JP5147539B2 - 周波数シンセサイザおよびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、周波数シンセサイザおよびその制御方法に関し、特に、可変容量ダイオードを用いた電圧制御発振器を有する周波数シンサセイザおよびその制御方法に関する。

従来、無線通信機器やチューナなどにおいてＰＬＬを用いた周波数シンセサイザが広く用いられている。図１はその一般的なＰＬＬを用いた周波数シンセサイザの構成図である。図１記載の周波数シンセサイザは、基準クロック１４を生成する基準発振回路１、その基準クロック１４と帰還クロック１５との位相差を検出し位相差に応じたパルスを出力する位相比較回路２と、位相比較回路２の出力するパルスを平滑化して制御電圧信号１１を生成するローパスフィルタ（ＬＰＦ）３と、制御電圧信号１１に依存した発振周波数で発振する電圧制御発振器（ＶＣＯ）を複数設けた電圧制御発振器（ＶＣＯ）群９５と、電圧制御発振器（ＶＣＯ）群９５の生成する出力信号１０を分周して帰還クロック１５を生成する分周回路４と、を含んで構成される。また、基準クロック１４と帰還クロック１５との位相差を検出し、位相差が一定の範囲内に安定して入っているか否かを検出し、位相差が安定して一定の範囲に収まっている場合は、ロック検出信号１８を外部へ出力するロック検出器（ＬＤ）６も備えている。なお、この周波数シンセサイザは、チューナ用ＩＣ７５の中に設けられ、ベースバンド用ＩＣ７６とＩ２Ｃなどのバスインタフェース等を介して接続されている。

次に、この電圧制御発振器（ＶＣＯ）群９５の構成について、もう少し詳しく説明する。電圧制御発振器（ＶＣＯ）群９５は、発振する周波数の範囲等特性の異なる複数の電圧制御発振器を含んでいる。ひとつの電圧制御発振器は、複数の容量素子と、負性抵抗部５０と、インダクタ５１からなる。複数の容量素子は、それぞれ並列に接続され、スイッチ５８、５９、６０によりそれぞれオンオフが制御された複数の固定容量と、制御電圧信号１１により直流バイアス電圧が制御された可変容量ダイオード（周波数微調用バラクタ）５２と、可変容量ダイオード５２と直列に接続された固定容量５５と、により構成される。この電圧制御発振器の容量値は、上記スイッチにより概略の容量値が定められ、さらに、制御電圧信号の電圧値により、容量値が微調整され、発振周波数が決まる。

さらに、複数ある電圧制御発振器の中から一つを選ぶ選択と、概略容量値を決定するスイッチのオンオフとは、ベースバンド用ＩＣ７６からバスを介して送られてくるコマンドに基づいて、ＶＣＯ自動制御ブロック７が行う。

次に、このＶＣＯ自動制御ブロック７が発振周波数を変更して、ロックするまでの手順について、図１に加えて図２のタイミングチャートも参照して説明する。発振周波数を変える場合は、まず、ベースバンド用ＩＣ７６が変えようとするチャネルなどの電圧制御発振器（ＶＣＯ）群９５に対するコマンドをＶＣＯ自動制御ブロック７に送る。ＶＣＯ自動制御ブロック７は、そのコマンドに基づいて電圧制御発振器の選択と、固定容量をオンオフするスイッチの選択を行う。続いて、その設定に基づいて、ＰＬＬループは引き込み動作に入る。位相比較回路２は、基準クロック１４と帰還クロック１５との位相差を検出し、ローパスフィルタ３により、この位相差を可変容量ダイオード５２に対する制御電圧信号１１に変えて可変容量ダイオードの容量値を自動調整し、最終的に安定した周波数で発振を行いロック状態となる。チャネル設定を開始してから、次に安定したロック状態で発振するまでの時間ｔは、１〜３ｍｓ程度を要する。

このチャネル切換時間の短縮を図る周波数シンセサイザが特許文献１に記載されている。この特許文献１に記載の周波数シンセサイザについて図面を用いて説明する。図３はこの周波数シンセサイザの構成を示す図である。この周波数シンセサイザは、３つの可変容量ダイオードを備えている。第１の可変容量ダイオード４１は、ＤＡコンバータ８０より直流バイアス電圧が与えられており、固定容量４２と直列接続され、電圧制御発振器３４のおおよその容量値が決定される。これは、図１で説明したスイッチ５８〜６０でオンオフされる固定容量と類似の機能を果たすものである。図１で説明した従来例に比べると可変容量ダイオード４１で調整可能な容量の範囲は狭いが、その分微小な容量値の制御が可能であり、チャネル切換からループ引き込みまでの時間の短縮を図ろうというものである。

次に、２番目の可変容量ダイオード４４は、ローパスフィルタの制御電圧信号を受け、固定容量４５と直列接続されている。これは、図１において、固定容量５５と直列接続された可変容量ダイオード５２と機能的には同一である。３番目の可変容量ダイオード４７は、何らかの理由でチャネルを変更していないにもかかわらず、ロックが外れてしまった場合に、オペアンプ３５、３６と、整流用のダイオード３７、３８とともに迅速にロック状態に引き戻すために設けられているものである。

