JP4421467B2 - 位相同期回路 - Google Patents

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Description

本発明は、位相同期回路に関し、特に、位相同期回路のループバンド幅制御の技術に関する。
位相同期回路(以下、周波数シンセサイザとも称する)は、集積回路に不可欠な回路であり、特に近年の無線通信の発達により大きく進歩している。その中でもΔΣ変調技術を分周器に応用した周波数シンセサイザ(以下、ΔΣ変調周波数シンセサイザと称する)は、回路の応答時定数が大きくすばやい応答が可能であり、さらに非常に細かな周波数分解能を実現できるという特徴を有する。
図11は、ΔΣ変調周波数シンセサイザの構成を示す。一般的な位相同期回路の分周器と異なり、ΔΣ変調周波数シンセサイザにおける分周器(デュアルモジュラスプリスケーラ)50の分周比は固定されておらず、分周器50は2個以上の分周器(本例の場合、分周器51及び52)を有する。ΔΣ変調器100は、分周器51及び52をループバンド幅に比べて高速に切り替えて使用する。したがって、分周器51及び52の使用割合によってシンセサイザの発振周波数が決定される。例えば、分周比N+1の分周器51を50%の割合で使用し、分周比Nの分周器52を50%の割合で使用すれば、シンセサイザの発振周波数は入力信号周波数の(N+1/2)倍となる。
ΔΣ変調周波数シンセサイザは、分周器を切り替える際にスイッチングノイズが発生するが、分周器を高速に切り替えること、さらにΔΣ変調を行うことによりスイッチングノイズの周波数成分を高周波領域に集中させ、ループフィルタ30により取り除くことにより位相ノイズ特性を向上させる。また、分周比がN分周程度ですみ、Nの2乗程度の分周比で構成される一般的な周波数シンセサイザと比較して応答周波数を高速にできるという特徴がある(例えば、非特許文献1参照)。
M. H. Perrott, M. D. Trott, and C. G. Sodini, "A Modeling Approach for Σ-Δ Fractional-N Frequency Synthesizers Allowing Straightforward Noise Analysis", August 2002, IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 37, pp. 1028-1038
ΔΣ変調周波数シンセサイザの位相ノイズ特性を最適化するにはループバンド幅の最適化が必要である。図12は、ΔΣ変調周波数シンセサイザのスイッチングノイズ特性のグラフである。ΔΣ変調周波数シンセサイザの応答は、スイッチングノイズに対してはローパスフィルタ特性となる。したがって、応答周波数、すなわち、ループバンド幅が低い方がスイッチングノイズを削減できる。一方、図13は、ΔΣ変調周波数シンセサイザの位相ノイズ特性のグラフである。ΔΣ変調周波数シンセサイザの応答は、VCO位相ノイズに対してはハイパスフィルタ特性となる。従って、VCO位相ノイズを削減するには応答周波数を高く設定する必要がある。このように、スイッチングノイズ及びVCO位相ノイズはトレードオフの関係にあるため、ループバンド幅を慎重に選択してスイッチングノイズ及びVCO位相ノイズのトータルのノイズ量が最小となるようにする必要がある。
しかし、これまで位相同期回路の応答特性を正確に最適化する手法は開示されておらず、部分的に電圧制御発振器等の特性を制御する手法が存在しただけであった。したがって、今後のΔΣ変調周波数シンセサイザ等の高性能化に支障をきたすおそれがある。
上記問題に鑑み、本発明は、位相同期回路についてループバンド幅を最適制御し、位相同期回路の性能向上を図ることを課題とする。
