JP4323425B2 - 位相ロックループ回路、位相ロックループ回路を含む電子装置、及び周期信号を生成する方法 - Google Patents

位相ロックループ回路、位相ロックループ回路を含む電子装置、及び周期信号を生成する方法 Download PDF

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Description

本発明は、位相ロックループ(PLL)回路、そのような回路を含む電子装置、及び周期信号を生成する方法に関する。
PLLはこの技術分野において一般的に知られている。一般に、PLLは入力信号と基準信号との間の位相差を検出する位相検出器を含んでいる。位相検出器の出力は電圧制御発振器(VCO)に接続されており、該VCOはその入力に提供される信号の電圧に応じて決まる周波数を有する出力信号を出力する。位相検出器とVCOとの間には、(ループ)フィルタ部が設けられることが多い。VCOはフィードバック回路に接続される。このフィードバック回路の出力は、位相検出器によって入力信号と比較される基準信号を提供する。通常は、フィードバック回路は、基準信号の周波数をPLL入力信号の周波数に変換するために分周器を含んでいる。
入力に周波数ステップが印加された後に、周波数誤差がゼロになることが、PLLに通常は要求される。PLLの入力における周波数ステップは、PLLの位相検出器は基準信号と入力信号との間の位相差を比較するので、位相検出器の入力の位相における傾きに対応している。PLLの設定の後に、位相誤差ゼロに到達するためには、基本的制御理論から明らかなように、2つの積分器が必要である。一方の積分器は電圧制御発振器(VCO)に本質的に存在しており、他方の積分器は、通常は位相検出器の電流出力とループフィルタ内のキャパシタとの組み合わせによって実現される。これらの積分器は、複素「s」平面(「s」は周知のラプラス演算子)の原点にある2つの極によって表わすことができる。
しかしながら、これらの積分器は、例えば、PLLのルート位置が正の実数成分を有するとき、PLLの不安定性を引き起こすことがある。すなわち、PLLのゲインのある値に対して、回路の極がs平面の右半分に入ることがあり、その結果システムが不安定となる。発行された米国特許第5504459号から、PLLが不安定となるのを防止するためには、伝達関数においてPLLにゼロを提供することが知られている。この特許では、PLLのループフィルタにおいてキャパシタに直列に接続された抵抗によって実現されている。
そのようなゼロによる不利益は、PLLの帯域外の減衰が減少することである。なぜなら、PLL周波数帯域内での閉鎖ループ伝達の次数がKであり閉鎖ループの伝達がゼロを含む場合、PLL周波数帯域の外側のPLLの次数はK−1となるからである。このため、ωを周波数とすると、PLLの周波数帯域外部の減衰はωK−1に比例するが、ゼロがないシステムでは減衰はωKに比例する。帯域外の減衰が減少するだけでなく、周波数ステップがPLLの入力に印加されるとき、ゼロが存在することによって周波数ステップ応答においてオーバーシュートがもたらされる。実際には、このオーバーシュートは位相検出器の出力での電圧の上限により大きな余裕を必要とする。その上、同じ帯域幅でゼロがないシステムと比較して設定時間が増大する。
本発明の目的は、PLLの周波数帯域外部の周波数を有する信号成分の減衰が良好なPLLを提供することである。従って、本発明は請求項1によるPLLを提供する。
フィードバックパスがゼロを含んでいるため、PLLの減衰が増大する。フィードバックパス内のゼロの存在は、閉鎖ループの伝達におけるゼロを見えなくする。閉鎖ループの伝達においてゼロが存在しないので、帯域外のゲインの低下が増大することで帯域外の減衰が増大する。例えば、本発明によるPLLにおいてPLL周波数帯域内部の閉鎖ループ伝達の次数がKである場合、ωを周波数とすると、PLLの周波数帯域外部の減衰はωKに比例するが、ゼロが存在するシステムでは閉鎖ループの伝達において減衰はωK−1に比例するであろう。
その上、本発明は請求項9による方法及び請求項10による装置を提供する。本発明の特定の実施形態は従属請求項で定義される。本発明の更なる詳細事項、態様及び実施形態は、添付の図面を参照して以下に説明する。