また、特許文献２には、アンロック状態のときには電圧制御発振器の発振周波数可変範囲を広く取ることによりロックするまでの時間を短縮し、ロックした後は、電圧制御発振器の発振周波数可変範囲を狭く変えることにより位相雑音の少ない発振を実現するようにしたＰＬＬ周波数シンセサイザが記載されている。

さらに、特許文献３には、あらかじめ所定の周波数が発振できるように可変容量ダイオードに印加する直流バイアス電圧や温度補償デジタル値をメモリに記憶しておき、経年変化による特性変化や温度特性を補償するようにした周波数シンセサイザが記載されている。

また、特許文献４には、制御端子から入力されるデジタル信号により発振帯域を切り替える電圧制御発振器を備えたＰＬＬが記載されている。
特開平６−３２６６０４号公報 特開２００７−１３８９８号公報 実開平６−１９３２７号公報 特開平１０−０５１３０４号公報

以上述べた従来技術では、温度変動や電源電圧変動に伴い、周波数シンセサイザのロックが外れる場合がある。温度や電源電圧が変動すると、バラクタ制御電圧等の可変容量ダイオードの直流バイアス電圧が変化する。この制御電圧が制御可能な範囲（ＶｔＬ〜ＶｔＨ）を超えると、制御電圧の変化に追従して可変容量ダイオードの容量は変化しなくなる。すると、電圧制御発振器の発振周波数も追従しなくなり、結果として基準クロックと帰還クロックとの位相差が解消されなくなる。そして、ロック外れを検出するロック検出器がアンロック信号を出して、周波数の引き込みをやり直すことになる。一度ロックが外れれば、データ通信も途切れることになる。したがって、温度や電源電圧変動などの環境変動に伴って、予期せぬ通信エラーが発生する可能性がある。このため、温度変動や電源電圧変動等の環境変化があっても、ロック外れが生じにくい周波数シンセサイザが望まれている。

本発明の１つのアスペクト（側面）に係る周波数シンセサイザは、基準クロックと帰還クロックとの位相を比較する位相比較回路と、前記位相比較回路の出力信号を平滑化して制御電圧信号を生成するローパスフィルタと、前記制御電圧信号によって直流バイアス電圧が制御された第一の可変容量ダイオードと補償用可変容量ダイオードとを含む電圧制御発振器と、前記電圧制御発振器の出力信号から前記帰還クロックを生成する帰還回路と、前記制御電圧信号をモニタし前記補償用可変容量ダイオードに対する制御信号を出力するモニタ回路であって前記制御電圧信号の電圧レベルが一定の電圧範囲外になったときに、前記制御信号の電圧レベルを変えるモニタ回路と、前記制御信号の電圧レベルが変わったときに前記周波数シンセサイザのロック状態が解除されないゆっくりとした電圧変化に鈍らせて前記補償用可変容量ダイオードに直流バイアス電圧を与えるように構成された時定数回路と、を含む周波数シンセサイザであって、前記補償用可変容量ダイオードと前記時定数回路とを複数組備え、前記モニタ回路は前記制御電圧信号の電圧レベルが前記一定の電圧範囲を上回った場合に、前記複数の補償用可変容量ダイオードのうち少なくともひとつの補償用可変容量ダイオードに対する制御信号をハイレベルからローレベルに切り替え、前記制御電圧信号の電圧レベルが前記一定の電圧範囲を下回った場合に、前記複数の補償用可変容量ダイオードのうち少なくともひとつの補償用可変容量ダイオードに対する制御信号をローレベルからハイレベルに切り替え、それぞれに対応した時定数回路が、前記ハイレベルからローレベルへの切り替え、または、ローレベルからハイレベルへの切り替えを前記ロック状態が解除されないゆっくりとした電圧変化に鈍らせて対応する前記補償用可変容量ダイオードに直流バイアスを与える。

また、本発明の別なアスペクト（側面）に係る周波数シンセサイザの制御方法は、周波数シンセサイザが、基準クロックと帰還クロックとの位相を比較する位相比較回路と、前記位相比較回路の出力信号を平滑化して制御電圧信号を生成するローパスフィルタと、前記制御電圧信号によって直流バイアス電圧が制御された第一の可変容量ダイオードと補償用可変容量ダイオードと他の容量とを備えた電圧制御発振器と、前記電圧制御発振器の生成するクロックから前記帰還クロックを生成する帰還回路と、を含み、前記周波数シンセサイザがロック状態であって、かつ、前記制御電圧信号が、一定の電圧範囲を外れた場合、前記補償用可変容量ダイオードの直流バイアス電圧を変えることによって、前記電圧制御発振器の発振周波数を変え、それによってさらに、前記位相比較回路とローパスフィルタ回路を介して前記制御電圧信号を一定の電圧範囲内に引き戻すことが可能であるときには、前記ロック状態を解除しないようにゆっくりと前記補償用可変容量ダイオードの直流バイアス電圧を変えることによりロック状態を維持しつつ前記制御電圧信号を一定の電圧範囲内に引き戻し、一方、前記制御電圧信号を一定の電圧範囲内に引き戻す方向に、前記補償用可変容量ダイオードの直流バイアス電圧を変えることが不可能であるときには、前記他の容量の容量値を切り替えて電圧制御発振器のディジタルチューニングからやり直す周波数シンセサイザの制御方法である。