上記課題を解決するために本発明が講じた手段は、位相同期回路として、電圧制御発振器のゲインを設定するゲイン設定回路と、チャージポンプ回路の電流の大きさ及びループフィルタの容量値から決定される時定数を設定する時定数設定回路とを備えたものとする。ここで、時定数設定回路は、第1及び第2の信号に従ってプッシュプル動作を行うダミーチャージポンプ回路と、ダミーチャージポンプ回路から出力された電流を受ける容量と、容量に生じた電圧に基づいて第1及び第2の信号を生成する信号生成部と、第1及び第2の信号のいずれかの周波数を測定する周波数測定部と、与えられた制御信号に従ってダミーチャージポンプ回路及びチャージポンプ回路の電流の大きさを設定する電流設定部と、周波数測定部によって測定された周波数と期待値との差分に基づいて制御信号を生成する電流制御部とを有する。
この発明によると、ゲイン設定回路によって電圧制御発振器のゲインが設定され、時定数設定回路によって位相同期回路の時定数が設定されることによって、位相同期回路のループバンド幅が所望値に設定される。
好ましくは、上記の位相同期回路は、温度変化に応じて前記チャージポンプ回路の電流の大きさを調整する温度補償回路を備えているものとする。
この発明によると、温度変化によって電圧制御発振器のゲインが変動した場合に、温度補償回路によってチャージポンプ回路の電流の大きさが調整され、温度変化に伴うゲイン変動が補償される。したがって、位相同期回路のループバンド幅が一定に保たれる。
具体的には、ゲイン設定回路は、電圧制御発振器の入力を切り替える切替部と、切替部によって電圧制御発振器に第1及び第2の電圧がそれぞれ入力されたときの電圧制御発振器の出力差に基づいてゲインを測定するゲイン測定部と、与えられた制御信号に従ってゲインを設定するゲイン設定部と、ゲイン測定部によって測定されたゲインと期待値との差分に基づいて制御信号を生成するゲイン制御部とを有する。
り具体的には、上記の位相同期回路は、温度変化に応じて増大する電流を出力する温度補償回路を備え、電流設定部は、温度補償回路から出力された電流に基づいてダミーチャージポンプ回路及びチャージポンプ回路の電流の大きさを設定する
また、具体的には、温度補償回路は、ダイオードと、ダイオードに直列に接続された抵抗と、抵抗に流れる電流を入力とするカレントミラー回路とを有し、ダイオード及び抵抗には一定電圧が印可されるものとする。
本発明によると、電圧制御発振器のゲイン及び位相同期回路の時定数が所定値に設定され、位相同期回路のループバンド幅が所望値に設定される。また、温度変化に対してループバンド幅が一定に保たれる。これにより、位相同期回路のループバンド幅が最適値に設定され、性能が向上する。
また、電圧制御発振器に、微細化プロセスによる高精度のLC発振器を特に用いずに比較的位相ノイズの多いリングオシレータ等を用いた場合であっても、ループバンド幅が最適制御されることにより、位相ノイズを十分に抑制され、要求されたスペックを満たすことができる。これにより、位相同期回路を実装する半導体集積回路の歩留が向上する。
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の実施形態に係る位相同期回路の構成を示す。本実施形態に係る位相同期回路は、位相比較器10、チャージポンプ回路20、ループフィルタ30、電圧制御発振器(以下、VCOとも称する)40、分周器50、ゲイン設定回路60、時定数設定回路70及び温度補償回路80を備えている。本実施形態に係る位相同期回路のループバンド幅ωnはおおよそ次式で表される。
Figure 0004421467
ただし、KoはVCO40のゲイン、Ipはチャージポンプ回路20の電流の大きさ、Cはループフィルタ30の容量値である。したがって、VCO40のゲインKo及び位相同期回路の時定数Ip/Cを所定値に設定することにより、位相同期回路のループバンド幅ωnを所望値に設定することができる。以下、ゲインKoを設定するゲイン設定回路60及び時定数Ip/Cを設定する時定数設定回路70、さらに、温度変化に起因するゲインKoの変動を補償する温度補償回路80について詳細に説明する。
