JP4069503B2 - Pll回路 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、PLL回路、特に電流出力型チャージポンプを使ったPLL回路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
PLL回路は、基準信号の位相または周波数に追従して所定の位相または周波数を有する発振信号を生成することができる。従来の電流出力型チャージポンプを使ったPLL回路において、位相比較回路からの位相差信号に応じてチャージポンプの出力電流を制御することにより、制御信号の電圧レベルを制御し、電圧制御発振回路(VCO)の発振周波数を制御する。VCOの発振信号を所定の分周比を持つ分周回路により分周し、分周信号は基準信号とともに位相比較回路に入力し、これらの信号の位相差に応じた位相差信号をチャージポンプに出力される。
【0003】
図13は、通常のPLL回路に用いられているチャージポンプ20の構成を示す図である。図13において、信号SUPおよびSDWは、位相比較回路によって比較対象となる基準信号および分周信号との位相差に応じて発生されたアップ信号およびダウン信号である。図示のように、チャージポンプ20は、位相比較回路からのダウン信号SDWおよびアップ信号SUPに応じてオン/オフ状態が制御されれる二つのスイッチSW1,SW2およびこれらのスイッチのオン/オフにより発生電流IP1およびIP2を出力ノードND1に供給する電流源IS1,IS2により構成されている。
【0004】
図14は、チャージポンプ20の具体的な構成例を示している。図示のように、pMOSトランジスタP1,P2およびP3によりカレントミラーを構成し、電流IP1を供給する電流源IS1を構成しており、nMOSトランジスタN1およびN2によりカレントミラーを構成し、電流IP2を供給する電流源IS2を構成している。なお、この回路例では、電流IP1と電流IP2の電流値は電流源ISC1の電流値IP およびカレントミラーを構成するトランジスタのサイズなどにより設定される。
【0005】
インバータINV1およびpMOSトランジスタP4によりスイッチSW1を構成し、nMOSトランジスタN3によりスイッチSW2を構成している。位相比較回路により、入力信号の位相差に応じて、パルス信号であるアップ信号SUPまたはダウン信号SDWが出力される。なお、ここで、アップ信号SUPおよびダウン信号SDWは同時に出力されることがないとする。例えば、ダウン信号SDWが出力されるとき、即ち、ダウン信号SDWがハイレベルに保持されているとき、pMOSトランジスタP4がオンし、電流IP1が端子OUTに出力される。逆に、アップ信号SUPが出力されるとき、即ち、アップ信号SUPがハイレベルに保持されているとき、nMOSトランジスタN3がオンし、電流IP2が端子OUTから接地側に流れる。
【0006】
チャージポンプ20の端子OUTにキャパシタを含むループフィルタが接続されているので、チャージポンプ20により供給される電流に応じて、キャパシタが充電または放電し、当該充放電に応じて出力端子OUTの電位レベルが変わる。端子OUTの電圧の高周波成分がループフィルタにより減衰され、低周波成分が制御信号としてVCOに供給されるので、VCOの発振周波数は、位相比較回路の入力信号の位相差によって制御される。
通常、このように構成されたPLL回路において、入力された基準信号に基づき安定した発振信号を生成するために、ループゲインを一定の値に固定されることがもっとも望ましい。即ち、電源電圧、動作環境温度またはプロセスのバラツキなどの諸条件に影響されることなく、チャージポンプの出力電流およびVCOの制御特性は常に一定になることが望まれている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来の電流出力型チャージポンプを用いたPLL回路において、チャージポンプの出力電流は固定されており、これに対して、位相比較回路またはVCOのゲインが電源電圧、動作環境温度の変化およびプロセスのバラツキによるトランジスタなどの回路素子の特性変動などによって変化するので、PLL回路全体のループゲインは位相比較回路またはVCOのゲインの変動にしたがって変動する。このため、広い電源電圧範囲で動作を確保しようとする場合、動作時の環境温度の変化が激しい場合、またはプロセスのバラツキが大きい場合において、PLL回路の特性が大きく変動しやすくなるという不利益がある。