本発明によれば、温度や電源電圧等の環境変動があっても、ロック状態が外れにくい周波数シンセサイザが得られる。

本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。たとえば、図５、図８、図９に示すように本発明の一実施形態の周波数シンセサイザは、基準クロック（１４）と帰還クロック（１５）との位相を比較する位相比較回路（２）と、上記位相比較回路の出力信号を平滑化して制御電圧信号（１１）を生成するローパスフィルタ（３）と、上記制御電圧信号によって直流バイアス電圧が制御された第一の可変容量ダイオード（５２）と補償用可変容量ダイオード（５３、５４、６１、６２）とを含む電圧制御発振器（５の群の中のひとつの電圧制御発振器）と、上記電圧制御発振器の出力信号（１０）から上記帰還クロックを生成する帰還回路（４）と、上記制御電圧信号をモニタし上記補償用可変容量ダイオードに対する制御信号（１６、１７、２５、２６）を出力するモニタ回路であって上記制御電圧信号の電圧レベルが一定の電圧範囲外になったときに、上記制御信号の電圧レベルを変えるモニタ回路（８、８−１、８−２）と、上記制御信号の電圧レベルが変わったときに上記周波数シンセサイザのロック状態が解除されないゆっくりとした電圧変化に鈍らせて上記補償用可変容量ダイオードに直流バイアス電圧を与える時定数回路（７２）と、を含んで構成される。

また、図６に示すように本発明の一実施形態の周波数シンセサイザの制御方法は、周波数シンセサイザが、基準クロックと帰還クロックとの位相を比較する位相比較回路と、位相比較回路の出力信号を平滑化して制御電圧信号を生成するローパスフィルタと、制御電圧信号によって直流バイアス電圧が制御された第一の可変容量ダイオードと補償用可変容量ダイオードと他の容量とを備えた電圧制御発振器と、電圧制御発振器の生成するクロックから帰還クロックを生成する帰還回路と、を含み、周波数シンセサイザがロック状態であって、かつ、制御電圧信号が、一定の電圧範囲を外れた場合、補償用可変容量ダイオードの直流バイアス電圧を変えることによって、電圧制御発振器の発振周波数を変え、それによってさらに、位相比較回路とローパスフィルタ回路を介して制御電圧信号を一定の電圧範囲内に引き戻すことが可能であるとき（ステップＳ２でＹＥＳの場合）には、ロック状態を解除しないようにゆっくりと補償用可変容量ダイオードの直流バイアス電圧を変えることによりロック状態を維持しつつ制御電圧信号を一定の電圧範囲内に引き戻し（ステップＳ５）、制御電圧信号を一定の電圧範囲内に引き戻す方向に補償用可変容量ダイオードの直流バイアス電圧を変えることが不可能であるとき（ステップＳ２でＮＯの場合）には、他の容量の容量値を切り替えて電圧制御発振器のディジタルチューニングからやり直す（ステップＳ６〜Ｓ８）周波数シンセサイザの制御方法である。以下、実施例に即し、図面を参照して詳しく説明する。

図５は、本発明の第１の実施例の周波数シンセサイザの構成を示すブロック図である。従来例の図１と実質的に同一である部分は、同一の番号を付し、その説明も省略する。図５の実施例では、制御電圧信号１１の電圧レベルをモニタし制御信号１６、１７を出力するモニタ回路８と、制御信号１６、１７を鈍らせて補償用直流バイアス信号１２、１３を生成する時定数回路７２と、その補償用直流バイアス信号１２、１３が直流バイアス電圧として与えられ電圧制御発振器群５中のひとつの電圧制御発振器の容量を補償する補償用可変容量ダイオード５３、５４を備えている。また、モニタ回路８には、リセット信号２１が入力されている。

時定数回路７２は、抵抗と容量とにより構成されている。抵抗は、モニタ回路８が制御信号１６、１７を出力する出力端子と、補償用可変容量ダイオード５３、５４のカソードとの間にそれぞれ設けられている。容量は、補償用可変容量ダイオード５３、５４のそれぞれカソードと接地との間に設けられている。この時定数回路７２の抵抗と容量の値は、周波数シンサセイザのフィードバックループの系が補償用可変容量ダイオード５３、５４の直流バイアス電圧の変化に伴う容量の変化に十分追従して電圧制御発振器が一定の周波数を保てるように十分大きな時定数を持っている。なお、図５に示すように、容量と補償用可変容量ダイオード５３、５４のカソードとの間にさらに抵抗を設けてもよい。

なお、可変容量ダイオード５２のカソードが、固定容量５５と直列接続されてインダクタ５１および負性抵抗部５０と並列に接続されているのと同様に、補償用可変容量ダイオード５３、５４のカソードは、それぞれ、固定容量５６、５７と直列接続されて並列に接続されている。可変容量ダイオード５２、５３、５４は、それぞれ固定容量５５、５６、５７と直列接続されてインダクタ５１および負性抵抗部５０と並列に接続されているので、可変容量ダイオード５２、５３、５４はそれぞれ別々に独立して直流バイアス電圧を加えることができる。しかし、固定容量５５、５６、５７の容量値は、それぞれ、可変容量ダイオード５２、５３、５４の容量値に対して十分大きいので、この可変容量ダイオード５２、５３、５４はそれぞれ交流的には、実質的にインダクタ５１、負性抵抗部５０と並列に接続された容量として機能する。したがって、この可変容量ダイオード５２、５３、５４のいずれかの直流バイアス電圧が変化すれば、この電圧制御発振器の容量値が変わることになり、発振周波数も変化する。

