JP4759008B2 - PLL circuit using varactor for VCO - Google Patents
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Description
本発明は、バラクタを使用するVCOを含むPLL回路に関し、特にその構成要素であるVCOの利得を変化させることが可能なPLL回路に関する。 The present invention relates to a PLL circuit including a VCO that uses a varactor, and more particularly to a PLL circuit that can change the gain of a VCO that is a component thereof.
従来、PLLにおけるロックアップタイムの低減と位相雑音の低減の相反する要求を解決するために、PLLの開ループ利得(あるいは、開ループ帯域)をロックアップ時には高く(あるいは広く)、ロックアップ後は低く(あるいは狭く)することが行われてきた。このPLLの開ループ利得の可変は、非特許文献1で示されているように、ループフィルタの抵抗や位相比較結果のサンプリング周期を切り替えることで行われてきた。図6は、非特許文献1における、この可変方法のブロック図を示す図であり、図7は、この図において切り替えた時のPLLの開ループ利得−周波数特性とPLLの開ループ位相−周波数特性との両者の変動の様子を示す図である。
Conventionally, in order to solve the conflicting demands of reducing the lockup time and phase noise in the PLL, the open loop gain (or open loop bandwidth) of the PLL is high (or wide) at the time of lockup, and after the lockup Lowering (or narrowing) has been done. As described in
図6において、制御信号510でスイッチ506と507を閉じた時、開ループ帯域は狭くなる。この様子は、図7のグラフ601に示される。このときの位相−周波数特性も同じく図7の603に示される。これに対し、制御信号510によってスイッチ506と507を開いた場合は、開ループ帯域は広くなる。この様子は図7のグラフ602に示される。また、このときの位相−周波数特性もグラフ604に示される。
In FIG. 6, when the
また、図6の回路は、ループフィルタ503の抵抗と位相比較器501の位相比較結果のサンプリング周期を同時に切り替えているため、PLLの位相余裕が変動しないと言う特徴も併せ持っている。
The circuit of FIG. 6 also has a feature that the phase margin of the PLL does not vary because the resistance of the
しかし、この方式によるループ帯域の制御には、幾つかの問題がある。その一つは、図6のスイッチ506の部分は、いわゆるアナログ信号のラインであることに起因する問題である。このためスイッチ切り替え毎に、若干ではあるもののこのアナログ信号に変動が発生し、これにより再度、位相の引き込み(ロックアップ動作)を行わねば成らないという問題がある。また、実装に当たっては、切り換え信号(スイッチのコイル電流)の飛び込み雑音による影響も想定される。
However, there are some problems in controlling the loop bandwidth by this method. One of the problems is that the part of the
そこで、本発明は、上記の点に鑑み、PLLの開ループ利得の可変を、PLL内のバラクタを使用したVCO利得を可変することにより、上述した問題を発生することなく、ロックアップ動作を速めながらも位相雑音を低減することができるPLL回路を提供することを目的とする。 Therefore, in view of the above points, the present invention speeds up the lock-up operation without causing the above-described problem by changing the PLL open loop gain by changing the VCO gain using the varactor in the PLL. However, an object of the present invention is to provide a PLL circuit that can reduce phase noise.
