+1となり非常に分周比の大きい分周回路が必要になった。さらに比較周波数が低いため位相雑音が増加し位相安定度が低下するという問題があった(例えば、非特許文献1参照)。また先行技術文献には比較周波数を逓倍して高い周波数で位相比較を行う構成が示されているが、電圧制御発振器の出力を一旦分周した後に逓倍する上、基準周波数を高周波化する必要があり回路規模や消費電力が増大する、という問題があった。
In the
f 0 = N / M · f R (1)
(For example, refer to Patent Document 1). In the prior art, if it is attempted to generate a frequency shifted by 1 Hz when fR = 10 GHz (10 to the 10th power Hz), for example, N = 10 to the 10th power and M = 10 to the 10th power + 1. In addition, a frequency dividing circuit having a large frequency dividing ratio is required. Furthermore, since the comparison frequency is low, there is a problem that phase noise increases and phase stability decreases (for example, see Non-Patent Document 1). The prior art document shows a configuration in which the comparison frequency is multiplied and phase comparison is performed at a high frequency. However, it is necessary to divide the output of the voltage controlled oscillator once and then multiply it, and to increase the reference frequency. There was a problem that the circuit scale and power consumption increased.
上記のように、PLL回路において周波数を微少に制御するためには分周比を細かくする必要があり、回路規模や消費電力が増大するという問題があった。さらに分周して位相比較する周波数を低くすれば低くするほど位相雑音が増加するという問題があった。 As described above, in order to finely control the frequency in the PLL circuit, it is necessary to make the frequency division ratio fine, and there is a problem that the circuit scale and power consumption increase. Furthermore, there is a problem that the phase noise increases as the frequency for dividing and phase comparison is lowered.
本発明は、上記の点に鑑みなされたもので、信号の分周比を比較的少なくし、また位相雑音の増加も抑圧した上で微少に周波数変化した信号を生成することが可能なクロック周波数制御回路及びクロック周波数制御方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and a clock frequency capable of generating a signal with a slight frequency change while suppressing the increase in phase noise with a relatively small signal division ratio. It is an object to provide a control circuit and a clock frequency control method.
上記の課題を解決するため、本発明は、基準周波数を微少にずらして調整する周波数制御回路であって、
入力される電圧に応じて出力周波数が変化する電圧制御発振器と、
前記電圧制御発振器の出力を分周する第1の分周回路と、
外部から入力される基準周波数を分周する第2の分周回路と、
前記第1の分周回路と前記第2の分周回路との出力の位相に応じたパルスを出力する位相比較器と、
前記位相比較器の出力から低周波成分を抽出し、前記電圧制御発生器に入力するローパスフィルタとを有し、
前記電圧制御発振器に入力される信号に所定の電圧を加減することにより出力周波数を制御する相関手段を有する。
In order to solve the above problems, the present invention is a frequency control circuit that adjusts a reference frequency by slightly shifting,
A voltage-controlled oscillator whose output frequency changes according to the input voltage;
A first frequency divider that divides the output of the voltage controlled oscillator;
A second frequency divider that divides the reference frequency input from the outside;
A phase comparator that outputs a pulse corresponding to the phase of the output of the first frequency divider circuit and the second frequency divider circuit;
A low-pass filter that extracts a low-frequency component from the output of the phase comparator and inputs it to the voltage control generator;
Correlation means for controlling an output frequency by adding or subtracting a predetermined voltage to a signal input to the voltage controlled oscillator.
上記のように、本発明では、小さい分周比で微少な周波数変化を生じさせることが可能なことから回路規模や消費電力を削減することができる。また分周比を比較的小さくできることから位相雑音の増加をある程度抑えることができる。 As described above, according to the present invention, a small frequency change can be generated with a small frequency division ratio, so that the circuit scale and power consumption can be reduced. Further, since the frequency division ratio can be made relatively small, an increase in phase noise can be suppressed to some extent.
以下図面と共に、本発明の実施の形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[第1の実施の形態]
図1は、本発明の第1の実施の形態における周波数制御PLL回路の構成を示す。
[First embodiment]
FIG. 1 shows a configuration of a frequency control PLL circuit according to the first embodiment of the present invention.