【0008】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、電源電圧、環境温度の変化に影響されることなく、さらにプロセスのバラツキによる影響を抑制でき、ループ特性を一定に保つことができ、安定した発振信号を生成できるPLL回路を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のPLL回路は、制御信号の電圧レベルによって設定された周波数で発振し、発振信号を出力する電圧制御発振回路と、上記電圧制御発振回路からの発振信号と基準信号との位相を比較し、当該比較結果に応じた位相差信号を出力する位相比較回路と、上記位相比較回路からの位相差信号に応じてスイッチ回路を切り替えて電流を出力または入力する電流出力部と、一方の出力端子が第2の電圧源に接続され他方の出力端子から定電流を供給する第1の電流源と、一方の出力端子が第1の電圧源に接続され他方の出力端子が上記第1の電流源の上記他方の出力端子に接続される第1の第1導電型トランジスタを有する第2の電流源と、一方の出力端子が上記第1の電圧源に接続され他方の出力端子が上記第2の電流源の上記他方の出力端子と上記第1の電流源の上記他方の出力端子と上記電流出力部の電流供給用の入力端子とに接続される第3の電流源と、を有するチャージポンプと、上記チャージポンプの出力電流に応じてレベルが設定される電圧信号を発生し、当該電圧信号を上記制御信号として上記電圧制御発振回路に出力する電圧信号発生回路とを有する。
【0010】
また、本発明では、好適には、上記チャージポンプは、上記位相比較回路からの位相差信号に応じてスイッチ回路を切り替えて電流を出力または入力する電流出力部と、一方の出力端子が第2の電圧源に接続され他方の出力端子から定電流を供給する第1の電流源と、一方の出力端子が第1の電圧源に接続され他方の出力端子が上記第1の電流源の上記他方の端子に接続される第1の第1導電型トランジスタを有する第2の電流源と、一方の出力端子が上記第1の電圧源に接続され他方の出力端子が上記第2の電流源の他方の端子と上記第1の電流源の他方の出力端子と上記電流出力部の入力端子とに接続される第3の電流源とを有する。
【0011】
また、本発明では、好適には、上記第3の電流源は、上記第2の電流源と並列に接続され、さらにソースが上記第1の電圧源に接続されている第2の第1導電型トランジスタと、ゲートが上記第2の第1導電型トランジスタのゲートに接続され、当該ゲート同士の接続点が上記第1の第1導電型トランジスタのドレインに接続されている第3の第1導電型トランジスタとを有し、上記第1の電流源の上記他方の出力端子が上記第1の第1導電型トランジスタのドレインに接続されている。
【0012】
さらに、本発明では、上記第2の電圧源により接地電位を供給する場合に、上記第1導電型トランジスタはpMOSトランジスタにより構成され、上記第2導電型トランジスタはnMOSトランジスタにより構成される。この場合に、電源電圧、動作環境温度の変化およびプロセスのバラツキによるpMOSトランジスタの特性変化に対処するために、ゲートが接地されるpMOSトランジスタで上記第2の電流源を構成する。即ち、上記第2の電流源は、ソースが上記第1の電圧源に接続され、ドレインが上記第1の第1導電型トランジスタのドレインに接続され、ゲートが接地されている第3の第1導電型トランジスタからなる。
【0013】
本発明において、pMOSトランジスタとnMOSトランジスタ両方の特性変化に対処するために、pMOSトランジスタとnMOSトランジスタの電流を合わせて上記第2の電流源の出力電流を発生する。即ち、上記第2の電流源は、ソースが上記第1の電圧源に接続され、ドレインが上記第1の電流源の上記他方の出力端子に接続され、ゲートが上記第1の電圧源と異なる上記第2の電圧源に接続されている上記第1の第1導電型トランジスタと、ソースが上記第1の電圧源に接続され、ゲートとドレインが接続されている第4の第1導電型トランジスタと、ソースが上記第1の電圧源に接続され、ゲートが上記第4の第1導電型トランジスタのゲートに接続され、ドレインが上記第1の第1導電型トランジスタのドレインに接続されている第5の第1導電型トランジスタと、ドレインが上記第4の第1導電型トランジスタのドレインに接続され、ゲートが上記第1の電圧源に接続され、ソースが上記第2の電圧源に接続されている第1の第2導電型トランジスタとを有する。
【0014】
本発明によれば、PLL回路のチャージポンプにおいて、トランジスタの能力に応じて出力電流を制御し、トランジスタの能力が高いとき出力電流を低くし、トランジスタの能力が低いとき出力電流を高くすることによって、トランジスタの能力変化によるPLL回路のループゲインの変動が抑制され、安定した動作を実現する。
通常、電源電圧、動作環境温度の変化およびプロセスのバラツキによってPLL回路の構成要素であるトランジスタの特性が変化する。このとき、同じチップ上に形成されたトランジスタの特性は相関性があり、各トランジスタの能力がほぼ同じ傾向で変化する。PLL回路を構成する電圧制御発振回路(VCO)の制御利得は、トランジスタの特性に応じて変化するので、チャージポンプの出力電流を一定のままに保持すると、PLL回路のループゲインがトランジスタの特性変化に比例して変化する。
【0015】