上記課題を解決して本発明の目的を達成するため、本発明による請求項1のPLL回路は、VCOタンクの共振周波数を変えずに、VCOタンク内のバラクタのQ値を変化させることで、VCOゲインを変化させることを特徴とする。すなわち、請求項1に記載の発明は、2つのインダクタ(Lpv、Lnv)、2対の逆接続バラクタ(V1〜V4)および負性抵抗素子(NVP、NVN)を有するタンク回路と、あらかじめ設定された少なくとも2つのDCバイアス電圧を生成し、入力した制御信号に応じて、前記2つのDCバイアス電圧の一方に対応する静的なDCバイアス電圧が前記各バラクタに印加されるようにする、前記タンク回路に接続されたバイアス回路(図5、R1、R2、Rb)と、周波数制御信号を入力して前記VCOの発信周波数を制御する、前記バラクタに接続された抵抗素子(図4、Ra、R3、R4、またはRb、R1、R2)とを備えたVCOを含み、前記バイアス回路は、前記制御信号に応じて、前記バラクタへ印加する前記静的なDCバイアス電圧を下げることで、前記バラクタのQ値を上げて、前記VCOのゲインを上昇させ、前記バラクタへ印加する前記静的なDCバイアス電圧を上げることで、前記バラクタのQ値を下げて、前記VCOのゲインを減少させ、これにより前記VCOを含むPLL回路のループゲインあるいはループ帯域を変化させるように、制御されることを特徴とするものであり、ここで、前記制御信号に応じて、前記VCOのゲインを変化させ、これにより前記VCOを含むPLL回路のループゲインあるいはループ帯域を変化させることができる。
In order to solve the above problems and achieve the object of the present invention, the PLL circuit according to
本発明によるPLL回路は、PLLの開ループ帯域を、制御信号に伴うPLLの新たな引き込み動作(ロックアップ動作)を伴わずに、PLL開ループ利得を変化させることができる。これにより、ロックアップ時はそのスピードを速め、ロックアップ後にはその位相雑音を低減するようにPLLを制御することが可能になる。 The PLL circuit according to the present invention can change the PLL open loop gain in the PLL open loop band without a new PLL pull-in operation (lock-up operation) associated with the control signal. As a result, it is possible to control the PLL so as to increase the speed at the time of lockup and reduce the phase noise after the lockup.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明第一の実施形態のブロック図を示す図である。図1において、符号202はループフィルタ、符号203はチャージポンプ(Charge Pump)、符号204は周波数位相比較器、符号205は負性抵抗発生器である。符号206はLCタンクであり、電圧制御発振器(VCO)は負性抵抗発生器205と、LCタンク206とで構成される。ここでLCタンク206は、VCOの発振周波数を決定する役割を担っており、周波数決定のためのLoop Filter出力信号209と、Q値制御信号208により、その動作が決定される。このQ値制御信号208によりタンク回路の動作を制御することに、本願発明の特徴がある。このQ値制御信号208により、バラクタを含んで構成されるタンク回路の動作状態が変化し、所望の特性で、PLL回路におけるVCOを動作させることができるようになる。また、PLLが同期すべき位相基準信号207は外部から周波数位相比較器204に入力される。バラクタとは、電圧によって静電容量が変化する可変容量素子又は可変容量ダイオードであり、バリキャップ(バラクタダイオード)ともいう。なお、この図では、VCOと位相比較器との間に通常では分周回路が入るが、本発明とは関係がなく、説明の簡単化のために省略している。
FIG. 1 is a block diagram of the first embodiment of the present invention. In FIG. 1,
先ず、バラクタを含んで構成されるタンク回路を有するPLLについて説明する。 First, a PLL having a tank circuit that includes a varactor will be described.
図1のブロック構成のPLLの開ループ伝達関数G(s)、及び閉ループ伝達関数H(s)は、非特許文献2によれば、分周器を含まないので、以下の式で表される。
G(s) = Kp×Zf(s)×(2×π×Kvr/s) (1)
H(s) = G(s)/{1+G(s)} (2)
ここで、Kpは位相比較器(PFD)の利得、Zf(s)はループフィルタ(LF)の伝達関数、Kvrは電圧制御発振器(VCO)の利得である。1/Nの分周器がある場合は、式(1)の右辺に1/Nが乗算される。
According to the
G (s) = Kp × Zf (s) × (2 × π × Kvr / s) (1)
H (s) = G (s) / {1 + G (s)} (2)
Here, Kp is the gain of the phase comparator (PFD), Zf (s) is the transfer function of the loop filter (LF), and Kvr is the gain of the voltage controlled oscillator (VCO). If there is a 1 / N frequency divider, 1 / N is multiplied to the right side of equation (1).
開ループの帯域”fc”は、非特許文献2中で次のように定義されている。
|G(j×2π×fc)|=1 (3)
ここで、fcは、0dbのクロスオーバー周波数である。これより、開ループ帯域とVCOの利得Kvrには依存関係が存在することが理解される。
The open loop band “fc” is defined in Non-Patent
| G (j × 2π × fc) | = 1 (3)
Here, fc is a crossover frequency of 0 db. From this, it is understood that there is a dependency relationship between the open loop band and the gain Kvr of the VCO.