同図に示すように、本実施の形態における周波数制御PLL回路は、プログラマブルカウンタ(M分周器)10、位相比較回路20、ローパスフィルタ30、電圧制御発振器40、相関回路50、プログラマブル回路(N分周器)60から構成される。
As shown in the figure, the frequency control PLL circuit in this embodiment includes a programmable counter (M frequency divider) 10, a
同図に示されるように、基準周波数fR信号は分岐され、一方はプログラマブルカウンタ(M分周器)10に一方は相関回路50に送られる。M分周器10の出力は位相比較器20に入力される。一方、電圧制御発振器40の出力は分岐されプログラマブルカウンタ(N分周器)60へ入力された後、相関回路50において基準周波数信号とN分周器出力信号間で相関処理が行われた後、位相比較器20に入力される。位相比較器20においてはM分周器10の出力と相関回路50の出力との間で位相比較が行われ、出力信号がローパスフィルタ30で平滑化された後、電圧制御発振器40に入力される。
As shown in the figure, the reference frequency fR signal is branched, one being sent to the programmable counter (M frequency divider) 10 and the other being sent to the
本回路において基準周波数fRに対する周波数シフト量は、M、Nの値および相関回路50の出力の動作によって決定される。
In this circuit, the frequency shift amount with respect to the reference frequency fR is determined by the values of M and N and the operation of the output of the
相関回路50の動作は電圧制御発振器に対する制御電圧を上げるか下げるかによって2つの動作モードがある。どちらのモードで動作させるかの決定は電圧制御発振器40の出力周波数の入力電圧特性に依存するが、ここでは入力電圧が増えると出力周波数が上昇するものとして説明する。図2を用いて、制御電圧を上げる(出力周波数を上げる)場合の相関回路の動作について説明する。相関回路50に入力された基準周波数信号を元に離散パルス信号が生成される。離散パルス信号とはNクロック毎に1個のパルスの"1"を残し、その他の"1"の部分を"0"化したパルスである。どの程度の間隔で"1"を残すかは、シフトする周波数量に依存するが、詳細は後述する。生成した離散パルス信号はもう一方の入力信号であるプログラマブルカウンタ(N分周器)60出力との間で相関信号が生成される。ここでの相関とは具体的にはプログラマブルカウンタ(N分周器)60出力の"0"符号の部分と、離散パルス信号との論理和(OR)が生成される。相関処理の結果はプログラマブルカウンタ(N分周器)60の出力信号に対して、離散パルス信号の"1"に相当する分の電圧が加算されたことになる。
The operation of the
次に図3を用いて相関回路50の出力が電圧制御発振器40にフィードバックされるまでを説明する。相関処理後の信号は位相比較器20(例えばEX-OR回路)に入力されるが、相関回路50においてパルスが加算されるため、位相比較器20の出力も加算されたパルスの分だけ出力信号の電圧が増加する。位相比較器20の出力は次段のローパスフィルタ30で高周波成分は抑圧され直流成分に平滑化されるが、加算されたパルス分の直流成分(図3中のΔvに相当)はそのまま残るので、電圧制御発振器40に印加される電圧が増加し、よって出力周波数が上昇する。
Next, the process until the output of the
次に図4を用いて、制御電圧を下げる(出力周波数を下げる)場合の相関回路の動作について説明する。制御電圧を下げる動作モードにおいては、上げる場合に比べて"1"と"0"が反転した離散パルスが生成される。さらにこのモードでの相関処理はプログラマブルカウンタ(N分周器)60出力の"1"符号の部分と、離散パルス信号との否定論理和(NOR)が生成される。相関処理の結果はプログラマブルカウンタ(N分周器)60の出力信号に対して、離散パルス信号の"0"に相当する分の電圧が減算されたことになる。 Next, the operation of the correlation circuit when lowering the control voltage (lowering the output frequency) will be described with reference to FIG. In the operation mode in which the control voltage is lowered, discrete pulses in which “1” and “0” are inverted as compared with the case where the control voltage is raised are generated. Further, the correlation processing in this mode generates a negative logical sum (NOR) of the “1” sign portion of the output of the programmable counter (N frequency divider) 60 and the discrete pulse signal. As a result of the correlation processing, a voltage corresponding to “0” of the discrete pulse signal is subtracted from the output signal of the programmable counter (N frequency divider) 60.
