JP3904920B2 - Pll回路 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チューナや通信機器に使用されるPLL回路に関し、特に、発振回路をICに内蔵する場合において、広帯域な発振周波数が要求される場合に好適なPLL回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来のチューナや通信機器に使用されている周波数バンド切り替え型の電圧制御発振器(以降VCOと記載)を使用して、そのVCOをICに内蔵したPLL回路の構成を図5に示す。
【0003】
図5において、1は基準信号発生器、2は位相比較器、3はループフィルタ、4は分周器、60はVCOである。
【0004】
通常PLL回路は、VCO60、位相比較器2、分周器4、水晶などの基準信号発生器1から構成されており、その動作は、基準信号発生器1の信号とVCOの信号を分周した信号とを位相比較器2にて比較し、位相比較の出力をループフィルタ3にて平滑化し、その出力をVCO60に与えるという構成をとっている。この構成によりVCOの発振周波数が一定になるように制御され、またVCOの発振周波数を変える場合には、分周器4の分周比を変えることにより実現できる。
【0005】
従来、バンド切り替え機能付きの内蔵VCOの場合、共振コンデンサの容量値をスイッチにより切り替えることで、複数の周波数可変バンドをもたせ、必要な発振周波数帯域をカバーするようにしている。
【0006】
これは、PLL回路の特性として、Kv(VCOの発振周波数/制御電圧(単位Hz/V)以下Kvと記載)が大きければ大きいほど電源やグランド、制御電圧ラインにのるノイズの影響をVCOが受けやすく、ロック時のC/N特性が劣化するという特性を持っているからである。例えば携帯電話等のPLLではKvが40MHz/Vで必要C/Nを満たすような設計になっている。
【0007】
位相比較器2の出力でリニアに使用できる電圧の範囲は0.5vから2.5vなので、必要な周波数帯域をカバーするためには複数の周波数のバンド切り替えが必要となる。
【0008】
またVCOのインダクタ、バラクタダイオードをICに内蔵する場合、素子のバラツキによりVCOの可変周波数帯域が変わってしまうという問題もある。一般的にICに内蔵した場合、インダクタで5%、バラクタダイオードで10%のバラツキがあると言われている。
【0009】
このバラツキのために、さらに多くの周波数バンド切り替えが必要となり、各バンドの周波数可変範囲をオーバーラップさせなければならないことになる。そのため、広い周波数帯域をカバーするためにはバンド数も多くなってしまうという問題点がある。
【0010】
図6は、ループフィルタ出力電圧対VCOの発振周波数の特性を示したものである。図5の回路における容量22〜25をスイッチ18〜21のON,OFFによりVCOの発振周波数のバンドを切り替えることができ、バンド切り替えを行うことにより必要発振周波数帯域をカバーしている。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
従来のPLL回路では、VCOのKvを低くしたまま広い周波数範囲をカバーするために、バンド数を多くする必要がある。VCOが複数の発振周波数バンドを持っているために、どのバンドを使用するか決めるための回路も必要となっている。現在では、出荷検査の時に発振周波数ごとにどのバンドを使用するかのデータをROMに持たせるか、周波数調整回路として、初めにあるバンドでロック動作をさせ、そのときの発振周波数のずれを検出して、どの周波数バンドを使用するか選択するような回路を持っており、回路が複雑になっている。複数のバンドを持たせた場合、周波数の低い側のバンドではバラクタダイオードによる発振周波数の可変範囲が下がるという問題もある。
【0012】
本発明の目的は、広いVCOの周波数可変範囲と適切なKvを周波数のバンド数やそのオーバーラップなどの影響を受けずにシンプルな制御により実現するPLL回路を提供するものである。
【0013】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明のPLL回路においては、複数のKvの異なったロックループが形成されており、初めにKvの大きいループで広い発振周波数範囲を実現しつつロックを行い、その後そのロック電圧を維持しつつ、Kvの小さいループに切り替えることにより、ロック状態でのVCOの特性を満足することを目的としている。
【0014】
図1にそって説明を行う。具体的な回路としてはループフィルタ3の出力を2系統に分け、第1のロックでは、その出力は電圧対容量変化の大きいバラクタダイオード14,15(第2のバラクタダイオード)に接続され、広い周波数可変範囲を実現し、目標となる周波数にVCO60の発振周波数を急峻に引き込みロックする。その後、第2のロックとして、ループフィルタ3出力を電圧対容量変化の小さいバラクタダイオード16,17(第1のバラクタダイオード)に接続、ロック時のノイズに対する特性を満足することができるという構成をしている。
【0015】
第1のロック状態から第2のロック状態へ変化するタイミングを制御するために、容量変化の小さいバラクタダイオード16,17に印加されている電圧を検知する電圧検知回路30を備えており、第2のロック状態に変化する瞬間にループフィルタ3の電圧を変化させ、電圧源9の電圧にした後にスイッチ8を開放する機能をもっている。