その他の構成は、おおよそ図１の従来例と同様である。なお、電圧制御発振器群５は、それぞれ発振周波数帯域の異なる複数の電圧制御発振器が含まれており、電圧制御発振器群５に含まれる複数の電圧制御発振器は、それぞれ、上記構成を備えている。なお、電圧制御発振器を複数設ける必要がなく、ひとつの電圧制御発振器でもよい場合は、それでもよい。

次に図５に記載の周波数シンセサイザの動作について、その主要部の波形図である図７も参照して説明する。ロック状態でないとき、すなわちアンロック状態のとき、モニタ回路８には、ベースバンド用ＩＣ７６からリセット信号２１が与えられ、モニタ回路８は初期状態にリセットさせる。初期状態では、制御信号１６はローレベル、制御信号１７はハイレベルにリセットされる。したがって、図７にも示すように補償用直流バイアス信号１２はローレベル、補償用直流バイアス信号１３はハイレベルに初期化される。

その後、周波数シンセサイザは所定の周波数にループを引き込みロック状態になる。ロック状態になると電圧制御発振器群５の発振周波数は一定の周波数で安定して発振する。また、ロック状態になると、ロック検出器６がロック検出信号１８をベースバンド用ＩＣ７６に出力し、ベースバンド用ＩＣ７６は、ロック検出信号１８を受けてモニタ回路８のリセット信号２１を解除する。

しかし、ローパスフィルタ３の出力する制御電圧信号１１がVtLからVtHの範囲内にあれば、モニタ回路８が出力する制御信号１６、１７は、リセット信号２１が入力されたときと同じ状態を維持する。この図７に示す例では、周囲温度や電源電圧等の環境が徐々に変化し、制御電圧信号１１が徐々に上昇し、タイミングt1では、遂に上限値VtHに達している。モニタ回路８は、制御電圧信号１１が上限値VtHを超えたことを検出すると制御信号１６をローレベルからハイレベルに立ち上げる。ただし、制御信号１６が立ち上がっても、補償用可変容量ダイオード５３との間には、時定数回路７２が設けられているため、補償用可変容量ダイオード５３の直流バイアス制御電圧はすぐには変わらない。したがって、電圧制御発振器群５の発振器全体の容量も変わらず、電圧制御発振器群５の発振周波数も変わらない。したがって、モニタ回路８が制御信号１６を立ち上げてもロック状態は維持される。

しかし、時間の経過とともに時定数回路７２を介して補償用可変容量ダイオード５３の直流バイアス制御電圧（Vcont1）は、徐々に上昇する。この直流バイアス制御電圧（Vcont1）の上昇につれて、補償用可変容量ダイオード５３の容量値が変化し、この補償用可変容量ダイオード５３の容量の変化によって、電圧制御発振器全体の容量も変化し、電圧制御発振器の発振周波数も徐々に変化しようとする。この電圧制御発振器の発振周波数の変化は、位相比較回路２によって検出され、ローパスフィルタ３を介して、制御電圧信号１１を低下させる方向に作用する。したがって、系全体としては元の発振周波数を維持しようとする方向に働くので、発振周波数は維持され、ロック状態は継続する。すなわち、時定数回路７２により、制御信号の電圧レベルの変化が、おおきな発振周波数の変動とならないように変化を緩和させる機能を果たしており、ロック状態は維持される。

ここで、図７（Ｂ）を参照すると、制御電圧信号１１の上限値VtHと下限値VtLは以下のように決められる。図７（Ｂ）の曲線Ｍは、初期状態における電圧制御発振器の制御電圧信号１１と発振周波数Ｆ_ＶＣＯとの関係を示す。可変容量ダイオード５２は、制御電圧信号１１の上限値VtHと下限値VtLの間でほぼリニアな特性を示し、制御電圧信号１１が上限値VtHと下限値VtLの範囲内にある限り、制御電圧信号１１の電圧変化に追従して発振周波数を変えることができる。しかし、制御電圧信号１１が、上限値VtHと下限値VtLの範囲外になった場合は、制御電圧信号１１の電圧変化に追従して発振周波数を変えることが困難になる。このような場合、モニタ回路８は制御電圧信号１１がVtHを超えたことを検知すれば、補償用可変容量ダイオード５３、５４の直流バイアス電圧を変え、電圧制御発振器群５の電圧対発振周波数の特性をＣＯ〜Ｃ３の特性からＣ１〜Ｃ２の特性に移行させる。このとき、系全体としては、元の発振周波数を維持しようとするので、結果として、制御電圧信号１１は低下する。

次に、この後さらに、環境変動等により、制御電圧信号１１が再度、上限値VtHを超えた場合は、もはや、モニタ回路８により、補償用可変容量ダイオード５３、５４の直流バイアス電圧を制御することによっては、制御電圧信号１１を下限値VtLと上限値VtHの範囲内に引き戻すことはできない。その場合は、ロック検出器６がアンロック信号を出力することとなり、ＶＣＯ自動制御ブロック７は、ＶＣＯ選択信号７０、容量バンク切替信号７１を出力し、ＶＣＯのディジタルチューニングからやり直すことになる。