本明細書において以下の用語を使用する。伝達関数H(s)は、ラプラスsドメインから見た、装置の入力信号と出力信号との関係であり、伝達関数はまたシステム関数として文献で呼ばれている。jが−1の平方根でωが信号の周波数であるとき、s=jωについてシステム関数は周波数応答と呼ばれる。フォワードパス伝達は、システムのフォワードパスを通じた伝達である。フィードバックシステムのループゲインは、フォワードパスを通じて伝達しその後フィードバックループを通じて戻す。システムの閉鎖ループ伝達Hclosedは、フィードバックが存在するシステムでの入力から出力への伝達である。装置の極は、装置の伝達関数が無限大に近づく(複素)周波数である。装置のゼロは、装置の伝達関数がゼロに近づく(複素)周波数である。
図1は、従来技術から知られる位相ロックループ(PLL)1の概略ブロック図である。PLL1は、PLL入力11とPLL出力12とを有している。PLL1は、コンバイナデバイス2及び位相検出器3を備える位相検出器部、ローパスフィルタ4、電圧制御発振器(VCO)5及び分周器6を含んでいる。PLL1は、フィードバックループ13によりフィードバックシステムを形成している。
PLL入力11には入力周波数(fin)の入力信号が存在するであろう。その場合、PLLは、PLL出力12に出力周波数(fout)のVCO信号を提供する。VCO信号は、VCO入力信号の電圧に基づいてVCO5によって生成される。PLL1がロックされると、VCO信号の位相は分割係数Nが乗じられた入力信号の位相と等しくなるであろう。このため、出力周波数foutは分割係数で乗じられた入力周波数finと等しくなる、すなわち、
out=N・fin
となる。
VCO出力信号の周波数foutは、分周器6によって分割比6で分割される。この結果、分割された周波数の信号あるいは基準信号fdivは、
div=fout/N
に等しくなる。
周波数分割された信号fdivは入力周波数の入力信号と、この例では入力周波数の入力信号と分割されたあるいは基準周波数の信号との差分を決定することによって、コンバイナデバイス2によって結合される。コンバイナデバイス2によって得られる出力信号は、位相検出器3に送信される。位相検出器3は、分割された周波数fdivの信号と入力周波数finの信号との位相における差分に基づいて、差分信号を出力する。差分信号はフィルタ4によってローパスフィルタされ、VCO5の発振を制御するVCO入力信号として使用される。PLLでは、フィルタ部3及び分周器6は省略されてもよい。しかしながら、ほとんどのPLLは(ループ)フィルタ及び分周器を含んでいる。その上、電圧制御発振器の代わりに、電流制御発振器を使用してもよい。
図2は、本発明によるPLL10の例を示している。図1の従来技術のPLL1と同様に、PLL10は、PLL入力11、PLL出力12、コンバイナデバイス2、位相検出器3、ローパスフィルタ4及び電圧制御発振器(VCO)5を有している。PLL10はまた、フィードバックループ13を備えている。結合されたゼロ及び分周器デバイス7がフィードバックループに設けられている。
ゼロ及び分周器デバイス7は、少なくとも1つのゼロを有する伝達関数G(s)を有している。例えば、デバイス7の伝達関数G(s)は、
Figure 0004323425
のタイプであってもよい。
この式において、sは複素周波数を表わし、Nは分周器の分割比であり、τはゼロの時定数を表わしている。このため、デバイス7は、sが−1/τに等しいときにゼロとなる。デバイス7の入力信号はPLL出力信号foutであり、デバイス7の出力信号は分割された信号fdivである。PLL10の閉鎖ループの伝達関数Hclosed(s)は、
Figure 0004323425
で与えられる。
この式において、H(s)はPLLのフォワードパス伝達関数であり、
Figure 0004323425
である。
この式において、Kは位相検出器3の伝達関数を表わし、H(s)はフィルタ部4の伝達関数を表わし、K/sはVCO5の伝達関数を表わしている。従って、PLLの閉鎖ループ伝達関数は、
Figure 0004323425
に等しい。
図2のPLLにおいて、ゼロデバイス7はフィードバックループ13の一部、すなわち、ゼロは分周器5内に組み込まれている。式(4)から分かるように、デバイス7の伝達関数においてゼロは、PLLの閉鎖ループの伝達におけるゼロとしては存在していない。そのようなゼロは見かけ上のゼロと呼ばれることが多い。それにより、ゼロは安定したシステムをもたらすが、帯域外の減衰を低減させることはない。