本発明にかかるチャージポンプにおいて、例えば、電源電圧、動作環境温度およびプロセスのバラツキなどの条件に影響されない定電流である第1の電流およびトランジスタの能力に応じて変化する第2の電流を発生し、第1の電流と第2の電流との差電流に応じてチャージポンプの出力電流を制御する。このため、チャージポンプの出力電流はトランジスタの能力変化と逆の特性で変化する。この結果、トランジスタの能力変化により生じたVCOの制御利得の変化がある程度相殺され、PLL回路全体のループゲインはトランジスタの能力の変化によらず、ほぼ一定に保持される。
【0016】
【発明の実施の形態】
図1は本発明に係るPLL回路の一実施形態を示す回路図である。
図示のように、PLL回路は、位相/周波数比較回路(PFD)10、チャージポンプ20、ループフィルタ30、VCO40および分周回路50により構成されている。なお、ここで、便利のために位相/周波数比較回路を単に位相比較回路という。
【0017】
位相比較回路10は、入力される基準信号Sref と分周回路50からの分周信号SD との位相を比較し、これらの信号の位相差に応じて、アップ信号SUPまたはダウン信号SDWを出力する。
チャージポンプ20は、位相比較回路10からのアップ信号SUPおよびダウン信号SDWに応じて、チャージ電流またはディスチャージ電流を発生し、ループフィルタ30に出力する。
【0018】
ループフィルタ30は、チャージポンプ20からのチャージ電流またはディスチャージ電流に応じて出力信号SC のレベルを制御し、当該信号SC の高周波成分を減衰させ、低周波成分のみを出力する。
VCO40は、ループフィルタ30からの信号SC のレベルに応じて発振信号の位相または周波数を制御し、発振信号SVCO を出力する。
分周回路50は、VCO40からの発振信号SVCO を予め設定された分周比Nで分周し、分周信号SD を位相比較回路10に出力する。即ち、VCO40の発振周波数をfVCO とすると、分周信号SD の周波数は、fVCO /Nとなる。
【0019】
以下、図1を参照しつつ、PLL回路の動作について説明する。
位相比較回路10によって、基準信号Sref と分周信号SD の位相差に応じてパルス信号であるアップ信号SUPまたはダウン信号SDWの何れかを出力する。例えば、分周信号SD が基準信号Sref より位相が進んでいるとき、ダウン信号SDWが出力され、逆に分周信号SD が基準信号Sref より位相が遅れているとき、アップ信号SUPが出力される。なお、アップ信号SUPおよびダウン信号SDWは、パルス信号であり、それらのパルス幅は、基準信号Sref と分周信号SD との位相差によって決まる。
【0020】
チャージポンプ20において、位相比較回路10からのダウン信号SDWまたはアップ信号SUPに応じてチャージまたはディスチャージ電流が出力される。チャージ電流が出力されるとき、出力信号SC のレベルが上昇し、ディスチャージ電流が出力されるとき、出力信号SC のレベル降下する。ループフィルタ30により、信号SC の高周波成分が減衰され、低周波成分のみが残される。低周波成分からなる信号SC は、制御信号としてVCO40に供給される。
【0021】
VCO40において、制御信号SC のレベルに応じて発振周波数が制御され、発振信号SVCO が出力される。例えば、制御信号SC のレベルが上昇すると、VCO40の発振周波数fVCO が低くなり、制御信号SC のレベルが降下すると、VCO40の発振周波数fVCO が高くなる。VCO40の発振信号SVCO が分周回路50により分周され、分周信号SD が位相比較回路10に出力される。
【0022】
このため、分周信号SD が基準信号Sref より位相が進んでいるとき、位相比較回路10からダウン信号SDWが出力される。これに応じて制御信号SC のレベルが上昇し、VCO40の発振周波数fVCO が低下するので、分周信号SD の周波数も低下し、その位相が基準信号Sref に近づく。一方、分周信号SC が基準信号Sref より位相が遅れているとき、位相比較回路10によってアップ信号SUPが出力される。これに応じて制御信号SC のレベルが降下し、VCO40の発振周波数fVCO が向上するので、分周信号SD の周波数も向上し、その位相が基準信号Sref に近づく。
【0023】
このような制御によって、PLL回路は、分周信号SD の位相と基準信号Sref の位相が一致したところで安定する。この状態はロック状態という。PLL回路がロック状態に達したとき、位相比較回路10は、ダウン信号SDW、アップ信号SUPの何れも出力せず、制御信号SC のレベルは、ほぼ一定に保たれる。このとき、VCO40の発振周波数fVCO は、基準信号Sref の周波数fref および分周回路50の分周比Nによって決定され、(fVCO =Nfref )となる。
【0024】
以下、図2〜図12を参照しつつ、PLL回路の各構成部分の回路構成および動作についてそれぞれ説明する。
図2は、位相比較回路10の一構成例を示している。図示のように、位相比較回路10は、二つのセットリセットフリップフロップFF1,FF2およびANDゲートAND1により構成されている。
【0025】
フリップフロップFF1のセット信号入力端子Sに基準信号Sref が入力され、その出力端子Qからアップ信号SUPが出力される。