ゲイン設定回路60は、切替部61、ゲイン測定部62、ゲイン制御部63及びゲイン設定部64を備えている。切替部61は、ループフィルタ30の出力、電圧V1及びV2(ただし、V1<V2とする。)をゲイン設定部64を通じて選択的にVCO40に入力する。ゲイン測定部62は、切替部61によってVCO40に電圧V1及びV2がそれぞれ入力されたときのVCO40の出力差に基づいてVCO40のゲインを測定する。ゲイン制御部63は、ゲイン測定部62によって測定されたゲインと実現すべきゲインの期待値との差分に基づいて制御信号CTLgを生成する。ゲイン設定部64は、制御信号CTLgに従ってVCO40のゲインを設定する。
図2は、VCO40のゲイン特性のグラフである。VCO40のゲインはループフィルタ30から出力される電圧に対して線形の特性を有しており、異なる二つの電圧を入力することで測定することができる。そこで、ゲイン測定部62は、切替部61によってVCO40に電圧V1及びV2がそれぞれ入力されたときにVCO40から出力されるクロック信号CKvcoの周波数f1及びf2から、VCO40のゲインを測定する。すなわち、VCO40のゲインKoは、
Ko=(f2−f1)/(V2−V1)
で与えられる。ここで、電圧V1と電圧V2との電位差を単位電圧に設定しておくことで(V2−V1=1)、ゲインKoは周波数f1及びf2から測定することができる(Ko=f2−f1)。
図3は、ゲイン測定部62の一構成を示す。カウンタ621は、タイマー622によって示される所定時間、クロック信号CKvcoのパルスをカウントアップする。VCO40に電圧V1及びV2が入力されたときのカウント値は、それぞれ、メモリ623及び624に格納される。ゲイン計算部625はメモリ623及び624のそれぞれに格納されたカウント値の差分を計算し、測定ゲインとして出力する。
図4は、ゲイン測定部62の別構成を示す。切替部61によってVCO40に入力される二つの電圧V1及びV2のうち、クロック信号CKvcoの周波数が高くなる方の電圧、すなわち、電圧V2が先にVCO40に入力され、カウンタ621は、タイマー622によって示される所定時間、クロック信号CKvcoのパルスをカウントアップする。次に、切替部61によって電圧V1がVCO40に入力され、このとき、カウンタ621は、カウントアップダウン切替信号によってカウントダウンに設定され、タイマー622によって示される所定時間、クロック信号CKvcoのパルスをカウントダウンする。カウントダウンが終了した時点でカウンタ621が保持するカウント値は周波数f1及びf2の差分に相当する値となっており、カウンタ621はこのときのカウント値を測定ゲインとして出力する。このように、この別構成では、先の構成と比較して、カウント値を格納するためのメモリ及びカウント値の差分を計算するゲイン計算部が不要となり、回路規模が低減される。
図5は、ゲイン設定部64及びVCO40の構成を示す。VCO40において、PMOSトランジスタで構成されたカレントミラー回路41はゲイン設定部64から出力された電流をミラーリングし、インバータチェーン発振器42に供給する。インバータチェーン発振器42への供給電流の大きさと発振周波数とはほぼ比例関係にあるため、ゲイン設定部64の出力電流の大きさを制御することにより、VCO40のゲインを制御することができる。一方、ゲイン設定部64は、NMOSトランジスタ641に、NMOSトランジスタ642及びスイッチ643からなる基本単位が5個並列接続された構成をしており、その接続箇所から電流を出力する。各NMOSトランジスタ641及び642のゲートには切替部61の出力が入力電圧として印加される。各スイッチ643は、制御信号CTLgの各ビットに応じて開閉する。また、各NMOSトランジスタ642のサイズは互いに異なっており、制御信号CTLgの各ビットが表す大きさに相当するサイズとなっている。すなわち、ゲイン設定部64は、与えられた信号CTLgにより、VCO40の5ビット32段階のゲイン設定が可能となっている。
なお、NMOSトランジスタ642のサイズをすべて同じにして、制御信号CTLgが制御しうる段階分、すなわち、32個設けるようにしてもよい。また、制御信号CTLgは5ビットに限らず、任意のビット数でよい。また、ゲイン設定部64を、NMOSトランジスタではなくPMOSトランジスタで構成するようにしてもよい。