その上、見かけ上のゼロのないシステムと比較して、帯域外のあるスポット周波数での所与の除去についての閉鎖ループの帯域幅を増大させることができる。それにより、帯域外のあるスポット周波数(及びより高い周波数)についての帯域外除去性能に影響を与えること無しに、周波数ステップを印加した後の設定時間が改善される。例えば、帯域外周波数ωでの減衰が5/τzに等しいと想定することが、位相−雑音要件により特定される。原型となるシステム(すなわち、フィードバックループにゼロがないシステム)が3つの等しい閉鎖ループ極を有する3次のシステムである場合、フィードバックループにゼロがあるシステムの時定数は、この目的を達成するためには2.5倍小さくなるであろう。このため周波数ステップの設定時間は、従来技術のPLLに比較してほぼ2.5の係数で改善される。改善された帯域外の減衰により、帯域外の周波数についての改善係数は、5/τよりかなり大きくなるであろう。
代替的に、元のシンセサイザと比較して同じ帯域外除去性能を維持しつつ、ループの次数を1つ減らすと同時に従来のPLLと比較して時定数を変更してもよい。これにより、標準的3次システムをフィードバックループにゼロがある2次システムに置き換えるとき、設定時間において係数2.2での改善をもたらす。(この場合、本発明によるPLLの時定数は従来技術のPLLと比較して0.58倍小さいということがシミュレーションからわかる)。
概して、閉鎖ループの伝達においてゼロをなくすこと及び実数の閉鎖ループ極を選択することは、出力周波数のステップ応答におけるオーバーシュートを減少する。このため、周波数ステップが印加されるとき、VCO制御信号のオーバーシュートは小さくなるであろう。これにより、同じ供給電圧について、VCO制御電圧の許容可能な揺れ(電圧範囲)が増大される。代替的に、所与の揺れについて必要な供給電圧が減少され得る。このため、所与の揺れに対して低い供給電圧が使用され得るので、消費電力が低減される。
更に、本発明によるPLLにおいて、閉鎖ループ伝達にゼロがあるPLLと比較して、閉鎖ループの位相伝達のピーキングが減少される。これは帯域のエッジで位相雑音の増幅が全く生じないことを意味する。
また、任意の位相検出定数との組み合わせにおいて、見かけ上のゼロの周波数配置を変更することによって、切り替えの間に帯域幅を容易に変更することが可能となる。これは例えば、ゼロ及び/又は位相検出器に可変抵抗を用いて可変時定数を使用して実行され得る。
また、フィードバックループにおけるゼロの存在により、大きな初期周波数誤差が存在するときに、高速なロックを得るための、位相−周波数検出器はもはや必要ない。代わりに単純な位相検出器が使用され得、それにより検出器の複雑性が低減される。
図2において、ゼロは分周器の機能も実行するデバイス内で実現される。このゼロはフィードバックループ内で別の方法で実現されてもよい。例えば、図3のPLLは、分周器6及び独立したゼロデバイス71があるフィードバックループ13を有している。ゼロデバイス71は、ゼロ入力711で分周器出力62と接続されている。ゼロデバイスのゼロ出力712は、コンバイナデバイス2の基準入力22に接続されている。図3による実施例の利点は、ゼロの実現をループ内のシステム内で最も低い周波数が存在する位置に置くことである。これはゼロの実現を容易にし、消費電力を最小にするであろう。
図4のPLLは、2つのパス131,132があるフィードバックループ13を有している。第1のパス131は、伝達関数がτs/Nに等しい第1の分周器72を備えている。厳格な意味では分周器72は瞬間的位相弁別器であるが、この点から分周器と呼ばれることに注意されたい。第2のパス132は、伝達関数1/Nの第2の分周器デバイス6を備えている。このように第2の分周器6は通常の分周器でよい。2つの分周器の両方は、それらの出力62及び722が第2のコンバイナデバイス200の入力201、202に接続されている。この例では、第2のコンバイナデバイス200は、コンバイナ入力201,202の現れる信号を加算する加算デバイスである。分周器デバイス6及び72それぞれの入力61及び721は、VCO5の出力に接続されている。第2のコンバイナデバイス200の第2のコンバイナ出力203は、コンバイナデバイス2の第2の入力22に接続されている。フィードバックループ13、131、132の結合された伝達関数は、分周器デバイス6、72の結合された伝達であり、従って(1+τs)/Nに等しい。