フリップフロップFF2のセット信号入力端子Sに分周信号SD が入力され、その出力端子Qからダウン信号SDWが出力される。
ANDゲートAND1の入力端子はそれぞれフリップフロップFF1,FF2の出力端子Qに接続され、その出力端子は、フリップフロップFF1,FF2のリセット信号端子Rに接続されている。
【0026】
図3は、位相比較回路10の動作時の波形図である。以下、図2、3を参照しつつ位相比較回路10の動作を説明する。
まず、フリップフロップFF1,FF2はともにリセットされた状態で動作が始まる。このときアップ信号SUP、ダウン信号SDWの何れもローレベルに保持される。基準信号Sref または分周信号SD の何れかの立ち上がりエッジに応じてフリップフロップFF1またはFF2の状態が変化する。
【0027】
図3(a)に示すように、分周信号SD は基準信号Sref より位相が進んでいるとき、分周信号SD の立ち上がりエッジにおいてフリップフロップFF2の出力端子Qがハイレベルに切り換わる。これに遅れて基準信号Sref が立ち上がると、ANDゲートAND1の出力信号もローレベルからハイレベルに立ち上がるので、フリップフロップFF1,FF2がともにリセットされる。このため、図3(a)に示すように分周信号SD と基準信号Sref との位相差に応じた幅を持つダウン信号SDWが得られる。
また、上述した動作とほぼ同じく、基準信号Sref は分周信号SD より位相が進んでいるとき、位相比較回路10によりこれらの信号の位相差に応じた幅を持つアップ信号SUPが出力される。
【0028】
図4は、ループフィルタ30の一構成例を示している。図示のように、ループフィルタ30は、直列に接続されている抵抗素子R1,キャパシタC1およびこれらと並列に接続されているキャパシタC2により構成されている。ループフィルタ30のノードND2は、チャージポンプ20の出力端子に接続されている。このため、チャージポンプ20からチャージ電流が出力されるとき、キャパシタC1およびC2が充電され、ノードND2の電位が上昇する。逆にチャージポンプ20からディスチャージ電流が出力されるとき、キャパシタC1およびC2が放電し、ノードND2の電位が降下する。
【0029】
チャージポンプ20の出力抵抗とループフィルタ30のキャパシタC1,C2などにより、ローパスフィルタが構成されているので、ノードND2の電圧信号SC の高周波成分が減衰され、低周波成分のみが残される。この低周波成分は、制御信号としてVCO40に供給される。
【0030】
図5は、VCO40の一構成例を示している。図示のように、VCO40は、直列に接続されている3段の遅延時間可変の反転遅延素子により構成されている。さらに、末段の反転遅延素子の出力端子は、初段の反転遅延素子の入力端子に接続されているので、これらの反転遅延素子により、ループが構成されている。このため、このように構成されたVCOは、リング発振回路とも呼ばれる。なお、VCO40を構成する反転遅延素子は、奇数段であればよく、特に3段に限定する必要はない。
【0031】
VCO40を構成する各反転遅延素子の遅延時間Δtは、入力される制御信号SC によって制御される。ここで、VCOを構成する反転遅延素子の段数をm(mは奇数)とし、各反転遅延素子の遅延時間は等しくΔtであるとすると、VCO40の発振周波数fVCO は、次式により求められる。
【0032】
【数1】
fVCO =1/(2mΔt) …(1)
【0033】
図6および図7は、反転遅延素子の二つの構成例を示している。
図6に示す反転遅延素子DLY1は、インバータINV1、nMOSトランジスタN1およびキャパシタC1により構成されている。入力信号vinは、インバータINV1の入力端子に印加され、インバータINV1の出力端子から反転され、さらに入力信号より遅れた信号voutが得られる。
【0034】
トランジスタN1とキャパシタC1はインバータINV1の出力端子と接地端子との間に直列に接続されている。トランジスタN1のゲートにループフィルタ30からの制御信号SC が入力される。このため、制御信号SC のレベルに応じてトランジスタN1のオン/オフが制御され、また、オンするときそのオン抵抗が制御される。
【0035】
ここで、トランジスタN1の等価抵抗をR1とする。例えば、制御信号SC のレベルが高いとき、トランジスタN1のオン抵抗R1が小さくなり、等価抵抗R1とキャパシタC1により決定された時定数τ(τ=R1C1)が小さくなる。この場合に、インバータINV1の出力電流のうち、キャパシタC1の充放電に消費される部分が大きく、次段の反転遅延素子を駆動する電流能力が弱い。このため、反転遅延素子の遅延時間Δtが長くなり、VCO40の発振周波数が低下する。
逆に、制御信号SC のレベルが低いとき、トランジスタN1がオフするか、オンするときそのオン抵抗R1が大きくなる。このためトランジスタN1の等価抵抗R1とキャパシタC1により決定された時定数τ(τ=R1C1)が大きくなる。この場合にに、インバータINV1の出力電流のうち、キャパシタC1の充放電に消費される部分が小さくなり、次段の反転遅延素子を駆動する電流能力が強い。このため、反転遅延素子の遅延時間Δtが短くなり、VCO40の発振周波数fVCO が高くなる。