同様に、制御電圧信号１１が下限電圧VtLを下回った場合は、モニタ回路８は、制御信号１７をハイレベルからローレベルに立ち下げ、それにつれて、補償用可変容量ダイオード５４の直流バイアス電圧(Vcont2)が低下し、電圧制御発振器５全体の制御電圧信号１１対発振周波数の特性も図７（Ｂ）のＣ３からＣ４へと変化する。しかし、この変化も時定数回路７２の働きにより、補償用可変容量ダイオード５４に対する直流バイアス電圧の変化は緩慢なものとなるので、発振周波数は安定した状態を維持する。その後、再度、制御電圧信号１１が下限電圧VtLを下回った場合は、ＶＣＯのディジタルチューニングからやり直す。

すなわち、制御電圧信号１１が、その上限電圧VtHを最初に上回った場合も、下限電圧VtLを最初に下回った場合も、どちらの場合も、モニタ回路８と、時定数回路７２と、補償用可変容量ダイオード５３、５４によって、電圧制御発振器の発振周波数はほとんど一定の発振周波数を保ち、ロック状態も保ったまま、制御電圧信号１１は、下限電圧VtLと上限電圧VtHとの間の電圧に引き戻される。したがって、周囲温度や電源電圧のゆるやかな変動等周囲の環境変化があっても、ロック状態が解除されることがなく、ロック状態が保たれる。

第１の実施例の処理の流れをフローチャートにまとめると、図６のようになる。まず、周波数シンセサイザがロック状態にあるときは、モニタ回路８は、制御電圧信号１１を電圧範囲の下限値VtLおよび上限値VtHと比較する（ステップＳ１）。次に、制御電圧信号１１が所定の電圧範囲から外れた場合で、かつ、モニタ回路８と、時定数回路７２と、補償用可変容量ダイオードによって制御電圧信号１１を所定の電圧範囲内に引き戻すことが可能である場合には、引き戻す処理を行う（ステップＳ２でＹＥＳの場合）。この引き戻す処理は、モニタ回路８が制御信号１６または１７の電圧レベルを変え（ステップＳ３）、時定数回路７２が制御信号１６または１７の電圧レベル変化を鈍らせて補償用可変容量ダイオード５３または５４に直流バイアス電圧を与え（ステップＳ４）、制御電圧信号１１が時間をかけて所定の電圧範囲に引き戻される（ステップＳ５）。

一方、制御電圧信号１１が所定の電圧範囲から外れた場合で、かつ、モニタ回路８と、時定数回路７２と、補償用可変容量ダイオードによって制御電圧信号１１を所定の電圧範囲内に引き戻すことができない場合（ステップＳ２でＮＯの場合）は、ロック検出器６がアンロック信号を出力することとなり、ＶＣＯ自動制御ブロック７は、ＶＣＯ選択信号７０、容量バンク切替信号７１を出力し、ＶＣＯのディジタルチューニングの粗調整からやり直す（ステップＳ６）。ＶＣＯの選択と容量バンクの選択が終了すると、周波数シンセサイザは、周波数引き込みの微調整に入る（ステップＳ７）。周波数の引き込みが終了すると、電圧制御発振器は一定の周波数で安定して発振するようになり、ロック検出器６は、ロック状態に入ったことを検出しロック検出信号１８を出力し、チューニング動作を終了する（ステップＳ８）。ステップＳ５の場合も、ステップＳ８の場合も、ステップＳ１へ戻り、動作を継続することになる。

次に、本発明の第２の実施例について説明する。図８は、第２の実施例による周波数シンセサイザの構成を示す図である。以下、図面を参照して、第２の実施例について説明する。第２の実施例では、第１の実施例に対して、モニタ回路８がモニタ回路８−１に代わっており、モニタ回路８−１からは、制御信号１６、１７だけでなく、制御信号２５、２６も出力されている。また、時定数回路７２は、制御信号１６、１７に対してだけでなく、制御信号２５、２６に対しても設けられている。

次に、この第２の実施例の動作について説明する。第１の実施例と同様、アンロック時には、モニタ回路８−１は、リセット信号２１により、リセットされる。リセット信号２１により、制御信号１６、２５はローレベル、制御信号１７、２６はハイレベルにリセットされる。その後、周波数シンセサイザがロック状態になる。さらに後、電圧制御信号１１が温度や電源電圧変動等の環境変化によって、上限値VtHを超えると、制御信号１６がローレベルからハイレベルに変化する。この制御信号１６のレベル変化は、時定数回路７２により電圧制御発振器の発振周波数が大きく変動しないように遅延されて補償用可変容量ダイオード５３の直流バイアス電圧として与えられる。その結果としてロック状態を保ったまま、電圧制御信号１１は、上限値VtHと下限値VtLとの間の一定の電圧値に落ち着く。このとき、モニタ回路８−１が出力する制御信号は、制御信号２５がローレベル、制御信号１６、１７、２６はハイレベルである。