次にVCOに着目すると、その発振周波数はLCタンクの同調周波数で決定される。図2は、損失を考慮したLCタンクの等価回路を示す図である。図2において、符号301はLCタンクのインダクタ、符号302はインダクタの直列抵抗、符号303はLCタンクのキャパシタ、符号304はキャパシタの等価直列抵抗であり、符号301〜304で構成されるLCタンクには制御信号305とコモン信号306とが接続されている。この場合におけるLsのQ値Q(Ls)およびCsのQ値Q(Cs)は、非特許文献2中で、以下のように示される。
Q(Ls)=ω×Ls/Rls、Q(Cs)=1/ω×Cs×Rls
ここで、ωは、発振角周波数である。
Next, focusing on the VCO, the oscillation frequency is determined by the tuning frequency of the LC tank. FIG. 2 is a diagram showing an equivalent circuit of the LC tank considering loss. In FIG. 2,
Q (Ls) = ω × Ls / Rls, Q (Cs) = 1 / ω × Cs × Rls
Here, ω is an oscillation angular frequency.
図2で示されるLCタンクの同調角周波数”ωosc”は非特許文献2中で以下のように求められている。
ωosc=Sqrt(Ls−Cs×Rls2)/{Sqrt(Cs×Ls)×Sq(Ls−Cs×Rcs2)} (4)
この式から、VCOの利得KvrはLCタンクのキャパシタの直列損失Rcsの関数であることが理解される。
The tuning angular frequency “ω osc ” of the LC tank shown in FIG. 2 is obtained in
ω osc = Sqrt (Ls−Cs × Rls 2 ) / {Sqrt (Cs × Ls) × Sq (Ls−Cs × Rcs 2 )} (4)
From this equation, it can be seen that the gain Kvr of the VCO is a function of the series loss Rcs of the LC tank capacitor.
以下ではこの関係を用いて、キャパシタCsが、Q=10のときのKvrと、Q=40のときのKvrとを、解析的に求めて行く。ここで、
Q(cs)=1/(ω×Cs×Rcs)であり、
ω=ωosc=109[Hz]、
Cs=0.5E−12[F]
とすると、
Q=10のとき、Rcs=3.183[ohm]、
Q=40だとRcs=0.796[ohm]
となる。
Hereinafter, using this relationship, Kvr when the capacitor Cs is Q = 10 and Kvr when Q = 40 are analytically obtained. here,
Q (cs) = 1 / (ω × Cs × Rcs),
ω = ωosc = 10 9 [Hz],
Cs = 0.5E-12 [F]
Then,
When Q = 10, Rcs = 3.183 [ohm],
When Q = 40, Rcs = 0.996 [ohm]
It becomes.
また、簡単のため、Rls=0とした場合、上述した式(4)は、
ωosc=Sqrt(Ls)/{Sqrt(Cs×Ls)×Sqrt(Ls−Cs×Rcs2)} (5)
と表される。
For simplicity, when Rls = 0, the above-described formula (4) is
ωosc = Sqrt (Ls) / {Sqrt (Cs × Ls) × Sqrt (Ls−Cs × Rcs 2 )} (5)
It is expressed.
これよりQ=10時のKvrと、Q=40時のKvrの比を求める式は、簡単のため、Rls=0とした場合、 From this, the formula for calculating the ratio of Kvr at Q = 10 o'clock and Kvr at Q = 40 o'clock is simple, and when Rls = 0,
と表すことができる。 It can be expressed as.
ここで、fosc=10GHzならば、Cs=0.5E−12[F]であるので、Ls=5.066E−10[H]となる。これを、式6に代入すると、
2.149E−7/1.3376E−8=16.069
が得られる。すなわちバラクタのQを10から40に4倍にすると、Kvrは16倍に変化することが理解される。
Here, if fosc = 10 GHz, since Cs = 0.5E-12 [F], Ls = 5.066E-10 [H]. Substituting this into Equation 6,
2.149E-7 / 1.3376E-8 = 16.069
Is obtained. In other words, it is understood that when the Q of the varactor is increased from 10 to 40 by 4 times, Kvr changes by 16 times.