ゲイン設定回路60によるVCO40のゲイン設定は次のように行う。まず、制御信号CTLgのMSBを"1"にして、すなわち、制御信号CTLgを"0b10000"にしてゲイン設定を行う。このとき、測定されたゲインが期待値と等しければゲイン設定は終了する。一方、測定されたゲインが期待値よりも大きい場合には、制御信号CTLgのMSBを"0"にするとともに下位ビットを"1"にして、すなわち、制御信号CTLgを"0b01000"にして再度ゲイン設定を行う。逆に、測定されたゲインが期待値よりも小さい場合には、制御信号CTLgの下位ビットを"1"にして、すなわち、制御信号CTLgを"0b11000"にして再度ゲイン設定を行う。これを制御信号CTLgのLSBまで繰り返す。すなわち、二分探索によってゲイン設定部64によるゲイン設定状態が特定される。これにより、多くとも制御信号CTLgのビット数に相当する回数のゲイン比較によりVCO40のゲインKoが所定値に設定される。なお、制御信号CTLgのLSBまで探索してもなお測定ゲインが期待値から大きくずれている場合には、オーバーフロー又はアンダーフローが検出される。
図1に戻り、時定数設定回路70は、ダミーチャージポンプ回路71、容量72、信号生成部73、周波数測定部74、電流制御部75及び電流設定部76を備えている。ダミーチャージポンプ回路71は、チャージポンプ回路20と同様の構成をしており、信号UP及びDNに従って電流Ipのプッシュプル動作を行う。容量72は、チャージポンプ回路71から出力された電流Ipを受ける。信号生成部73は、容量72に生じた電圧に基づいて信号UP及びDNを生成する。周波数測定部74は、信号UPの周波数を測定する。電流制御部75は、周波数測定部74によって測定された周波数と実現すべき周波数との差分に基づいて制御信号CTLiを生成する。電流設定部76は、制御信号CTLiに従ってダミーチャージポンプ回路71及びチャージポンプ回路20の電流の大きさを設定する。
図6は、信号生成部73の構成を示す。比較器731は、入力電圧と電圧REFHとを比較し、比較結果を出力する。比較器732は、入力電圧と電圧REFLとを比較し、比較結果を出力する。なお、REFL<REFHとする。RSフリップフロップ733は、比較器731及び732の出力を受け、逆位相関係にある信号UP及びDNを出力する。
信号生成部73によって生成された信号UP及びDNはダミーチャージポンプ回路71にフィードバックされる。図7は、フィードバックされた信号UP及びDNに従ってダミーチャージポンプ回路71がプッシュプル動作をし、その結果、容量72に生じる電圧の時間的変化を示すグラフである。容量72に生じる電圧は、電圧REFH及びREFLの間で直線的に周期的に変化し、その傾きはIp/Cdで表される。ただし、Cdは容量72の容量値である。ここで、電圧REFHと電圧REFLとの電位差が単位電圧である(REFH−REFL=1)と仮定すると、信号UP及びDNの周波数fは、
f=Ip/Cd/2
で与えられる。したがって、周波数fが所定値となるように電流Ipを調整することでIp/Cdを所望値に設定することができる。さらに、ループフィルタ30の容量値Cは容量72の容量値Cdの所定倍であるため(C=αCd)、Ip/Cdを所望値に設定することは、すなわち、位相同期回路の時定数Ip/Cを所望値に設定することに等しい。
図8は、周波数測定部74の構成を示す。カウンタ741は、タイマー742によって示される所定時間、信号UP又はDN(本実施形態の場合は信号UP)のパルスをカウントアップし、そのカウント値を測定周波数として出力する。
図9は、電流設定部76の構成を示す。電流設定部76において、NMOSトランジスタ761に、NMOSトランジスタ762及びスイッチ763からなる基本単位が5個並列接続されている。各NMOSトランジスタ761及び762のゲートには後述する温度補償回路80の出力が入力電圧として印加される。各スイッチ763は、制御信号CTLiの各ビットに応じて開閉する。また、各NMOSトランジスタ762のサイズは互いに異なっており、制御信号CTLiの各ビットが表す大きさに相当するサイズとなっている。