その後、再び、制御電圧信号１１が上限値VtHを超えると、今度は、制御信号２５がローレベルからハイレベルに変化する。すると、また、所定の遷移時間を経過した後で、電圧制御信号１１は、上限値VtHと下限値VtLとの間の一定の電圧値に落ち着く。このとき、モニタ回路８−１が出力する制御信号１６、１７、２５、２６は、いずれもハイレベルである。

その後、さらに制御電圧信号１１が上限値VtHを超えた場合は、モニタ回路８−１はもはや補償動作ができないので、周波数シンセサイザは、ロック状態をはずれ、ロック検出器がアンロック状態になったことを検出する。すると、ＶＣＯ自動制御ブロック７は、容量バンク切り替え信号７１を出力し、スイッチ５９、６０を切り替え、固定容量を変更し、再びループ引きこみ動作を開始する。

一方、周波数シンセサイザがロック状態になった後、電圧制御信号１１が下限値VtLを下回ると、制御信号１７がハイレベルからローレベルに変化し、所定の遷移時間を経た後、電圧制御信号１１は、上限値VtHと下限値VtLとの間の一定の電圧値に落ち着く。このとき、モニタ回路８−１が出力する制御信号は、制御信号２５、１６、１７がローレベル、制御信号２６がハイレベルである。

その後、さらに、制御電圧信号１１が下限値VtLを下回ると、今度は、制御信号２４がハイレベルからローレベルに変化し、所定の遷移時間を経過した後、電圧制御信号１１は、上限値VtHと下限値VtLとの間の一定の電圧値に落ち着く。このとき、モニタ回路８−１が出力する制御信号１６、１７、２５、２６は、いずれもローレベルである。

その後、さらに制御電圧信号１１が下限値VtLを下回った場合は、モニタ回路８−１はもはや補償動作ができないので、ロック状態をはずれ、ＶＣＯ自動制御ブロック７は、電圧制御発振器の選択や固定容量の容量値の選択からディジタルチューニングをやり直す。

次に、この第２の実施例のモニタ回路８−１について、内部回路の構成を示す図１０を用いてさらに詳しく説明する。モニタ回路８−１は、制御電圧信号１１と上限値VtHとを比較する電圧比較器７３−１、制御電圧信号１１と下限値VtLとを比較する電圧比較器７３−２、「上限値を越えた回数」−「下限値を超えた回数」をカウントするアップダウンカウンタ７４を備える。制御信号１６、１７、２５、２６はアップダウンカウンタ７４のカウント値によって制御される。制御信号２５は、アップダウンカウンタ７４のカウンタ値が２以上のときハイレベル、１以下のときローレベルとなる。また、制御信号１６はアップダウンカウンタ７４のカウンタ値が１以上のときハイレベル、０以下のときローレベルとなり、同様に、制御信号１７は、０以上のときハイレベル、−１以下のときローレベル、制御信号２６は、−１以上のとき、ハイレベル、−２以下のとき、ローレベルとなる。また、アップダウンカウンタ７４はリセット信号２１により初期値０にリセットされる。モニタ回路８−１をこのような構成とすることにより、制御電圧信号１１が「上限値を越えた回数」と「下限値を超えた回数」との差が２以内であれば、上限値または下限値を超えるたびに、制御信号１６、１７、２５、２６の出力レベルを制御することにより、ロック状態を保ち、発振周波数を同一に保ったまま、制御電圧信号１１の電圧レベルの調整を行うことができる。

以上、説明したように第１の実施例では、制御電圧信号１１が下限値VtLと上限値VtHとの間を外れた場合、ロック状態を保ったまま、制御電圧信号１１を下限値VtLと上限値VtHとの間に引き戻す補償動作を１回しかできなかったが、この第２の実施例では、この補償動作を複数回行うことが可能であり、周囲の温度変化や電源電圧変動等のより大きな環境変化に対してもロック状態を保つことができる。実施例２において、モニタ回路が出力する制御信号の数、補償用可変容量ダイオードの数を増やせば、さらに補償の範囲を広げられることは言うまでもない。

上述した実施例によれば、電圧制御発振器の発振周波数を維持したまま、制御電圧信号の電圧レベルを変更できるので、基本的には、ロック検出器６がアンロック状態を検出することはない。しかし、ロック検出器６の回路構成等によって、誤ってアンロック状態になってしまうことを予防するため、本発明のモニタ回路、時定数回路、補償用可変容量ダイオードによって、電圧制御発振器の発振周波数を維持しつつ、制御電圧信号を変更している動作を行っているときは、ロック検出器６が誤ってアンロック信号を検出してしまわないようにすることもできる。第３の実施例はこのような実施例である。

図９は、この第３の実施例による周波数シンセサイザの構成を示す図である。図９では、図５に示す第１の実施例の構成に対して、ロック検出器６の出力するロック検出信号１８と、モニタ回路８−２が出力するアンロック禁止信号１９と、を入力し、ロック状態通知信号２０を出力するオアゲート９が追加されている。また、モニタ回路８−２は、制御信号１６または１７の論理レベルを変えて、制御電圧信号１１の電圧レベルの調整を行うときは、一定期間アンロック禁止信号１９をハイレベルにする。それ以外の期間は、アンロック禁止信号１９はローレベルである。オアゲート９は、アンロック禁止信号がハイレベルとなっている期間は、ロック検出器６の状態の如何にかかわらず、ロック状態通知信号２０にハイレベルを出力する。したがって、制御電圧信号１１の電圧レベルの調整中は、ロック状態通知信号２０が誤ってオアゲート９から出力されることはない。一方、モニタ回路８−２が制御電圧信号１１の電圧レベルを調整中でないときは、ロック検出器６の検出したアンロック信号（ロック検出信号１８のローレベル）は、そのまま、ロック状態通知信号２０のローレベルとなってベースバンド用ＩＣ７６に通知される。
（比較例）

