JP2012199761A

JP2012199761A - 位相同期回路およびその制御方法

Info

Publication number: JP2012199761A
Application number: JP2011062310A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kodama; 浩志兒玉
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2011-03-22
Filing date: 2011-03-22
Publication date: 2012-10-18

Abstract

【課題】ばらつき条件（温度、電源電圧、経年変化等）下の安定動作を補償しかつ低ゲインの電圧−周波数特性を実現できる位相同期回路を提供する。
【解決手段】バラクタアレイを有するＶＣＯ１０１と、ＶＣＯ１０１の特性をモニターするモニター回路１０２と、モニター結果に応じてバラクタアレイに供給するオフセット量を切り替えるオフセット発生回路１０３とを備える。ばらつき条件下のＶＣＯの特性をモニターした結果からバラクタアレイのオフセット量を調整することで、位相同期回路の動作不良を防ぐ。
【選択図】図１

Description

本発明は、位相同期回路およびその制御方法に関する。

無線用ＩＣ、特に基地局装置用ＩＣにおいて、通信の高品質化のために、ＰＬＬの低位相雑音化の強い要求がある。

非特許文献１や特許文献１に示されるように、単一バラクタではなくオフセット電圧を加えたバラクタアレイを備える構成により、Ｃ−Ｖ（容量−電圧）特性の傾きを減少させることができる。このバラクタアレイをＶＣＯ（Ｖｏｌｔａｇｅ−ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＯｓｃｉｌｌａｔｏｒ）に用いた場合、ＶＣＯのゲインを減少することができるため、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ−ＬｏｃｋｅｄＬｏｏｐ）回路の位相雑音を抑制できる。ここでは、容量値によって周波数が決定されるタイプのＶＣＯを仮定している。

特開２００５−３３３４６６号公報

ＩＥＥＥＭＩＣＲＯＷＡＶＥＡＮＤＷＩＲＥＬＥＳＳＣＯＭＰＯＮＥＮＴＳＬＥＴＴＥＲＳ，ＶＯＬ．１９，ＮＯ．９，ＳＥＰ．２００９ＰＰ．５９６−５９８（Ｆｉｇ．１、Ｆｉｇ．４）

しかし、上記のＰＬＬ回路では、温度等のばらつきにより、特性が変動（周波数がオフセット変動）するとＶＣＯの入力制御電圧がシフトして許容範囲外となってしまい、ＰＬＬ回路がロックしない、あるいは位相雑音特性が大きく劣化する問題を生じる可能性がある。

本発明は、ばらつき条件（温度、電源電圧、経年変化等）下の安定動作を補償しかつ低ゲインの電圧−周波数特性を実現できる位相同期回路及びその制御方法を提供しようとするものである。

本発明の態様によれば、バラクタアレイを有するＶＣＯと、該ＶＣＯの特性をモニターするモニター手段と、該モニター手段のモニター結果に応じて、前記バラクタアレイに供給するオフセット量を切替えるオフセット発生手段とを含む位相同期回路であって、前記オフセット発生手段は、電源−ＧＮＤ間に複数の抵抗を挿入して各抵抗間の電圧Ｖ_０〜Ｖ_ｎを発生する抵抗分圧手段と、前記モニター結果に応じて該抵抗分圧手段で分圧された電圧を選択して前記ＶＣＯに出力するスイッチとを備え、前記ＶＣＯは、選択された電圧によりバラクタアレイのオフセット電圧を制御し、前記モニター手段は２つの電圧比較器を備え、一方の電圧比較器の非反転入力端子に当該位相同期回路の安定動作電圧範囲の安定動作最低電圧（Ｖ_Ｈ）を、反転入力端子には入力制御電圧Ｖｃをそれぞれ加えると共に、他方の電圧比較器の反転入力端子には安定動作最高電圧（Ｖ_Ｌ）を、非反転入力端子には入力制御電圧Ｖｃをそれぞれ加え、これら２つの電圧比較器の出力値がそれぞれ真となるとき安定動作と判断する一方、前記２つの電圧比較器の出力値の少なくとも一方が真で無いときに前記オフセット発生手段に対して分圧電圧の切替えを行なわせることを特徴とする位相同期回路が提供される。