【0016】
また、長時間第2のループでロックしている時は、バラクタダイオード14,15に印加している電圧が、容量10の電荷が変化することにより変化することが考えられる。この電圧を補正するために、図2のように電圧検知回路30と補正回路31を組み合わせることによりバラクタダイオード14,15の印加電圧を一定にする機能を備えている。
【0017】
上記のバラクタダイオード14,15の印加電圧の補正は、図3のように、電荷をチャージ、ディスチャージすることによっても実現できる。
【0018】
さらに、第1のループと第2のループとでKvが大きく違い、2つのKvにおいてループフィルタ定数を変化させる必要がある場合は、図4のようにフィルタ回路を切り替える。
【0019】
これらの構成により、広い周波数可変範囲と適切なKvを両立することのできるPLL回路を実現することができる。ちなみに図7は、本発明のPLL回路におけるVCOの制御特性を示したものである。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明におけるPLL回路について、図示の実施の形態により詳細に説明する。
【0021】
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1におけるPLL回路を示したものである。図1において、1は基準信号発生器、2は位相比較器、3はループフィルタ、4は分周器、6,7,8はスイッチ、9は電圧源、10は容量、30は電圧検知回路、60はVCOであり、VCO中の14,15,16,17はバラクタダイオード、12,13はインダクタ、11は電圧源、5は出力回路である。
【0022】
バラクタダイオードの電圧に対する容量変化は、バラクタダイオード14,15は大きく、バラクタダイオード16,17は小さくなるように設定されている(バラクタダイオード14と15,16と17はそれぞれ同じ容量変化を行う)。
【0023】
PLLがロックする前は、スイッチ6、スイッチ8は閉じており、スイッチ7は開いた状態になっている。電圧源9は今回の場合VCC/2の電圧である1.5vに設定されている。
【0024】
この電圧源9の電圧によりバラクタダイオード16,17はある容量値に固定されている。この状態であると、可変できる容量はバラクタダイオード14,15だけになっており、この状態でロック動作に入ると、あるループフィルタ出力電圧でPLLがロックし、VCOの発振周波数が固定される(この状態を第1のロック状態とする)。第1のロック状態では、Kvが大きいために広い周波数可変範囲を持っている。
【0025】
第1のロック状態の後、スイッチ6を開き、スイッチ7を閉じる。切り替えた瞬間は、ループフィルタ3の出力電圧は第1のロック時の電圧が保持されている。この電圧を電圧源9で変化させ、その電圧変化を電圧検知回路30にて検知、1.5Vの前後ある範囲(今回の場合は1.3vから1.7v)に入った時点でスイッチ8を開き、第2のロック状態に移行する。バラクタダイオード14,15へ印加されている電圧は、容量10により第1のロック状態での電圧が保持されている。
【0026】
第1のロック状態から第2のロック状態へ理想どおりに変化すならば、第2のロック時におけるループフィルタ3の出力電圧は電圧源9の電圧となり、位相比較器2のほぼセンターの電圧でロックさせることができる(この状態を第2のロック状態とする)。第2のロック状態では、Kvが小さいためノイズの影響を受けにくくC/N特性はさらによくなる。
【0027】
このように、第1のロック状態において広い周波数範囲をカバーし、その後に第2のロック動作を行うことにより、発振特性をさらに改善することが可能となる。
【0028】
本発明におけるPLL回路では、従来の発振周波数のバンドを切り替えるタイプのVCOを使用したPLLに比べ、素子のバラツキによるバンドのオーバーラップや、発振周波数に応じてどのバンドを使用するかを選択するための回路やデータを必要としないために、トータルの回路をシンプルにすることができる。
【0029】
(実施の形態2)
図2は、本発明の実施の形態2におけるPLL回路を示したもので、実施の形態1に対し、バラクタダイオード14,15への印加電圧が第2のロック時にずれた場合に補正するための補正回路31を付け加えたものである。
【0030】
動作は、第2のロックを行うまでは、図1の回路と同様であり、第2のロック時、バラクタダイオード14,15へ印加されている電圧が容量10のリークや回路におけるリーク等により変動した場合、その電圧を補正するために、補正回路31の電流源32または33をONさせることにより行う。制御は検知回路30によりバラクタダイオード16,17への印加電圧を検知することにより行う。
【0031】
電圧検知回路30の動作としては、第2のロック状態において、バラクタダイオード14,15への印加電圧が変化するのに伴い、ループフィルタ3の出力電圧が変動するが、この変動を検知することにより行う。この電圧変動がある範囲(ここでは1v以下、2v以上に設定)を越えた時に電圧検知回路30が補正回路31を動作させ、バラクタダイオード14,15への印加電圧を範囲内に戻す補正をかける。補正回路31はループフィルタ3の出力電圧が1vから2vの間にある場合は動作せず、ロック時の特性はKvの低いループ特性で決定される。
【0032】