上記の接続箇所から出力された電流は、PMOSトランジスタで構成されたカレントミラー回路764によってミラーリングされ、NMOSトランジスタ765に供給される。電流設定部76は、カレントミラー回路764の入力側に生じた電圧及びNMOSトランジスタ765に生じた電圧を、それぞれ、ダミーチャージポンプ回路71及びチャージポンプ回路20のチャージ用電流源及びディスチャージ用電流源のバイアスとして出力する。すなわち、電流設定部76は、与えられた信号CTLiにより、ダミーチャージポンプ回路71及びチャージポンプ回路20の5ビット32段階の電流設定が可能となっている。
なお、NMOSトランジスタ762のサイズをすべて同じにして、制御信号CTLiが制御しうる段階分、すなわち、32個設けるようにしてもよい。また、制御信号CTLiは5ビットに限らず、任意のビット数でよい。また、電流設定部76を、NMOSトランジスタではなくPMOSトランジスタで構成するようにしてもよい。
時定数設定回路70による時定数設定は、上述したゲイン設定部64によるゲイン設定と同様に行う。すなわち、まず、制御信号CTLiを"0b10000"にしてダミーチャージポンプ回路71及びチャージポンプ回路20の電流設定を行う。このとき、測定された周波数が期待値と等しければ電流設定は終了する。一方、測定された周波数が期待値よりも大きい場合には、制御信号CTLiを"0b01000"にして再度電流設定を行う。逆に、測定された周波数が期待値よりも小さい場合には、制御信号CTLiを"0b11000"にして再度電流設定を行う。これを制御信号CTLiのLSBまで繰り返す。これにより、多くとも制御信号CTLiのビット数に相当する回数の周波数比較によりダミーチャージポンプ回路71及びチャージポンプ回路20の電流の大きさが所定値に設定される。なお、制御信号CTLiのLSBまで探索してもなお測定周波数が期待値から大きくずれている場合には、オーバーフロー又はアンダーフローが検出される。
上記のゲイン設定及び時定数設定を位相同期回路のスタートアップ時に行うことにより、ループバンド幅が所望値に設定される。しかし、位相同期回路の通常動作時には、VCO40の入力として、切替部61によってループフィルタ30の出力が選択されるため、動的にゲイン調整を行うことができない。特に、VCO40のゲインは温度が上昇すると減少するため、ループバンド幅を一定に保つには、温度変化によるVCO40のゲイン変動を別の手段で補償する必要がある。このため、本実施形態に係る位相同期回路は、温度補償回路80を備えている。
図10は、温度補償回路80の構成を示す。温度補償回路80において、演算増幅器81及び82の反転入力端には基準電圧Vrefが印加されている。演算増幅器81は、直列接続されたダイオード83及び抵抗84からなる負荷に対して基準電圧Vrefを印加する。また、演算増幅器82は、抵抗85に対して基準電圧Vrefを印加する。ダイオード83の印加電圧は温度変化にほぼ比例して減少するため、抵抗84の印加電圧は温度変化にほぼ比例して増大する。すなわち、抵抗84に流れる電流は温度変化にほぼ比例して増大する。一方、温度変化による抵抗85の抵抗値の変化は無視できる程度であるため、抵抗85に流れる電流は一定であると考えられる。
抵抗84及び85に流れる電流は、それぞれ、PMOSトランジスタで構成されたカレントミラー回路86及び87によってミラーリングされる。カレントミラー回路86及び87の出力側は一つに接続されており、この結果、抵抗84に流れる電流をミラーリングした電流と抵抗85に流れる電流をミラーリングした電流とが加算されて、NMOSトランジスタ88に供給される。NMOSトランジスタ88に生じた電圧は、温度補償基準電圧として、電流設定部76を通じてチャージポンプ回路20及びダミーチャージポンプ回路71に入力される。このように温度補償回路80により、温度上昇によりVCO40のゲインが減少した場合にチャージポンプ回路20の電流が増大し、ゲインの減少分が補償される。