また、図3aは、非特許文献3に示されているNMOSバラクタの、500MHzにおけるDC(直流)バイアス対Q値の測定結果を示す図であり、同じく、図3bは、3GHzにおけるDCバイアス対容量値の測定結果、図3cは、同じく、DCバイアスが1Vのときの動作周波数体Q値の測定結果を示す図である。図3dは、これらの測定回路を示す図である。
FIG. 3a is a diagram showing a measurement result of a DC (direct current) bias vs. Q value at 500 MHz of the NMOS varactor shown in
これらのグラフからバラクタのQ値に対して、次の2点の物理現象が読み取れる。
1) バラクタのQ値は、静的なDCバイアスに反比例する。
2) バラクタのQ値は、動作周波数の上昇に対して単調に減少する。
From these graphs, the following two physical phenomena can be read for the Q value of the varactor.
1) The Q value of the varactor is inversely proportional to the static DC bias.
2) The Q value of the varactor decreases monotonously with increasing operating frequency.
このことから、通常のOn−Chip Inductorを使用する場合は、そのQ値は1GHz以上の周波数では概ね20以下であるものの、また1GHz以下の周波数においては、またOff−Chipのインダクタを使用する場合では、そのQ値は数百に及ぶことから、全周波数領域に渡って、バラクタのDCバイアスを変化させることでタンク回路のQ値を支配できることが理解される。 From this, when using a normal On-Chip Inductor, the Q value is approximately 20 or less at a frequency of 1 GHz or more, but also at a frequency of 1 GHz or less, and when using an Off-Chip inductor. Then, since the Q value reaches several hundreds, it is understood that the Q value of the tank circuit can be controlled by changing the DC bias of the varactor over the entire frequency range.
図4は、本発明を実施するに好適なVCOの回路構成例を示す図である。図4において、V1〜V4はバラクタである。Q制御信号により、このような構成のバラクタの動作状態を変化させるために、キャパシタC1〜C4、抵抗R1〜R4、RaおよびRbが追加されている。このキャパシタC1〜C4、抵抗R1〜R4、RaおよびRbの部分が、バラクタを使用する一般的なVCOと異なる部分である。 FIG. 4 is a diagram showing a circuit configuration example of a VCO suitable for implementing the present invention. In FIG. 4, V1 to V4 are varactors. Capacitors C1 to C4 and resistors R1 to R4, Ra, and Rb are added to change the operating state of the varactor having such a configuration by the Q control signal. The parts of the capacitors C1 to C4 and the resistors R1 to R4, Ra, and Rb are different from a general VCO that uses a varactor.
図1のLoop Filter出力信号209、すなわち周波数制御信号は、Single Endで表現されている。しかし、図4では、この信号は、CNTP,CNTNの相補信号構成に成っている。また、図1のQ制御信号208もSingle Endで表現されているが、同様の理由からCBIASP,CBIASNの相補信号に成っている。バラクタV1〜V4が、キャパシタC1〜C4を介してインダクタLpv,LnvとAC結合していることは、この各バラクタにQ制御信号208による静的なDCバイアスを印加するためである。また、R1〜R3、RaおよびRbは、静的なDCバイアス電圧を供給するのみであり、バイアス供給回路(例えば、図5のQ制御回路)の出力インピーダンスが、VCOの動作状態に影響を与えないようにするためのものである。
The Loop
図4における、バラクタV1〜V4、キャパシタC1〜C4、インダククタLpv,Lnvから構成されるタンク回路のキャパシタ量はVCNTP−VCNTNの差動電圧で制御可能にされる。またバラクタの静的なバイアス電圧は、CBIASP、CBIASNで制御可能にされる。 In FIG. 4, the capacitor amount of the tank circuit composed of varactors V1 to V4, capacitors C1 to C4, and inductors Lpv and Lnv can be controlled by the differential voltage of VCNTP-VCNTN. The static bias voltage of the varactor can be controlled by CBIASP and CBIASN.