図4の例の利点は、既に存在するフィードバックパスと並列にゼロを挿入することによって、既存のPLLに使用できることである。この既に存在するフィードバックパスは、通常PLLの分周器を含んでいる。
図5のPLL10の例もまた、2つのフィードバックパス131、132を備えている。第1のフィードバックループ131は、伝達関数1/Nの分周器6を備えている。分周器6は、例えば、一般的な分周器であってもよい。第2のフィードバックループ132は、伝達関数KτS/Nの結合された位相検出器及びゼロデバイス73を備えており、Kは位相検出器の伝達関数を表わしている。位相検出器の出力32及びゼロデバイスの出力732は、第2のコンバイナデバイス210の入力201及び202に接続されている。第2のコンバイナ200の出力203は、フィルタ部4の入力41に接続されている。ゼロデバイス73の時定数がKτ/Nに設定されているのが好ましいが、これは必須ではない。
図5の本発明によるPLLの例の利点は、VCOの出力と位相検出器の出力との間にゼロを挿入することにより既存のPLLで容易に実現できることである。
フィードバックループ内の分周器は、分数型分周器又はデルタシグマ駆動の分周器として実現されてもよい。そのような場合、そのような分周器の出力信号は、不要な雑音のある位相を有する信号と所望の位相の信号との和としてモデル化され得る。本発明によるPLL10の図6に示される例では、ゼロデバイス72は、VCOの出力と位相検出器の入力との間に配置されている。デルタシグマ変調器8が分周器62の制御入力63に接続されている。ゼロデバイス7は、PLL出力12に入力721で接続されている。ゼロデバイス7の出力722は、第2のコンバイナデバイス200の第1の入力201に接続されている。コンバイナデバイス200の第2の入力202は、分周器6の出力62に接続されている。コンバイナデバイス200は、入力201,202に現れる信号を加算する。
これにより、分周器の出力信号の前でかつこの信号の後でない位置でゼロが実現される。このため、ゼロがフィードバックループパス内に位置し、実際に見かけ上のゼロであることが保証される。デルタシグマ制御される分周器が使用されるとき、分周器の元の出力信号と位相検出器の入力との間にゼロも同様に配置され得る。この場合、分周器のジッタはゼロにおける同じ量のジッタによって補償されるであろう。この補償信号は、分数型分周器を制御する回路から求められるであろう。図7において、そのような補償のあるPLLの例が示されている。
図7は、デルタシグマ駆動の分周器6を有するPLLを示している。分周器6の制御入力63はデルタシグマ変調器8に接続されている。デルタシグマ変調器8は、第2のコンバイナデバイス210及びゼロデバイス74の第1の入力741にも接続されている。ゼロデバイス74の第2の入力742は、分周器6の出力に接続されている。ゼロデバイス74の出力は、第1のコンバイナ2の第2の入力22に接続されている。第2のコンバイナデバイス210の第1の入力201は、位相検出器3の出力に接続されている。第2のコンバイナデバイス210の出力203は、フィルタ部4に接続されている。
図8の本発明によるPLLの例では、ゼロデバイス71は、分周器61とVCO5との間に設けられている。ゼロデバイスの入力711はVCOの出力に接続されており、ゼロデバイスの出力712は分周器6の入力62に接続されている。ゼロデバイス7は、1+τssに等しい伝達関数を有している。図8では、ゼロデバイスは、上記の伝達関数を有する単一のデバイスで実現されている。代替例として示す図9では、必要な伝達関数は、τssに等しい伝達を有し、入力752と出力751がコンバイナデバイス220の入力に接続されたデバイス75によって得られるであろう。
本発明によるPLLは、アナログデバイス及び/又はデジタルデバイス及び/又はソフトウエアで実現されてもよい。同様に、フィードバックループ内のゼロも、アナログ領域及び/又はデジタル領域及び/又はソフトウエアで実現されてもよい。ゼロはあらゆる適切な方法で実現されてもよい。ゼロは例えば、周波数弁別器として実現されてもよい。そのような周波数弁別器デバイス900の例が、図10に示されている。弁別器は、遅延デバイス910、乗算素子920及びローパスフィルタ930を備えている。遅延デバイスは、入力及び出力の両方が乗算器の入力に接続されている。乗算器の出力は、フィルタ930の入力に接続されている。遅延デバイス910の遅延は正確に選択され(ωτ=π/2+nπかつτ=τ)、出力信号はωに関して小さな周波数偏差に比例する。ローパスフィルタ930は、PLL内に既に存在するフィルタと結合してもよい。