以上、本実施形態によると、位相同期回路のループバンド幅を最適な値に設定し、これを一定に保つことができる。
なお、温度補償回路80は必須ではなく、温度変化に対するVCO40のゲイン変動を補償する必要がある場合に設ければよい。
本発明に係る位相同期回路は、ループバンド幅を最適制御できるため、特に、ループバンド幅に対する制約の厳しいΔΣ変調周波数シンセサイザに有用である。
本発明の実施形態に係る位相同期回路の構成図である。 電圧制御発振器のゲイン特性のグラフである。 ゲイン測定部の一構成図である。 ゲイン測定部の別構成図である。 ゲイン設定部及び電圧制御発振器の構成図である。 信号生成部の構成図である。 時定数設定回路における容量に生じる電圧の時間的変化を示すグラフである。 周波数測定部の構成図である。 電流設定部の構成図である。 温度補償回路の構成図である。 ΔΣ変調周波数シンセサイザの構成図である。 ΔΣ変調周波数シンセサイザのスイッチングノイズ特性のグラフである。 ΔΣ変調周波数シンセサイザの位相ノイズ特性のグラフである。
20 チャージポンプ回路
30 ループフィルタ
40 電圧制御発振器
60 ゲイン設定回路
61 切替部
62 ゲイン測定部
63 ゲイン制御部
64 ゲイン設定部
70 時定数設定回路
71 ダミーチャージポンプ回路
72 容量
73 信号生成部
74 周波数測定部
75 電流制御部
76 電流設定部
80 温度補償回路
83 ダイオード
84 抵抗
86 カレントミラー回路

Claims (5)

  1. 電圧制御発振器のゲインを設定するゲイン設定回路と、
    チャージポンプ回路の電流の大きさ及びループフィルタの容量値から決定される時定数を設定する時定数設定回路とを備え、
    前記時定数設定回路は、
    第1及び第2の信号に従ってプッシュプル動作を行うダミーチャージポンプ回路と、
    前記ダミーチャージポンプ回路から出力された電流を受ける容量と、
    前記容量に生じた電圧に基づいて前記第1及び第2の信号を生成する信号生成部と、
    前記第1及び第2の信号のいずれかの周波数を測定する周波数測定部と、
    与えられた制御信号に従って前記ダミーチャージポンプ回路及び前記チャージポンプ回路の電流の大きさを設定する電流設定部と、
    前記周波数測定部によって測定された周波数と期待値との差分に基づいて前記制御信号を生成する電流制御部とを有する
    ことを特徴とする位相同期回路。
  2. 請求項1に記載の位相同期回路において、
    温度変化に応じて前記チャージポンプ回路の電流の大きさを調整する温度補償回路を備えた
    ことを特徴とする位相同期回路。
  3. 請求項1に記載の位相同期回路において、
    前記ゲイン設定回路は、
    前記電圧制御発振器の入力を切り替える切替部と、
    前記切替部によって前記電圧制御発振器に第1及び第2の電圧がそれぞれ入力されたときの前記電圧制御発振器の出力差に基づいて前記ゲインを測定するゲイン測定部と、
    与えられた制御信号に従って前記ゲインを設定するゲイン設定部と、
    前記ゲイン測定部によって測定されたゲインと期待値との差分に基づいて前記制御信号を生成するゲイン制御部とを有する
    ことを特徴とする位相同期回路。
  4. 請求項に記載の位相同期回路において、
    温度変化に応じて増大する電流を出力する温度補償回路を備え、
    前記電流設定部は、前記温度補償回路から出力された電流に基づいて、前記ダミーチャージポンプ回路及び前記チャージポンプ回路の電流の大きさを設定する
    ことを特徴とする位相同期回路。
  5. 請求項2に記載の位相同期回路において、
    前記温度補償回路は、
    ダイオードと、
    前記ダイオードに直列に接続された抵抗と、
    前記抵抗に流れる電流を入力とするカレントミラー回路とを有し、
    前記ダイオード及び抵抗には一定電圧が印可される
    ことを特徴とする位相同期回路。
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