図5a、5bは、図4に接続されるQ制御回路、すなわち、CBIASP、CBIASNの信号を生成する回路の複数の例を示す図である。 FIGS. 5a and 5b are diagrams illustrating a plurality of examples of the Q control circuit connected to FIG. 4, that is, a circuit for generating CBIASP and CBIASN signals.
先ず、図5aを例にとってQ値を上げる場合の動作を説明する。このQ制御回路は、図1のQ制御信号208を通じてQを上げよと言う信号を受け取ると、図4のSW1をVL側に倒し、CBIASPとCBAISNの電位を下げる。すなわち、よりマイナス電位の方向にバイアス電圧を設定する。これにより、バラクタV1〜V4の静的なDC動作点が下がる。したがって、バラクタV1〜V4のQ値は上昇する。このときVCOの発振周波数は、バラクタの総合的な容量がCNTPとCNTNの差動電圧で決まる構成をとっているために、変化しない。他方、Qを下げよと言う命令を受け取った場合は、SW1をVH側に倒す。これにより、バラクタV1〜V4の静的なDC動作点が上昇し、バラクタV1〜V4のQ値は減少する。ここで、Q値の上昇はVCOゲインの上昇を、Q値の減少はVCOゲインの減少をもたらすことは言うまでもない。
First, the operation for increasing the Q value will be described with reference to FIG. 5A as an example. When the Q control circuit receives a signal to increase Q through the
ここで、CBIASP,CBIASNは同じ電圧である必要はない。したがって図5bのようにCBIASP、CBIASNを別々の電位に選ぶことも可能である。このときのVL1,VL2,VH1,VH2は、バラクタの差動容量が最も高い線形性を持つように選ぶことが好ましい。 Here, CBIASP and CBIASN do not have to be the same voltage. Therefore, as shown in FIG. 5b, CBIASP and CBIASN can be selected at different potentials. At this time, VL1, VL2, VH1, and VH2 are preferably selected so that the differential capacitance of the varactor has the highest linearity.
図5aおよび図5bにおいて、スイッチの部分をメカニカルなスイッチではなく、アナログ・スイッチとすることができることは当業者であれば理解されよう。また、ステップ的な変化ではなく、2つの電位に間を、時間をかけてリニアに変化させることもできる。この場合、図5において、RPおよびRNとして示す部分を時定数を有する回路とすることによって実現することができる。この回路としては、入出力間に抵抗、出力と信号接地との間にキャパシタを有する回路が考えられる。このようにすることによって、時定数を適切に選択することによって、切替の影響をより低減することもできる。 One skilled in the art will appreciate that in FIGS. 5a and 5b, the switch portion may be an analog switch rather than a mechanical switch. Further, instead of stepwise change, it is also possible to change between two potentials linearly over time. In this case, it can be realized by making the portions shown as RP and RN in FIG. 5 a circuit having a time constant. As this circuit, a circuit having a resistor between the input and output and a capacitor between the output and the signal ground can be considered. By doing so, the influence of switching can be further reduced by appropriately selecting the time constant.
なお、図4は、本願発明の一例を示す図であり、上述した説明において開示された本願発明の趣旨に合致する他の例も存在することは、当業者には明らかである。 FIG. 4 is a diagram showing an example of the present invention, and it is obvious to those skilled in the art that there are other examples that match the gist of the present invention disclosed in the above description.