【0036】
図7に示す反転遅延素子DLY2は、pMOSトランジスタP1,P2およびnMOSトランジスタN1により構成されている。pMOSトランジスタP1のソースは、電源電圧VCCに接続され、ドレインはpMOSトランジスタP2のソースに接続されている。pMOSトランジスタP2とnMOSトランジスタN1のドレイン同士が接続され、その接続点は反転遅延素子DLY2の出力端子をなす。pMOSトランジスタP1のゲートに制御信号SC が印加され、pMOSトランジスタP2とnMOSトランジスタN2のゲート同士が接続され、その接続点は反転遅延素子DLY2の入力端子をなす。即ち、トランジスタP2とN1により、インバータが構成され、当該インバータに入力された信号vinは、反転され、さらに遅延されて出力信号voutとして出力される。
【0037】
制御信号SC のレベルに応じて、pMOSトランジスタP1のオン/オフ状態が制御され、また、オンするときそのオン抵抗が制御される。例えば、制御信号SC のレベルが低いとき、トランジスタP1がオンし、且つそのオン抵抗が小さい。このとき、トランジスタP1とN2からなるインバータの出力電流が大きく、次段の反転遅延素子を駆動する能力が強い。このため、反転遅延素子の状態の切り換えが高速に行われ、遅延時間Δtが短くなり、VCO40の発振周波数fVCO が高くなる。
逆に、制御信号SC のレベルが高いとき、トランジスタP1がオフするか、またオンするときのオン抵抗が大きくなる。このとき、トランジスタP1とN2からなるインバータの出力電流が小さく、次段の反転遅延素子を駆動する能力が弱い。このため、反転遅延素子の状態の切り換え速度が低下し、反転遅延素子DLY2の遅延時間Δtが長くなり、VCO40の発振周波数fVCO が低くなる。
【0038】
上述した反転遅延素子により構成されたVCO40は、電源電圧VCCおよび動作環境温度の変化により、またはプロセスのバラツキによる影響でトランジスタの能力が変わる。このため、VCO40の制御特性が変わる。
図8は、VCO40の制御特性の一例を示している。トランジスタの能力が高い場合に、VCO40は同図Aの制御特性を有する。このとき、入力される制御信号SC の電圧変化Δvに対して、VCO40の発振周波数fVCO の変化分Δfが大きく、その制御特性はよい。逆に、トランジスタの能力が低い場合に、VCOは同図Bの制御特性を有する。このとき、入力される制御信号SC の電圧変化Δvに対して、VCOの発振周波数fVCO の変化分Δfが小さく、その制御特性は悪い。
【0039】
ここで、VCO40の制御利得をKVCO とすると、KVCO は次式により表される。
【数2】
KVCO =Δv/Δf …(2)
【0040】
上述のように、VCO40の制御利得が大きいほどその制御特性がよい。しかし、電源電圧VCC、動作環境温度の変化およびプロセスのバラツキなどによる影響で、VCO40の制御利得KVCO が変化する。
VCO40の制御利得KVCO が変化すると、それに応じてPLL回路全体のオープンゲインも変化する。PLL回路のオープンゲインGPLL は、次式により表される。
【0041】
【数3】
GPLL =IPCZF KVCO /2π …(3)
【0042】
式(3)において、IPCは、チャージポンプ20の出力電流、ZF はループフィルタ30のインピーダンスである。チャージポンプ20の出力電流IPCおよびループフィルタ30のインピーダンスZF が固定すると、PLL回路のオープンゲインGPLL はVCO40の制御利得の変化に応じて変化するので、PLL回路の動作が不安定になる。
【0043】
本発明は、チャージポンプ20の出力電流を制御することによって、PLL回路のオープンゲインを一定に保持する。具体的に、本発明においてトランジスタの能力をモニタし、トランジスタの能力が高い場合にチャージポンプの出力電流を下げ、逆にトランジスタの能力が低い場合にチャージポンプの出力電流を上げることによって、PLL回路のオープンゲインを一定に保持する。
【0044】
図9はチャージポンプ20の一例を示している。図示のように、チャージポンプ20は、電流源ISC1,ISC2、pMOSトランジスタP1〜P4、nMOSトランジスタN1〜N3により構成されている。
トランジスタP1,P2とP3はカレントミラーを構成している。トランジスタP1,P2とP3のソースがともに電源電圧VCCに接続され、ゲート同士が接続され、その接続点がトランジスタP1のドレインに接続されている。トランジスタP1と並列に、電流源ISC2が接続されている。
このため、トランジスタP1に電流源ISC1の供給電流IP と電流源ISC2の供給電流IC との差電流ΔIC が流れる。トランジスタP2とP3のドレインから当該差電流ΔIC に応じた電流が流れる。ここで、カレントミラーを構成するトランジスタP1,P2,P3のサイズが同じとすると、トランジスタP1、P2およびP3の電流は等しく、次式によって求まる。