本発明の別の態様によれば、バラクタアレイを有するＶＣＯと、該ＶＣＯの特性をモニターするモニター手段と、該モニター手段のモニター結果に応じて、前記バラクタアレイに供給するオフセット量を切替えるオフセット発生手段とを含む位相同期回路の制御方法であって、前記オフセット発生手段は、電源−ＧＮＤ間に複数の抵抗を挿入して各抵抗間の電圧Ｖ_０〜Ｖ_ｎを分圧電圧として発生すると共に、前記モニター結果に応じて該分圧電圧を選択して前記ＶＣＯに出力することにより、前記ＶＣＯにおいては、選択された電圧により前記バラクタアレイのオフセット電圧を制御し、前記モニター手段は２つの電圧比較器の一方の電圧比較器の非反転入力端子に当該位相同期回路の安定動作電圧範囲の安定動作最低電圧（Ｖ_Ｈ）を、反転入力端子には入力制御電圧Ｖｃをそれぞれ加えると共に、他方の電圧比較器の反転入力端子には安定動作最高電圧（Ｖ_Ｌ）を、非反転入力端子には入力制御電圧Ｖｃをそれぞれ加える構成とすることにより、前記２つの電圧比較器の出力値がそれぞれ真となるとき安定動作と判断する一方、前記２つの電圧比較器の出力値の少なくとも一方が真で無いときに前記オフセット発生手段に対して分圧電圧の切替えを行なわせることを特徴とする位相同期回路の制御方法が提供される。

本発明によれば、ばらつき条件（温度、電源電圧、経年変化等）下のＰＬＬ特性のモニター結果に応じてバラクタアレイのオフセット量を調整できるようにしたことで、ばらつき条件下の安定動作を補償しかつ低ゲイン（傾き）な電圧−周波数特性を実現できる。

本発明の第１の実施例によるＰＬＬ回路の概略構成を示す図である。図１に示されたオフセット発生回路の一例を示す図である。図１に示されたモニター回路の一例を示す図である。図１に示されたＶＣＯを構成するバラクタアレイの一例を示す図である。本発明の第１の実施例の動作を説明するための電圧−周波数特性図である。本発明の第２の実施例によるＰＬＬ回路の構成を示す図である。本発明の第３の実施例によるＰＬＬ回路の構成を示す図である。本発明の第２の実施例の動作について説明するための図である。

（実施例の構成）
次に、本発明の実施例について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施例によるＰＬＬ回路の概略構成を示す。本実施例によるＰＬＬ回路は、バラクタアレイを有するＶＣＯ１０１と、ＶＣＯ１０１（あるいはＰＬＬ回路としての）の特性をモニターする回路（あるいは装置）１０２と、モニター結果に応じてバラクタアレイに供給するオフセット量（一般には電圧あるいは電流）を切り替えるオフセット発生回路１０３とから構成される。ここで、ＶＣＯ１０１の発振周波数は、ＶＣＯ１０１を構成しているバラクタアレイの容量値を可変とすることにより調整されるものとする。

図２は、オフセット発生回路１０３の一例を示す図である。電源Ｖｐ−グランドＧＮＤ間に複数（ｎ＋２）個（ｎは正の整数）の抵抗を挿入することで抵抗分圧回路を構成し、各抵抗の接続点に（ｎ＋１）個の分圧電圧Ｖ_０〜Ｖ_ｎを発生する。またモニター回路１０２からのデジタル信号に応答して電圧の切り替え動作を行なうスイッチ（Ｘ−バースイッチ）２０２により、電圧Ｖ_０〜Ｖ_ｎの中からバラクタアレイを制御するオフセット電圧を選択して出力する。なお、本実施例のようなデジタル信号によりオフセット電圧を切り替える構成ではなく、アナログ信号により切り替える構成も容易に考えられる。