V1〜V4 NMOSバラクタ
Lpv LCタンク構成用正インダクタ
Lnv LCタンク構成用負インダクタ
VDD 正電源
GND 基準電位
CNTP 正バラクタ制御信号
CNTN 負バラクタ制御信号
CBIASP 正バラクタDCバイアス電圧
CBIASN 負バラクタDCバイアス電圧
OUTP VCO正出力
OUTN VCO負出力
C1〜C4 DC阻止容量
Ls LCタンク等価インダクタンス
Rls LCタンクインダクタンス直列損失
Cs LCタンク等価キャパシタンス
Rcs LCタンクキャパシタンス直列損失
R1〜R4 DC結合用抵抗
Ra,Rb DC結合用抵抗
NVP 負性抵抗発生用正NMOSトランジスタ
NVN 負性抵抗発生用負NMOSトランジスタ
PB0、PB1 バイアス電流発生部PMOSトランジスタ
IBIASP DCバイアス電流入力端子
D1〜D3 バラクタバイアス発生用ダイオード
VH バイアス電圧
VL バイアス電圧
RP,RN バラクタバイアス分離用抵抗
R1〜R5 バラクタバイアス発生用抵抗
VH1 バイアス電圧
VH2 バイアス電圧
VL1 バイアス電圧
VL2 バイアス電圧
G(s) 開回路伝達関数
H(s) 閉回路伝達関数
Kp 位相比較器(PFD)の利得
Zf(s) ループフィルタ(LF)の伝達関数
Kvr 電圧制御発振器(VCO)の利得
Nfb 分周器の分周数
Fc PLLのループの帯域
ωosc タンクの同調角周波数
fosc タンクの同調周波数 (fosc=ωosc/(2×π))
V1 to V4 NMOS varactor Lpv LC tank configuration positive inductor Lnv LC tank configuration negative inductor VDD Positive power supply GND Reference potential CNTP Positive varactor control signal CNTN Negative varactor control signal CBIASP Positive varactor DC bias voltage CBIASN Negative varactor DC bias voltage OUTP VCO positive Output OUTN VCO negative output C1 to C4 DC blocking capacity Ls LC tank equivalent inductance Rls LC tank inductance series loss Cs LC tank equivalent capacitance Rcs LC tank capacitance series loss R1 to R4 DC coupling resistance Ra, Rb DC coupling resistance NVP Negative Positive NMOS transistor NVN for resistance generation Negative NMOS transistors PB0 and PB1 for negative resistance generation Bias current generator PMOS transistor IBIASP DC bar Iias current input terminals D1 to D3 Varactor bias generation diode VH Bias voltage VL Bias voltage RP, RN Varactor bias separation resistors R1 to R5 Varactor bias generation resistance VH1 Bias voltage VH2 Bias voltage VL1 Bias voltage VL2 Bias voltage G (s) Open circuit transfer function H (s) Closed circuit transfer function Kp Phase comparator (PFD) gain Zf (s) Loop filter (LF) transfer function Kvr Voltage controlled oscillator (VCO) gain Nfb Frequency divider frequency Fc PLL loop band ωosc tank tuning angular frequency fosc tank tuning frequency (fosc = ωosc / (2 × π))
Claims (1)
あらかじめ設定された少なくとも2つのDCバイアス電圧を生成し、入力した制御信号に応じて、前記2つのDCバイアス電圧の一方に対応する静的なDCバイアス電圧が前記各バラクタに印加されるようにする、前記タンク回路に接続されたバイアス回路と、
周波数制御信号を入力して前記VCOの発信周波数を制御する、前記バラクタに接続された抵抗素子と
を備えたVCOを含み、
前記バイアス回路は、前記制御信号に応じて、
前記バラクタへ印加する前記静的なDCバイアス電圧を下げることで、前記バラクタのQ値を上げて、前記VCOのゲインを上昇させ、
前記バラクタへ印加する前記静的なDCバイアス電圧を上げることで、前記バラクタのQ値を下げて、前記VCOのゲインを減少させ、
これにより前記VCOを含むPLL回路のループゲインあるいはループ帯域を変化させるように、制御されることを特徴とするPLL回路。 A tank circuit having two inductors, two pairs of reverse-connected varactors and a negative resistance element;
At least two DC bias voltages set in advance are generated, and a static DC bias voltage corresponding to one of the two DC bias voltages is applied to each varactor in accordance with an input control signal. A bias circuit connected to the tank circuit;
A VCO comprising: a resistance element connected to the varactor for inputting a frequency control signal to control a transmission frequency of the VCO;
The bias circuit is responsive to the control signal,
By lowering the static DC bias voltage applied to the varactor, the Q value of the varactor is increased to increase the gain of the VCO,
By increasing the static DC bias voltage applied to the varactor, the Q value of the varactor is decreased and the gain of the VCO is decreased.
Thus, the PLL circuit is controlled so as to change a loop gain or a loop band of the PLL circuit including the VCO .
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