【0045】
【数4】
ΔIC =IP −IC …(4)
【0046】
また、トランジスタN1とN2もカレントミラーを構成している。図示のように、トランジスタN1とN2のソースが接地され、ゲート同士が接続され、その接続点がトランジスタN1のドレインに接続されている。トランジスタN1のドレインとトランジスタP2のドレインが接続されている。このため、トランジスタN1にトランジスタP2のドレイン電流とほぼ同じ電流が流れ、トランジスタN2にトランジスタN1の電流に応じた電流が流れる。ここで、トランジスタN1とN2のサイズが同じとすると、トランジスタN2の電流は、差電流ΔIC に等しい。
【0047】
トランジスタP4は、トランジスタP3のドレインと出力端子OUTとの間に接続され、トランジスタN3は、出力端子OUTとトランジスタN2のドレインとの間に接続されている。アップ信号SUPはインバータINV1を通してトランジスタP4のゲートに印加され、ダウン信号SDWはトランジスタN3のゲートに印加されている。
このため、位相比較回路10からダウン信号SDWが出力されるとき、トランジスタP4がオンとなり、チャージ電流IP1が出力端子OUTに出力される。一方、位相比較回路10からアップ信号SUPが出力されるとき、トランジスタN3がオンとなり、出力端子OUTからトランジスタN3,N2を経由して接地側に向かってディスチャージ電流IP2が流れる。なお、チャージ電流IP1およびディスチャージ電流IP2の電流量は、上述したように、差電流ΔIC およびカレントミラーを構成するトランジスタP1〜P3、N1とN2のサイズにより決まる。カレントミラーを構成するトランジスタのサイズが等しい場合に、チャージ電流IP1およびディスチャージ電流IP2はともにΔIC となる。
【0048】
上述したチャージポンプ20において、電流源ISC1の供給電流Ip が固定しているが、電流源ISC2の供給電流IC がトランジスタの能力に比例して設定される。即ち、トランジスタの能力が高くなると、電流源ISC2の供給電流IC が高く制御され、逆にトランジスタの能力が低くなると、電流源ISC2の供給電流IC が低く制御される。これに対して、チャージポンプ20の出力電流は、固定電流IP と変化する電流IC との差電流ΔIC に応じた電流であるため、逆の特性を有する。
【0049】
例えば、電源電圧VCCが上昇するおよび動作環境温度が低下する場合、または、プロセスのバラツキによる影響で、トランジスタの能力が高くなると、PLL回路のオープンゲインが高くなる。一方、電流源ISC2の供給電流ICがトランジスタの能力に応じて設定されるので、差電流ΔICが低下する。チャージポンプ20の出力電流が差電流ΔICに応じて設定されるため、電流源ISC1の供給電流IPおよび電流源ISC2の供給電流IC を適宜設定することによって、式(3)に示すPLL回路のオープンゲインGPLLは、トランジスタの能力変化に依存せず、一定に保持される。
電源電圧VCCの低下、動作環境温度の上昇またはプロセスのバラツキなどにより、トランジスタの能力が低下する場合に、PLL回路のオープンゲインが低くなる。この場合に、電流源ISC2の供給電流ICがトランジスタの能力の低下に応じて小さくなるので、差電流ΔICが増加する。この結果、チャージポンプ20の出力電流が増加し、PLL回路のオープンゲインは一定に保持される。
【0050】
図10は、電流源ISC2の一具体例を示す回路図である。図示のように、電流源ISC2は、pMOSトランジスタP5により構成されている。トランジスタP5はトランジスタP1と並列に接続されている。即ち、トランジスタP5とP1のソース、ドレイン同士がそれぞれ接続されており、さらにトランジスタP5のゲートが接地されている。
【0051】
電源電圧VCCの変化および動作環境温度の変化に応じてトランジスタの能力が変化すると、トランジスタP5に流れる電流がそれに応じて変化する。また、プロセスのバラツキが生じた場合に、トランジスタなどの回路素子の絶対精度に誤差が生じるが、同じ基板上に形成された回路素子間の相対精度がほとんど影響されない。図10の回路例において、チャージポンプ20およびVCO40などが同じチップ上に形成されている場合に、電源電圧VCC、動作環境温度の変化およびプロセスのバラツキの影響でトランジスタの能力がほぼ同じ傾向で変化する。このため、トランジスタP5に流れる電流IC の変化が回路を構成する他のトランジスタの能力の変化を反映する。即ち、トランジスタP5の電流IC に基づき、PLL回路のループゲインを補正することが可能である。
【0052】