なお、参考として発明者の解析による温度変動や電源電圧変動等の環境変化があった場合の上述した特許文献１の動作について、その構成を示す図３とともにタイミングチャート図４を用いて説明する。特許文献１において、ロック中に環境変動等により、ＬＰＦ３３の制御電圧（Ａ点の電圧）が上限電圧ＶｔＨを超える（タイミングｔ２）と、オペアンプ３５はハイレベルを出力する（Ｂ点の電圧）。すると整流用のダイオード３７に電流が流れ、可変容量ダイオードの直流バイアス電圧(Ｃ点の電圧)は急速に上昇する。このとき、本発明の各実施例とは異なり、オペアンプ３５は、整流用のダイオード３７を介するだけで、波形を鈍らせる時定数回路は設けていないので、このオペアンプ３５による可変容量ダイオード４７の充電により発振回路４０の発振周波数は比較的急激に変化し、ロック状態は解除される。

次に、発振回路４０の発振周波数の変化に伴い、基準クロックと帰還クロックとの間に位相差が生じると、Ａ点の電位は低下し、ＶｔＨを下回ると、オペアンプ３５は再度反転し、Ｃ点の充電は終了する（タイミングｔ３）。その後再び、Ａ点の電位が上昇して、ＶｔＨを上回ると、オペアンプ３５は再度反転し、Ｃ点の充電が再度開始される（タイミングｔ４）。このように、環境の変化に伴い、可変容量ダイオードの直流バイアス電圧（Ｃ点）は階段状に上昇（または下降）することになる。したがって、この階段状に変化する際にいずれもロックが外れると考えられる。

また、Ｃ点は、ロック状態においてダイオード３７、３８がいずれもオフするので、直流的にフローティング状態になる。このＣ点がフローティング状態になることによってノイズの飛び込みを受けやすく、位相ノイズ特性の劣化の恐れもある。

以上、本発明を実施例に即して説明したが、本発明は上記実施例の構成にのみ制限されるものでなく、本発明の範囲内で当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。

従来の一般的な周波数シンセサイザのブロック図である。 周波数シンセサイザがロックするまでのタイミングチャートである。 特許文献１に記載されている従来の周波数シンセサイザの構成を示す図である。 発明者の解析による図３記載の従来の周波数シンセサイザのタイミングチャートである。 本発明の一実施例の周波数シンセサイザの構成を示す図である。 本発明の一実施例の周波数シンセサイザの制御方法を示すフローチャートである。 本発明の一実施例における主要部の波形図である。 本発明の別な実施例の周波数シンセサイザの構成を示す図である。 本発明のさらに別な実施例の周波数シンセサイザの構成を示す図である。 図８におけるモニタ回路８−１の内部回路の一例を示す図である。

符号の説明

１、３１ 基準発振回路
２、３２ 位相比較回路
３、３３ ローパスフィルタ
４ 分周回路
５、９５ 電圧制御発振器（ＶＣＯ）群
６ ロック検出器
７ ＶＣＯ自動制御ブロック
８、８−１、８−２ モニタ回路
９ オアゲート
１０ 出力信号
１１ 制御電圧信号
１２、１３、２３、２４ 補償用直流バイアス信号
１４ 基準クロック
１５ 帰還クロック
１６、１７、２５、２６ 制御信号
１８ ロック検出信号
１９ アンロック禁止信号
２０ ロック状態通知信号
２１ リセット信号
２２ ＶＣＯ切換制御信号
３４ 電圧制御発振器（ＶＣＯ）
４４、４７、５２ 可変容量ダイオード
５３、５４、６１、６２ 補償用可変容量ダイオード
５０ 負性抵抗部
５１ インダクタ
５５、５６、５７、６３、６４ 固定容量
５８、５９、６０ スイッチ
７０ ＶＣＯ選択信号
７１ 容量バンク切替信号
７２ 時定数回路
７３−１、７３−２ 電圧比較器
７４ アップダウンカウンタ
７５ チューナ用ＩＣ（Ｔｕｎｅｒ ＩＣ）
７６ ベースバンド用ＩＣ（Ｂａｓｅ Ｂａｎｄ ＩＣ）

Claims (7)