図３は、モニター回路１０２の一例を示す図である。本モニター回路１０２は、ＶＣＯ１０１の入力制御電圧Ｖｃと、ＰＬＬの安定動作電圧に相当する電圧Ｖ_ＨあるいはＶ_Ｌを入力とする、２つの電圧比較器３０１−１、３０１−２を用いる。このとき、電圧比較器３０１−１の非反転端子に入力されるＶ_Ｈは安定動作最低電圧、電圧比較器３０１−２の反転端子に入力されるＶ_Ｌは安定動作最高電圧とする。なお、入力制御電圧Ｖｃが外部出力となっていれば、直接モニターすることができる。

図４は、ＶＣＯ１０１を構成するバラクタアレイの一例を示す図である。バラクタアレイは、オフセット発生回路２０２からの（ｎ＋１）種のオフセット電圧Ｖｏ＿０〜Ｖｏ＿ｎにより制御される（ｎ＋１）個のバラクタ４０１から構成される。このとき、各バラクタのサイズは同一でなくてもよい。

（実施例の動作）
次に、図５を用いて、実施例の動作について詳細に説明する。本実施例では、温度による周波数−電圧特性が、低温（２５℃）で周波数シフトが最高になり、高温（８５℃）で周波数シフトが最低になるものと想定する。まず、ＶＣＯ１０１のゲインが最低になるようにオフセット発生回路１０３を制御する。そして両条件下において、ＰＬＬが安定に動作する電圧範囲でロックできているかどうかを、モニター回路１０２により判別する。つまり、図３のモニター回路１０２の場合、出力値ＭＯＮ［１：０］＝”１１”（条件Ｖ_Ｌ＜Ｖｃ＜Ｖ_Ｈで電圧比較器３０１−１の出力値ＭＯＮ［１］、電圧比較器３０１−２の出力値ＭＯＮ［０］のいずれも”１”）が真となる場合、ＰＬＬは安定に動作すると判別して、図１に示すループ動作を終了する。参考のために、図５にはこれまで、つまり通常のオフセット電圧の特性を細い点線で示し、単一のオフセット電圧を太い点線で示している。

一方、図５には最適のオフセット電圧範囲が太い実線で示されている。出力値ＭＯＮ［１：０］＝”１１”が否、例えば”０１”（条件Ｖｃ＞Ｖ_Ｈで電圧比較器３０１−１の出力値ＭＯＮ［１］が”０”となり、電圧比較器３０１−２の出力値ＭＯＮ［０］は”１”）となる場合、あるいは”１０”（条件Ｖｃ＜Ｖ_Ｌで電圧比較器３０１−２の出力値ＭＯＮ［０］が”０”となり、電圧比較器３０１−１の出力値ＭＯＮ［１］は”１”）となる場合、ＰＬＬ（モニター回路１０２）は安定に動作できないと判別して、ＶＣＯ１０１のゲインが１段階高くあるいは低くなるようにオフセット発生回路１０３からの電圧を制御する。以下、同様にして、モニター回路１０２による判別動作を実施する。この動作を出力値ＭＯＮ［１：０］＝”１１”が真となるまで繰り返す。この他、ループを収束させる各種のアルゴリズムが適用できることは言うまでも無い。

（実施例の効果）
上記実施例による効果は、周囲温度、電源電圧等の条件がばらついたとしても安定動作できるとともに、低位相雑音化できることにある。その理由は、ばらつき条件下においてもある電圧範囲内に収まる周波数−電圧特性のうち、最も低いゲインが低い特性に設定できるためである。

すなわち、上記実施例によれば、ばらつき条件（温度、電源電圧、経年変化等）下のＰＬＬ特性のモニター結果に応じてバラクタアレイのオフセット量を調整できるようにしたので、ばらつき条件下の安定動作を補償しかつ低ゲイン（傾き）な電圧−周波数特性を実現できる。