周波数弁別器の別の例が図11に示されている。図11の周波数弁別器は、弁別器の入力uの正及び負の端子の間に接続されたキャパシタを備えている。キャパシタに接続されているのは、入力端子間の電流に比例する信号を提供する増幅デバイスRtIである。例えば、入力信号がA・cos(φ(t))に等しく、キャパシタが容量Cで増幅器の増幅度がRtであると想定すると、図11の弁別器の出力信号は、R・C・A・sin(φt)・d(φ(t))/dt、に等しい。
ゼロが別の方法で実現されてもよい。例えば、ベアーズ等(Beards at al.)、「オーバーサンプリング・デルタシグマ周波数弁別器(An oversampling Delta-sigma frequency discriminator)」、IEEE Transactions On Circuits and Systems-II:「アナログ及びデジタル信号処理(Analog and digital signal processing)」、vol.41, no.1、1994年1月、pp.26-32、から知られるデジタル周波数弁別器を全ての弁別器に用いたような、異なる周波数弁別器を用いて実現してもよい。
1つ以上の周期信号を生成するために、本発明によるPLLあるいはシンセサイザを、(ポータブルの)通信デバイスに用いてもよい。このPLLは例えば、受信した無線信号をより低い周波数に変換するため、あるいは送信すべき信号を所望の無線周波数に変換するために必要となるであろう。そのようなアプリケーションでは、シンセサイザあるいはPLLをできるだけ素早く切り替えられるようにすることが要求されることが多い。特に、高速な周波数ホッピング・システムでは、システムがブルートゥース・プロトコルに従って動作するように、PLLの設定時間は大きな問題である。このため、本発明によるPLLはそのようなシステムで使用されるのに特に適している。
従来技術で知られる位相ロックループの例のブロック図である。 本発明による位相ロックループの実施形態の第1の例を示すブロック図である。 本発明による位相ロックループの実施形態の第2の例を示すブロック図である。 本発明による位相ロックループの実施形態の第3の例を示すブロック図である。 本発明による位相ロックループの実施形態の第4の例を示すブロック図である。 本発明による位相ロックループの実施形態の第5の例を示すブロック図である。 本発明による位相ロックループの実施形態の第6の例を示すブロック図である。 本発明による位相ロックループの実施形態の第7の例を示すブロック図である。 本発明による位相ロックループの実施形態の第8の例を示すブロック図である。 本発明による位相ロックループにおいてゼロを提供するのに使用され得る周波数弁別器の回路図である。 本発明による位相ロックループにおいてゼロを提供するのに使用され得る周波数弁別器の回路図である。

Claims (15)

  1. 位相ロックループ(PLL)回路(1)であって、少なくとも、
    ループ入力(11)と、
    前記ループ入力からの入力信号を受信する検出入力(21)と、基準信号を受信する基準入力(22)とを有し、前記入力信号と該基準信号との間の位相差を検出し、該位相差に関連する信号を出力する検出出力を有する位相検出部(2,3)と、
    前記検出出力に通信可能に接続されている入力と、ループ出力(12)に接続された発振出力とを有する制御発振器(5)と、
    前記制御発振器の前記発振出力を前記基準入力に接続するフィードバック回路(13)とを含み、
    前記フィードバック回路が、少なくとも1つのゼロを有する伝達関数を有するデバイス(7、71−75)を含み、前記フィードバック回路の閉ループ伝達関数がゼロでないことを特徴とする位相ロックループ回路。
  2. 前記検出出力に接続されたフィルタ入力と、前記制御発振器の前記入力に接続されたフィルタ出力とを有するフィルタ部(4)を更に含むことを特徴とする請求項1に記載の位相ロックループ回路。