例えば、電源電圧VCCが高くなる場合に、トランジスタP5のゲート−ソース間電流Vgsも高くなり、トランジスタP5に流れる電流IC が増加する。電流IC の増加の割合はトランジスタP5のサイズと電流源ISC1の供給電流IP との関係で設定することが可能である。これによって、電流IP とIC との差電流ΔIC は、トランジスタの能力に応じて制御される。即ち、チャージポンプ20の出力電流がトランジスタの能力に応じて制御されるので、PLL回路のオープンゲインは、電源電圧VCCの変化に依存せず、一定に保持することができる。上述した電源電圧VCCの変化以外に、動作環境温度の変化およびプロセスのバラツキによるトランジスタの能力の変化にも同様に対処でき、チャージポンプ20の出力電流をトランジスタの能力変化に応じて制御することによってPLL回路のオープンゲインを一定に保持することができる。
【0053】
通常のICチップにおいて、nMOSトランジスタとpMOSトランジスタのプロセスのバラツキには強い相関があるので、図10に示すように、pMOSトランジスタP5のみを用いて構成された電流源ISC2によってPLL回路の特性を十分に補正できるが、nMOSトランジスタの能力変化分も考慮して、nMOSトランジスタとpMOSトランジスタの両方の特性を反映させるには、図10に示す電流源ISC2の代わりに、図11に示す電流源ISC3を用いることがよい。
【0054】
図11に示す電流源ISC3は、nMOSトランジスタN4とpMOSトランジスタP5,P6,P7により構成されている。トランジスタP6とP7のゲート同士が接続され、その接続点がトランジスタP6のドレインに接続されている。即ち、トランジスタP6とP7によってカレントミラーが構成されている。トランジスタN4のゲートは電源電圧VCCに接続され、ドレインはトランジスタP6のドレインに接続されている。
トランジスタP5のゲートは接地され、ソースは電源電圧VCCに接続され、ドレインはトランジスタP7のドレインと共通に接続されている。
【0055】
このように構成されている電流源ISC3において、電源電圧VCC、動作環境温度およびプロセスのバラツキでトランジスタの能力が変化すると、nMOSトランジスタN4に流れる電流ICNおよびpMOSトランジスタP5に流れる電流ICPがそれぞれ変化する。このため、電流源ISC3の出力電流IC (IC =ICN+ICP)は、nMOSトランジスタおよびpMOSトランジスタ両方の能力の変化を反映することができる。
【0056】
電流源ISC1の供給電流IP と電流源ISC3の供給電流IC との差電流ΔIC に応じてチャージポンプ20の出力電流が設定されるので、nMOSトランジスタおよびpMOSトランジスタの能力の変化分だけチャージポンプ20の出力電流が変化し、これによってPLL回路全体のループゲインを一定に保つことができる。
【0057】
図12は、定電流IP を供給する電流源ISC1の一構成例を示している。図示のように電流源ISC1は、演算増幅器OPA1、nMOSトランジスタN5および抵抗素子R1により構成されている。演算増幅器OPA1の入力端子(+)には、基準電圧Vref が入力される。トランジスタN5のゲートは、演算増幅器OPA1の出力端子に接続され、ソースは抵抗素子R1を介して接地され、さらに演算増幅器OPA1の反転入力端子(−)に接続されている。
【0058】
ここで、トランジスタN5に流れる電流をIP とする。例えば、何らかの原因で電流IP が所望の値より大きくなると、トランジスタN5のソース電位Vr も上昇する。これに応じて演算増幅器OPA1の出力電圧が低下するので、トランジスタN5の電流IP が低くなるように制御される。
トランジスタN5の電流IP が所望の値より低くなると、トランジスタN5のソース電流Vr も低下する。これに応じて演算増幅器OPA1の出力電圧が上昇するので、トランジスタN5の電流IP が高くなるように制御される。
【0059】
上述のように、トランジスタN5の電流IP は常に所望の値に制御される定電流である。このため、トランジスタN5の電流IP を電流源ISC1の供給電流IP として、チャージポンプ20に供給される。当該電流IP は、電源電圧VCC、動作環境温度およびプロセスのバラツキによらず、ほぼ一定に保持されるので、これを用いて発生した差電流ΔIC は、トランジスタの能力変化を正確に反映することができる。その結果、差電流ΔIC に応じてチャージポンプ20の出力電流が制御され、PLL回路全体のループゲインを常に一定に制御される。
【0060】
以上説明したように、本実施形態によれば、電流源ISC1により供給される定電流IP と電流源ISC2によりトランジスタの能力に応じて供給される可変電流IC との差電流ΔIC に応じて、チャージポンプ20の出力電流を制御する。これため、PLL回路を構成するトランジスタの能力変化に応じてチャージポンプ20の出力電流が変化し、PLL回路のループゲインを一定に制御できるので、電源電圧、動作環境温度の変化およびプロセスのバラツキによる影響を抑制でき、PLL回路の動作の安定性を改善できる。
【0061】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のPLL回路によれば、電源電圧の、動作環境温度の変化およびプロセスのバラツキによるトランジスタの能力変化により生じたPLL回路のループゲインの変化を補正でき、PLL回路のループ特性をほぼ一定に保持でき、安定した動作を実現できる利点がある。