（他の実施例）
次に、本発明の第２の実施例について図面を参照して詳細に説明する。

図６は、本発明の第２の実施例によるＰＬＬ回路の構成を示す。第２の実施例が第１の実施例と異なる構成は、オフセット発生回路１１０３とやりとりを行うメモリ１１０４が付加されている点である。このメモリ１１０４には、実際に使用する前、例えば本ＰＬＬ回路を製品として出荷する前の負荷テスト等において、制御ループを用いてＰＬＬについて異なる条件下（例えば、異なる出力周波数）で求められた複数のオフセット発生回路１１０３の制御値が制御コードに対応付けて順次保持される。これにより、条件に応じ最適なオフセット発生回路１１０３の制御値を制御コードに対応付けてメモリ１１０４に記憶しておけば、ＰＬＬの条件を変更する場合には制御コードを用いてメモリ１１０４から制御値を取り出せば良く、ＰＬＬの条件を変更する毎にオフセット制御値を求める必要がなくなるため、高速に条件の変更が可能となる。オフセット発生回路１１０３は、メモリ１１０４から読み出した制御値に応じた分圧電圧を選択してＶＣＯ１０１に与える。

図８を参照して、第２の実施例の動作について説明する。

上述のように、第２の実施例では動的（常時）制御をせず、例えば、出荷前の負荷テスト時などに、図８に示すように、一度、条件別に最適な傾き（ゲイン）を調整しておくだけでよい。したがって、ＰＬＬ実動作時に制御ループを動作させなくてよいので、制御ループが引き起こすＰＬＬ動作不安定の懸念や、モニター回路の消費電流の増加がない。また、ＰＬＬのターゲット周波数（出力周波数）Ｆｔａｒｇｅｔを変化させる際にも、あらかじめターゲット周波数に応じた傾きの設定を制御値として制御コードに対応付けてメモリ１１０４にあらかじめ保持しておき、必要に応じて読み出しすることで、ＰＬＬ実動作時に制御ループ動作が不要となる。

図７は、本発明の第３の実施例によるＰＬＬ回路の構成を示す。第３の実施例が第１の実施例と異なる構成は、複数のＶＣＯ１２０１−１、１２０１−２、・・・、１２０１−３を有する点が異なる。一般には、ＰＬＬとして広い可変周波数範囲を実現するため、異なる可変周波数範囲を有する複数のＶＣＯ１２０１−１、１２０１−２、・・・、１２０１−３を切り替えて用いる。図７に示すように、複数のＶＣＯ１２０１−１、１２０１−２、・・・、１２０１−３で、モニター回路１２０２およびオフセット発生回路１２０３を共有することで、回路面積を低減できる。また、第２の実施例と同様に、オフセット発生回路１２０３にメモリ（図示省略）を付加することで、あらかじめ各ＶＣＯ１２０１−１、１２０１−２、・・・、１２０１−３に対して最適なオフセット発生回路１２０３の制御値を条件別（例えば出力周波数）に保持できるため、ＶＣＯを切り替えた際にやはりオフセット制御値を瞬時に設定できる。

本発明の利用分野として、ＰＬＬを含むＩＣおよびＬＳＩ一般への応用が挙げられる。

１０１、１２０１−１、１２０１−２、１２０１−３ＶＣＯ
１０２モニター回路
１０３オフセット発生回路
２０１抵抗
２０２Ｘ−バースイッチ
３０１−１、３０１−２電圧比較器
４０１バラクタ