  3. 前記フィードバック回路が、少なくとも1つの分周器デバイス(6、7、72、73)を更に含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の位相ロックループ回路。
  4. 前記分周器デバイスが、デルタシグマ変調器デバイス(8)に接続されていることを特徴とする請求項3に記載の位相ロックループ回路。
  5. 前記分周器デバイス(7、72、73)が、前記ゼロの伝達関数を有することを特徴とする請求項3又は4に記載の位相ロックループ回路。
  6. 前記フィードバック回路が、第1の分周器デバイス(6)及び第2の分周器デバイス(72、73)を含み、前記第2の分周器デバイスが、ゼロの伝達関数を有することを特徴とする請求項3から5のいずれか1項に記載の位相ロックループ回路。
  7. 前記第1の分周器デバイス(6)及び第2の分周器デバイス(72)が並列に接続されており、前記第1の分周器デバイスの出力及び前記第2の分周器デバイスの出力それぞれが第2のコンバイナデバイス(200)の入力に接続されており、前記第2のコンバイナデバイスの出力が前記位相検出部の前記基準入力に接続されていることを特徴とする請求項6に記載の位相ロックループ回路。
  8. 前記第2の分周器デバイス(73)の出力が第2のコンバイナデバイス(210)の第1の入力に接続されており、前記第2のコンバイナデバイスの出力が前記制御発振器(5)に接続され、前記位相検出部の前記検出出力に前記第2のコンバイナデバイス(210)の第2の入力が接続されており、
    前記第2の分周器デバイスが他の位相検出部及び前記ゼロの伝達関数を有することを特徴とする請求項6に記載の位相ロックループ回路。
  9. 前記分周器デバイス(6)が、ゼロの伝達関数を有する他のフィルタデバイス(74)に直列に接続されていることを特徴とする請求項4に記載の位相ロックループ回路。
  10. 前記ゼロの伝達関数を有する他のフィルタデバイス(74)が、前記分周器デバイス(6)の出力に接続された入力と、前記位相検出部の前記基準入力に接続された出力を有することを特徴とする請求項9に記載の位相ロックループ回路。
  11. 前記ゼロの伝達関数を有する他のフィルタデバイス(74)が、前記デルタシグマ変調デバイスに接続された第1の入力(741)と、前記分周器デバイス(6)の出力に接続された第2の入力(742)とを有することを特徴とする請求項10に記載の位相ロックループ回路。
  12. 前記少なくとも1つのゼロを有する伝達関数を有するデバイスが、
    前記制御発振器(5)の出力に接続されたデバイス入力(751)を有し、前記伝達関数がτzsに等しい他のフィルタデバイス(75)を備え、
    前記位相ロックループ回路は、
    更にコンバイナデバイス(22)を備えており、該コンバイナデバイスが、前記伝達関数がτzsに等しい他のフィルタデバイス(75)の出力に接続された第1のコンバイナ入力と、
    前記伝達関数がτzsに等しい他のフィルタデバイス(75)の入力に接続された第2のコンバイナ入力と、
    前記分周器デバイス(6)の入力に接続されたコンバイナ出力と、を有することを特徴とする請求項に記載の位相ロックループ回路。
  13. 周期信号であるループ出力信号を生成する方法であって、少なくとも、
    第1の周波数のループ入力信号を受信し、
    前記ループ入力信号の位相を基準信号の位相と比較し、
    前記ループ入力信号と前記基準信号との間の位相差に関連した差分信号を生成し、
    前記差分信号をフィルタし、
    前記差分信号の大きさに対応する周波数を有するループ出力信号を生成し、
    前記ループ出力信号を更に送信し、
    前記ループ出力信号の周波数を低下させるように前記ループ出力信号を変化させて前記基準信号を生成し、
    前記ループ出力信号を前記変化させるために、少なくとも1つのゼロを有する伝達関数を有するフィードバック回路を使用し、ゼロでない閉ループ伝達関数により前記ループ入力信号を受信し、前記ループ出力信号を送信することを特徴とする方法。
  14. 請求項1から12のいずれか1項に記載された位相ロックループ回路を少なくとも備えることを特徴とする電子デバイス。
  15. 請求項1から12のいずれか1項に記載された位相ロックループ回路を少なくとも備えることを特徴とする無線通信デバイス。
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