1. 基準クロックと帰還クロックとの位相を比較する位相比較回路と、
   前記位相比較回路の出力信号を平滑化して制御電圧信号を生成するローパスフィルタと、
   前記制御電圧信号によって直流バイアス電圧が制御された第一の可変容量ダイオードと、補償用可変容量ダイオードと、を含む電圧制御発振器と、
   前記電圧制御発振器の出力信号から前記帰還クロックを生成する帰還回路と、
   前記制御電圧信号をモニタし、前記補償用可変容量ダイオードに対する制御信号を出力するモニタ回路であって、前記制御電圧信号の電圧レベルが一定の電圧範囲外になったときに、前記制御信号の電圧レベルを変えるモニタ回路と、
   前記制御信号の電圧レベルが変わったときに前記周波数シンセサイザのロック状態が解除されないゆっくりとした電圧変化に鈍らせて前記補償用可変容量ダイオードに直流バイアス電圧を与える時定数回路と、
   を含む周波数シンセサイザであって、
   前記補償用可変容量ダイオードと、前記時定数回路と、を複数組備え、
   前記モニタ回路は、前記制御電圧信号の電圧レベルが前記一定の電圧範囲を上回った場合に、前記複数の補償用可変容量ダイオードのうち少なくともひとつの補償用可変容量ダイオードに対する制御信号をハイレベルからローレベルに切り替え、前記制御電圧信号の電圧レベルが前記一定の電圧範囲を下回った場合に、前記複数の補償用可変容量ダイオードのうち少なくともひとつの補償用可変容量ダイオードに対する制御信号をローレベルからハイレベルに切り替え、
   それぞれに対応した時定数回路が、前記ハイレベルからローレベルへの切り替え、または、ローレベルからハイレベルへの切り替えを前記ロック状態が解除されないゆっくりとした電圧変化に鈍らせて対応する前記補償用可変容量ダイオードに直流バイアスを与えるように構成された周波数シンセサイザ。
2. 前記周波数シンセサイザは、ロック検出回路をさらに備え、前記モニタ回路が前記制御電圧信号について前記一定の電圧範囲からはずれたことを検出した場合、前記ロック検出回路がロック解除信号を出力することを禁止するロック解除信号出力禁止回路をさらに備えた請求項１記載の周波数シンセサイザ。
3. 前記電圧制御発振器が、さらに、それぞれスイッチと直列接続された１個以上の固定容量を備え、
   前記モニタ回路が、前記制御電圧信号について一定の電圧範囲からはずれたことを検出した場合、前記補償用可変容量ダイオードの直流バイアス電圧を変えることによっては前記制御電圧信号を一定の電圧範囲に引き戻すことが不可能であれば、前記周波数シンセサイザは、前記スイッチの接続を変えて前記電圧制御発振器の容量値を変更するように構成された請求項１または２記載の周波数シンセサイザ。
4. 前記第一の可変容量ダイオードと、前記補償用可変容量ダイオードと、前記スイッチと直列接続された１個以上の固定容量と、が実質的に並列に接続された電圧制御発振器である請求項３記載の周波数シンセサイザ。
5. 前記モニタ回路が、
   前記一定の電圧範囲の上限電圧と前記制御電圧信号とを比較する第一の電圧比較器と、
   前記一定の電圧範囲の下限電圧と前記制御電圧信号とを比較する第二の電圧比較器と、
   前記第一または第二の電圧比較器のうち、一方の出力信号がカウントアップ信号入力端子に接続され、他方の出力信号がカウントダウン信号入力端子に接続され、前記周波数シンセサイザがアンロック状態のときにリセットされるアップダウンカウンタと、
   を備え、
   前記アップダウンカウンタのカウント値に応じて前記補償用可変容量ダイオードに対する制御信号の電圧レベルを変えるように構成されたモニタ回路である請求項１乃至４いずれか１項記載の周波数シンセサイザ。
6. 周波数シンセサイザの制御方法であって、
   前記周波数シンセサイザが、
   基準クロックと帰還クロックとの位相を比較する位相比較回路と、
   前記位相比較回路の出力信号を平滑化して制御電圧信号を生成するローパスフィルタと、
   前記制御電圧信号によって直流バイアス電圧が制御された第一の可変容量ダイオードと、補償用可変容量ダイオードと、他の容量と、を備えた電圧制御発振器と、
   前記電圧制御発振器の生成するクロックから前記帰還クロックを生成する帰還回路と、
   を含み、
   前記周波数シンセサイザがロック状態であって、かつ、前記制御電圧信号が、一定の電圧範囲を外れた場合、
   前記補償用可変容量ダイオードの直流バイアス電圧を変えることによって、前記電圧制御発振器の発振周波数を変え、それによってさらに、前記位相比較回路とローパスフィルタ回路を介して前記制御電圧信号を一定の電圧範囲内に引き戻すことが可能であるときには、前記ロック状態を解除しないようにゆっくりと前記補償用可変容量ダイオードの直流バイアス電圧を変えることによりロック状態を維持しつつ前記制御電圧信号を一定の電圧範囲内に引き戻し、
   前記制御電圧信号を一定の電圧範囲内に引き戻す方向に、前記補償用可変容量ダイオードの直流バイアス電圧を変えることが不可能であるときには、前記他の容量の容量値を切り替えて電圧制御発振器のディジタルチューニングからやり直す周波数シンセサイザの制御方法。
7. 前記他の容量が、スイッチによりオンオフ制御された１個以上の固定容量であり、前記他の容量の容量値を切り替えて電圧制御発振器のディジタルチューニングからやり直す処理が、前記スイッチを切り替えて電圧制御発振器の容量値を変更する処理を含む請求項６記載の周波数シンセサイザの制御方法。

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