次に図5を用いて相関回路50の出力が電圧制御発振器40にフィードバックされるまでを説明する。相関処理後の信号は位相比較器(例えばEX-OR回路)20に入力されるが、相関回路50においてパルスが減算されるため、位相比較器20の出力も減算されたパルスの分だけ出力信号の電圧が減少する。位相比較器20の出力は次段のローパスフィルタで30高周波成分は抑圧され直流成分に平滑化されるが、減算されたパルス分の直流成分が減るので、電圧制御発振器40に印加される電圧が低下し、よって出力周波数が低下する。
Next, the process until the output of the
実際に周波数制御の数値例を図6を用いて説明する。図6は周波数を上昇させる場合の例である。基準周波数fRを9.95328GHz、分周比N=M=16、パルスの電圧として"0"レベルが0(V)、"1"レベルが3.3(V)、電圧制御発振器の変換利得kv=5000rad/s/Vとする。また離散パルスは16クロック毎に1ビットの"1"パルスを生成するものとする。基準周波数1クロックあたりの時間幅は約0.1nsであるから、1/16分周クロックの時間幅は0.1×16=1.6ns、離散パルスの"1"ビットのパルス幅は0.1/2=0.05nsとなる。離散パルスの相加によって、3.3V×0.05ns/1.6ns=0.103Vの直流成分が増加する。この増加分が周波数の上昇を見積もると、ΔV×kv×2π=0.103×5000×2π=約3200Hz上昇させることができる。 A numerical example of frequency control will be described with reference to FIG. FIG. 6 shows an example of increasing the frequency. Reference frequency fR is 9.95328 GHz, frequency division ratio N = M = 16, pulse voltage “0” level is 0 (V), “1” level is 3.3 (V), conversion gain of voltage controlled oscillator kv = 5000 rad / s / V. As for the discrete pulse, a 1-bit “1” pulse is generated every 16 clocks. Since the time width per clock of the reference frequency is about 0.1 ns, the time width of 1/16 divided clock is 0.1 × 16 = 1.6 ns, and the pulse width of “1” bit of discrete pulse is 0.1 / 2 = 0.05 ns It becomes. The DC component of 3.3V × 0.05ns / 1.6ns = 0.103V increases due to the addition of discrete pulses. If the increase is estimated to increase the frequency, ΔV × kv × 2π = 0.103 × 5000 × 2π = about 3200 Hz can be increased.
周波数を低下させる場合の例を図7を用いて説明する。図6の例と比較すると、相関回路50の出力の直流成分が、0.103V減少するので、電圧制御発振器の出力周波数はΔv×kv×2π=0.103×5000×2π=約3200Hz低下させることができる。
An example of reducing the frequency will be described with reference to FIG. Compared with the example of FIG. 6, the DC component of the output of the
また相関パルスを作成する際には上昇(もしくは低下)させたい周波数に応じた直流電圧成分だけ相関信号に反映させればよいので、図8および図9に示した様に周波数を上昇させる場合にはN分周クロック信号の"0"の少なくとも一部と基準周波数信号の"1"の少なくとも一部の相関(OR)がとれていれば良く、周波数を低下させる場合にはN分周クロック信号の"1"の少なくとも一部と基準周波数信号の"0"の少なくとも一部の相関(NOR)がとれていれば良い。 Further, when creating a correlation pulse, only the DC voltage component corresponding to the frequency to be increased (or decreased) needs to be reflected in the correlation signal. Therefore, when the frequency is increased as shown in FIGS. It is sufficient that at least a part of “0” of the N-divided clock signal and at least a part of “1” of the reference frequency signal are correlated (OR). The correlation (NOR) of at least a part of “1” and at least a part of “0” of the reference frequency signal may be taken.
また周波数を1Hz変化させるためには、Δv=1Hz/5000/2π=0.000032(V)となり、分周比Nは3.3×0.05/0.1/0.000032=51563となり、これは9.95328GHzを51563分周し、離散パルスを51563クロック毎に1ビットの"1"パルス(パルス幅0.05ns)とすることで生成できる(分周比Mも51563)。従来の構成で1Hzの周波数変化を生じさせるためには、10の10乗分周しなければならないことと比較すると、分周数を大幅に減らすことができることから、回路規模を削減でき、位相雑音の増加も比較的抑えることができる。 In order to change the frequency by 1 Hz, Δv = 1 Hz / 5000 / 2π = 0.000032 (V), and the division ratio N is 3.3 × 0.05 / 0.1 / 0.000032 = 51563, which is obtained by dividing 9.95328 GHz by 51563, A discrete pulse can be generated by making a 1-bit "1" pulse (pulse width 0.05 ns) every 51563 clocks (frequency division ratio M is 51563). Compared with having to divide by 10 to produce a frequency change of 1 Hz in the conventional configuration, the number of divisions can be greatly reduced, so that the circuit scale can be reduced and phase noise can be reduced. The increase of can also be suppressed relatively.
[第2の実施の形態]
本実施の形態におけるPLL回路の構成は図1と同様である。
[Second Embodiment]
The configuration of the PLL circuit in this embodiment is the same as that in FIG.