(実施の形態3)
図3は、本発明の実施の形態3におけるPLL回路を示したものであり、図2の回路に対し、補正を電荷のチャージ、ディスチャージにて行う回路である。
【0033】
補正回路41について説明する。第2のロックまでの動作および電圧検知回路30の制御は、図1,図2の場合と同様である。補正回路41は電圧源43とスイッチ44、容量42から構成されており、電圧源43の電圧はループフィルタ3の出力電圧に応じて変化する。
【0034】
ループフィルタ3の出力電圧が1vから2vの時にはスイッチ44が電圧源43に接続されている。ループフィルタ3の出力電圧が1v以下もしくは2v以上になった時に補正回路41が動作し、スイッチ44により電圧源43が切り離され、容量42にたまった電荷を容量10にチャージ、もしくはディスチャージする動作を行う。この電荷の移動によりバラクタダイオードに印加される電圧の補正を行う。
【0035】
(実施の形態4)
図4は、本発明の実施の形態4におけるPLL回路を示したものである。ここでは、ループフィルタの定数を第1のロック時と、第2のロック時とで切り替えるようにしており、図1から図3の回路と併用して使用される。2つのループにおけるKvの差によりロック時の特性、ダンピングファクタやロックアップタイム等を理想の定数に近づけるためのもので、フィルタ定数可変部50を第1のロック状態、第2のロック状態で、スイッチ51を閉じたり、開けたりすることにより実現する。
【0036】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、VCOをICに内蔵したPLL回路において、広い周波数可変範囲とKvをシステムに応じて自由に設定することのできる優れたPLL回路を実現するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態1におけるPLL回路のブロック構成図
【図2】本発明の実施形態2におけるPLL回路のブロック構成図
【図3】本発明の実施形態3におけるPLL回路のブロック構成図
【図4】本発明の実施形態4におけるPLL回路のブロック構成図
【図5】従来技術におけるPLL回路のブロック図
【図6】従来のPLL回路におけるVCO制御特性図
【図7】本発明のPLL回路におけるVCO制御特性図
【符号の説明】
1 基準信号発生器
2 位相比較器
3 ループフィルタ
4 分周器
5 出力回路
6,7,8,44,51 スイッチ
9,11,34,43 電圧源
10,42 容量
14,15,16,17 バラクタダイオード
12,13 インダクタ
30 電圧検知回路
31,41 補正回路
32,33 電流源
50 フィルタ定数可変部
52 抵抗
60 電圧制御発振器(VCO)

Claims (4)

  1. 入力された電圧により発振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N分周する分周器と、基準信号発生器と、前記分周器で分周した信号と前記基準信号発生器から発生した基準周波数信号とを位相比較する位相比較器と、前記位相比較器の出力を平滑化するループフィルタとを備え、前記ループフィルタの出力信号を前記電圧制御発振器に入力することにより前記基準周波数のN倍の信号が前記電圧制御発振器から出力されるようにしたPLL回路において、
    前記電圧制御発振器の共振部として使用し、発振周波数の変化量を切り替えるために、制御電圧に対する容量変化の小さい側の第1のバラクタダイオードと、容量変化の大きい側の第2のバラクタダイオードと、
    前記ループフィルタの出力部と前記第1,第2のバラクタダイオードとの接続のそれぞれを切り替える第1,第2のスイッチと、前記第1のバラクタダイオードに電圧を印加する電圧源と、前記電圧源を入り切りする前記第1のスイッチと前記第1のバラクタダイオード間に接続した第3のスイッチと、前記第1のバラクタダイオードにかかる電圧を検知し、前記第3のスイッチを制御する電圧検知回路と、前記第2のバラクタダイオードと接地電位間に接続した容量と、前記電圧検知回路の出力に応じ前記第2のバラクタダイオードに印加する電圧を補正する補正回路とを備え、
    第1のロックでは、前記電圧制御発振器の制御電圧に対する発振周波数の変化量を大きくし、前記第1のロック状態後の第2のロックでは、発振周波数の変化量を小さくする前記第1および第2のロックの切り替えを前記第1,第2のスイッチの切り替えにより行うことを特徴とするPLL回路。
  2. 前記補正回路が、検知回路の出力に応じて第2のバラクタダイオードのラインに供給する電流を切り替える複数の電流源を有することを特徴とする請求項1記載のPLL回路。
  3. 前記補正回路が、検知回路の出力に応じて第2のバラクタダイオードのラインに供給する電圧を切り替えるスイッチ回路と、前記スイッチ回路により切り替えられる電圧源および電荷を蓄える容量を有することを特徴とする請求項記載のPLL回路。
  4. 前記ループフィルタと前記第1,第2のバラクタダイオード間に、ロック時における安定性を保つための、第1のロックと第2のロックとで切り替え可能なフィルタ定数可変部を備えたことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のPLL回路。
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