また、本発明のPLL回路によれば、広範囲に変化する電源電圧に対応することができ、プロセスのバラツキに強いPLL回路を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るPLL回路の一実施形態を示す回路図である。
【図2】位相比較回路の構成を示す回路図である。
【図3】位相比較回路の動作を示す波形図である。
【図4】ループフィルタの構成を示す回路図である。
【図5】電圧制御発振回路(VCO)の構成を示す回路図である。
【図6】VCOを構成する反転遅延素子の一例を示す回路図である。
【図7】VCOを構成する反転遅延素子の他の例を示す回路図である。
【図8】VCOの制御特性を示すグラフである。
【図9】本発明のチャージポンプの構成を示す回路図である。
【図10】本発明のチャージポンプの具体例を示す回路図である。
【図11】チャージポンプを構成する可変電流源の他の構成例を示す回路図である。
【図12】チャージポンプを構成する固定電流源の構成例を示す回路図である。
【図13】一般的なチャージポンプの構成を示す原理図である。
【図14】一般的なチャージポンプを示す回路図である。
【符号の説明】
10…位相比較回路、20…チャージポンプ、30…ループフィルタ、40…電圧制御発振回路(VCO)、50…分周回路、P1,P2,…,P7…pMOSトランジスタ、N1,N2,…,N5…nMOSトランジスタ、VCC…電源電圧、GND…接地電位。
Claims (6)
- 制御信号の電圧レベルによって設定された周波数で発振し、発振信号を出力する電圧制御発振回路と、
上記電圧制御発振回路からの発振信号と基準信号との位相を比較し、当該比較結果に応じた位相差信号を出力する位相比較回路と、
上記位相比較回路からの位相差信号に応じてスイッチ回路を切り替えて電流を出力または入力する電流出力部と、一方の出力端子が第2の電圧源に接続され他方の出力端子から定電流を供給する第1の電流源と、一方の出力端子が第1の電圧源に接続され他方の出力端子が上記第1の電流源の上記他方の出力端子に接続される第1の第1導電型トランジスタを有する第2の電流源と、一方の出力端子が上記第1の電圧源に接続され他方の出力端子が上記第2の電流源の上記他方の出力端子と上記第1の電流源の上記他方の出力端子と上記電流出力部の電流供給用の入力端子とに接続される第3の電流源と、を有するチャージポンプと、
上記チャージポンプの出力電流に応じてレベルが設定される電圧信号を発生し、当該電圧信号を上記制御信号として上記電圧制御発振回路に出力する電圧信号発生回路と
を有するPLL回路。 - 上記第3の電流源は、上記第2の電流源と並列に接続され、さらにソースが上記第1の電圧源に接続されている第2の第1導電型トランジスタと、
ゲートが上記第2の第1導電型トランジスタのゲートに接続され、当該ゲート同士の接続点が上記第1の第1導電型トランジスタのドレインに接続されている第3の第1導電型トランジスタと、を有し
上記第1の電流源の上記他方の出力端子が上記第1の第1導電型トランジスタのドレインに接続されている
請求項1記載のPLL回路。 - 上記第2の電流源の上記第1の第1導電型トランジスタは、ソースが上記第1の電圧源に接続され、ドレインが上記第2の第1導電型トランジスタのドレインに接続され、ゲートが上記第1の電圧源と異なる上記第2の電圧源に接続されている、
請求項2記載のPLL回路。 - 上記第2の電流源は、ソースが上記第1の電圧源に接続され、ドレインが上記第1の電流源の上記他方の出力端子に接続され、ゲートが上記第1の電圧源と異なる上記第2の電圧源に接続されている上記第1の第1導電型トランジスタと、
ソースが上記第1の電圧源に接続され、ゲートとドレインが接続されている第4の第1導電型トランジスタと、
ソースが上記第1の電圧源に接続され、ゲートが上記第4の第1導電型トランジスタのゲートに接続され、ドレインが上記第1の第1導電型トランジスタのドレインに接続されている第5の第1導電型トランジスタと、
ドレインが上記第4の第1導電型トランジスタのドレインに接続され、ゲートが上記第1の電圧源に接続され、ソースが上記第2の電圧源に接続されている第1の第2導電型トランジスタと
を有する請求項2記載のPLL回路。 - 上記第1の電流源は、非反転入力端子に所定の基準電圧が印加されている演算増幅回路と、
ゲートが上記演算増幅回路の出力端子に接続され、ソースが上記演算増幅回路の反転入力端子に接続され、当該接続点が抵抗素子を介して上記第2の電圧源に接続され、ドレインが上記第1の第1導電型トランジスタのドレインに接続されている第2の第2の導電型トランジスタと
を有する請求項2記載のPLL回路。 - 上記第2の電圧源は接地電位を供給し、上記第1導電型トランジスタはpMOSトランジスタからなり、上記第2導電型トランジスタはnMOSトランジスタからなる
請求項3記載のPLL回路。
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