図10及び図11を参照して、本発明に関わる第2の実施の形態を説明する。本例において回路ブロック構成は、第1の実施の形態と同じであるが、相関回路内での信号処理が異なる。具体的には第1の実施の形態では離散パルスを作成する際にNクロック毎に1個のパルスを残していたが、本実施の形態では、N×Lビット毎に1個のパルスを残すことが異なる。それにより第1の実施の形態1ではN分周クロックの各ビットで相関処理が行われていたものが、N分周クロックのL個おきに相関処理が行われることになる。相加もしくは減算されるパルスがL個おきになるため、平滑化された直流電圧成分の変化量も1/Lになることから、分周比Nに対してより微少な周波数変化が可能になる。第1の実施の形態と同じパラメータで1Hz周波数を変化させることを考えると、例えばN=64、L=38とすると、1/64クロックのパルス幅は3.2ns、基準クロックのパルス幅は0.05nsであるから、
3.3V×0.05ns/3.2ns/38=0.00135V
電圧が変化する。
With reference to FIGS. 10 and 11, a second embodiment according to the present invention will be described. In this example, the circuit block configuration is the same as that of the first embodiment, but the signal processing in the correlation circuit is different. Specifically, in the first embodiment, one pulse is left every N clocks when creating a discrete pulse, but in this embodiment, one pulse is left every N × L bits. That is different. As a result, in the first embodiment, the correlation processing is performed for each bit of the N-divided clock, but the correlation processing is performed for every L divided clocks. Since the number of pulses to be added or subtracted is every L, the amount of change in the smoothed DC voltage component is also 1 / L, so that a finer frequency change is possible with respect to the division ratio N. . Considering changing the 1 Hz frequency with the same parameters as in the first embodiment, for example, if N = 64 and L = 38, the pulse width of 1/64 clock is 3.2 ns, and the pulse width of the reference clock is 0.05 ns. Because
3.3V × 0.05ns / 3.2ns / 38 = 0.00135V
The voltage changes.
従って、
0.00135×5000/2π=1.07Hz
となり分周比が64程度で1Hzの周波数変化を実現することができる。
Therefore,
0.00135 × 5000 / 2π = 1.07Hz
Thus, a frequency change of 1 Hz can be realized with a frequency division ratio of about 64.
[第3の実施の形態]
本実施の形態におけるPLL回路の構成は図1と同様である。
[Third Embodiment]
The configuration of the PLL circuit in this embodiment is the same as that in FIG.
図12を参照して、本発明に関わる第3の実施の形態を説明する。第2の実施の形態においてN×Lビット毎に1個のパルスを残していたが、本実施の形態における相関回路50は一定の間隔に残すパルスの数を時間的に変化させることで周波数の変化を制御する。周波数シフト量に相当する電圧が、N×KビットあたりP個の離散パルスの相関処理した増減分に相当する時、最初からP個相当の離散パルスとの相関処理を行わず、N×Kビットあたりの個数を少しずつ増やしていく。たとえば1個、2個、・・・・P個のように1個ずつ増やすことによって、最初からP個の相関処理を行う場合に比べて最終目標とする周波数シフト量に向けてゆっくりと周波数を変化させることができる。
A third embodiment according to the present invention will be described with reference to FIG. In the second embodiment, one pulse is left for every N × L bits, but the
[第4の実施の形態]
図13は、本発明の第4の実施の形態における周波数制御PLL回路の構成を示す。同図において、図1と同一構成部分には同一符号を付す。
[Fourth embodiment]
FIG. 13 shows a configuration of a frequency control PLL circuit according to the fourth embodiment of the present invention. In the figure, the same components as those in FIG.