Claims

バラクタアレイを有するＶＣＯと、該ＶＣＯの特性をモニターするモニター手段と、該モニター手段のモニター結果に応じて、前記バラクタアレイに供給するオフセット量を切替えるオフセット発生手段とを含む位相同期回路であって、
前記オフセット発生手段は、電源−ＧＮＤ間に複数の抵抗を挿入して各抵抗間の電圧Ｖ_０〜Ｖ_ｎを発生する抵抗分圧手段と、前記モニター結果に応じて該抵抗分圧手段で分圧された電圧を選択して前記ＶＣＯに出力するスイッチとを備え、
前記ＶＣＯは、選択された電圧によりバラクタアレイのオフセット電圧を制御し、
前記モニター手段は２つの電圧比較器を備え、一方の電圧比較器の非反転入力端子に当該位相同期回路の安定動作電圧範囲の安定動作最低電圧（Ｖ_Ｈ）を、反転入力端子には入力制御電圧Ｖｃをそれぞれ加えると共に、他方の電圧比較器の反転入力端子には安定動作最高電圧（Ｖ_Ｌ）を、非反転入力端子には入力制御電圧Ｖｃをそれぞれ加え、これら２つの電圧比較器の出力値がそれぞれ真となるとき安定動作と判断する一方、前記２つの電圧比較器の出力値の少なくとも一方が真で無いときに前記オフセット発生手段に対して分圧電圧の切替えを行なわせることを特徴とする位相同期回路。
請求項１に記載の位相同期回路において、本位相同期回路を使用する前に、当該位相同期回路について異なる条件で求められた、複数の前記オフセット発生手段の制御値を保持するメモリを更に備えることを特徴とする位相同期回路。
請求項１又は２に記載の位相同期回路において、前記ＶＣＯとして、異なる可変周波数範囲を有する複数のＶＣＯを備え、これら複数のＶＣＯにおいて前記モニター手段及び前記オフセット発生手段を共有することを特徴とする位相同期回路。
バラクタアレイを有するＶＣＯと、該ＶＣＯの特性をモニターするモニター手段と、該モニター手段のモニター結果に応じて、前記バラクタアレイに供給するオフセット量を切替えるオフセット発生手段とを含む位相同期回路の制御方法であって、
前記オフセット発生手段は、電源−ＧＮＤ間に複数の抵抗を挿入して各抵抗間の電圧Ｖ_０〜Ｖ_ｎを分圧電圧として発生すると共に、前記モニター結果に応じて該分圧電圧を選択して前記ＶＣＯに出力することにより、前記ＶＣＯにおいては、選択された電圧により前記バラクタアレイのオフセット電圧を制御し、
前記モニター手段は２つの電圧比較器の一方の電圧比較器の非反転入力端子に当該位相同期回路の安定動作電圧範囲の安定動作最低電圧（Ｖ_Ｈ）を、反転入力端子には入力制御電圧Ｖｃをそれぞれ加えると共に、他方の電圧比較器の反転入力端子には安定動作最高電圧（Ｖ_Ｌ）を、非反転入力端子には入力制御電圧Ｖｃをそれぞれ加える構成とすることにより、前記２つの電圧比較器の出力値がそれぞれ真となるとき安定動作と判断する一方、前記２つの電圧比較器の出力値の少なくとも一方が真で無いときに前記オフセット発生手段に対して分圧電圧の切替えを行なわせることを特徴とする位相同期回路の制御方法。
請求項４に記載の位相同期回路の制御方法において、本位相同期回路を使用する前に、当該位相同期回路について異なる条件で求められた、複数の前記オフセット発生手段の制御値を保持するメモリを更に備え、前記オフセット発生手段は当該位相同期回路の条件変更に際して当該条件に応じた前記制御値を前記メモリから読み出し、読み出した制御値に基づいて前記分圧電圧の選択を行なうことを特徴とする位相同期回路の制御方法。
請求項５に記載の位相同期回路の制御方法において、あらかじめターゲット周波数に応じた傾きの設定を前記メモリに保持しておき、前記オフセット発生手段は、当該位相同期回路のターゲット周波数を変化させる際に、前記メモリへの読み出しを行なうことを特徴とする位相同期回路の制御方法。
請求項４〜６のいずれか１項に記載の位相同期回路の制御方法において、前記ＶＣＯとして、異なる可変周波数範囲を有する複数のＶＣＯを備え、これら複数のＶＣＯにおいて前記モニター手段及び前記オフセット発生手段を共有し、
少なくとも温度、電源電圧、経年変化を含むばらつき条件下のモニター結果に応じて前記バラクタアレイのオフセット量を調整することで、ばらつき条件下の安定動作を補償しかつ低ゲインの電圧−周波数特性を実現することを特徴とする位相同期回路の制御方法。