同図に示すPLL回路は、第1〜第3の実施の形態と比べて回路構成が異なる。具体的には相関回路50が位相比較回路20の後段に配置され、位相比較回路20の出力と基準クロックの離散パルスとの間で相関処理を行い、位相比較回路20の出力の直流成分を増減することによって周波数シフトを生じさせる。動作原理は第1〜第3の実施の形態において「N分周回路出力」を「位相比較回路出力」と読み替えることで説明することができる。
The PLL circuit shown in the figure is different in circuit configuration from the first to third embodiments. Specifically, the
[第5の実施の形態]
図14〜図16を参照して、第5の実施の形態を説明する。本実施の形態においては、第1〜第4の実施の形態の相関処理による周波数シフトの調整に加えて、ローパスフィルタ30の時定数を変化させることによって周波数の時間変化を制御する。図14は一般的にローパスフィルタ30として使われるラグリードフィルタである。ラグリードフィルタにおいて、カットオフ周波数fcは、
fc=1/(2πC(R1+R2))
で与えられる。従ってラグリードフィルタにおいて、容量Cの値を変化させることによってローパスフィルタ30の時定数を変えることができる。Cの値は、例えばバラクタダイオードを用いることによって電圧により変化させることができる。図15は抵抗R1=1.5kΩ、R2=260Ωとし、容量Cの値を変化させたときのローパスフィルタ30の周波数特性の計算結果を示している。容量値によってfcが変化するのでPLLの時定数が変わり、周波数の時間的変化を制御することができる。図15より、C値を増やしていくとfcが小さくなるので周波数変化がゆっくりになり、C値を小さくするとfcが大きくなるので周波数変化が急激になることが分かる。図16に示すようにローパスフィルタの時定数の制御を組み合わせることによって、周波数変化の時間的特性を自在に調整することができる。
[Fifth embodiment]
A fifth embodiment will be described with reference to FIGS. In the present embodiment, in addition to the frequency shift adjustment by the correlation processing of the first to fourth embodiments, the time change of the frequency is controlled by changing the time constant of the low-
fc = 1 / (2πC (R1 + R2))
Given in. Therefore, in the lag lead filter, the time constant of the low-
なお、本発明は、上記の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲内において、種々変更・応用が可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications and applications can be made within the scope of the claims.
1 M分周器
2 位相比較回路
3 ローパスフィルタ
4 電圧制御発振器
5 プログラマブルカウンタ(N)
10 プログラマブルカウンタ(M分周器)
20 位相比較回路
30 ローパスフィルタ
40 電圧制御発振器
50 相関回路
60 プログラマブルカウンタ(N分周器)
1
10 Programmable counter (M frequency divider)
20
Claims (6)
入力される電圧に応じて出力周波数が変化する電圧制御発振器と、
前記電圧制御発振器の出力を分周する第1の分周回路と、
外部から入力される基準周波数を分周する第2の分周回路と、
前記第1の分周回路と前記第2の分周回路との出力の位相に応じたパルスを出力する位相比較器と、
前記位相比較器の出力から低周波成分を抽出し、前記電圧制御発生器に入力するローパスフィルタと、を有し、
前記電圧制御発振器に入力される信号に所定の電圧を加減することにより出力周波数を制御することを特徴とする周波数制御回路。 A frequency control circuit that adjusts the reference frequency by slightly shifting,
A voltage-controlled oscillator whose output frequency changes according to the input voltage;
A first frequency divider that divides the output of the voltage controlled oscillator;
A second frequency divider that divides the reference frequency input from the outside;
A phase comparator that outputs a pulse corresponding to the phase of the output of the first frequency divider circuit and the second frequency divider circuit;
A low-pass filter that extracts a low-frequency component from the output of the phase comparator and inputs it to the voltage control generator;
A frequency control circuit for controlling an output frequency by adding or subtracting a predetermined voltage to a signal input to the voltage controlled oscillator.
請求項1記載の周波数制御回路。 2. The frequency control circuit according to claim 1, further comprising first correlation means for adjusting a voltage of an output signal of the phase comparator.
請求項1記載の周波数制御回路。 2. The frequency control circuit according to claim 1, further comprising second correlation means for adjusting the voltage of the output signal of the second frequency dividing circuit.
請求項1乃至3のいずれか1項に記載の周波数制御回路。 4. The frequency control circuit according to claim 1, further comprising a third correlator for controlling a time change of the output signal by changing a period for adjusting the output signal. 5.
請求項1乃至3のいずれか1項に記載の周波数制御回路。 4. The frequency control circuit according to claim 1, further comprising: a fourth correlation unit that controls a time change of the output frequency by changing a time constant of the low-pass filter.
基準周波数のパルス幅を一定の周期で変化させた離散パルス信号と、該基準周波数との位相を比較し、
前記一定の周期で変化させた離散パルス信号に、変化させたパルス幅に応じた電圧分だけ電圧を加減することにより出力周波数を制御する
ことを特徴とする周波数制御方法。 A frequency control method for adjusting the reference frequency by slightly shifting,
Compare the phase of the discrete pulse signal with the pulse width of the reference frequency changed at a constant period and the reference frequency,
A frequency control method characterized in that an output frequency is controlled by adding or subtracting a voltage by a voltage corresponding to a changed pulse width to a discrete pulse signal changed at a certain period.
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