JP5938466B2 - Pll回路、キャリブレーション方法及び無線通信装置 - Google Patents

Pll回路、キャリブレーション方法及び無線通信装置 Download PDF

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Description

本開示は、複数の注入同期型分周器を用いたPLL回路、キャリブレーション方法及び無線通信装置に関する。
近年普及している携帯可能な無線通信装置は、高速なスループットが求められ、無線通信における周波数シンセサイザとして高周波数帯域において動作するPLL(phase locked loop)回路が要求されている。
PLL回路は、高周波数帯域の信号を低周波数帯域の信号まで分周する分周器を含む。分周器として、10GHz以上の高い周波数帯域において低消費電力によって高速動作が可能な注入同期型分周器(ILFD:Injection locked frequency divider)が用いられる。
米国特許第7856212号明細書
しかし、上述した特許文献1では、複数の注入同期型分周器を接続して用いたPLL回路のキャリブレーション方法が想定されていない。
本開示は、上述した従来の事情に鑑みてなされたもので、複数の注入同期型分周器を各々のロックレンジにおいて動作可能とし、所望の周波数を安定的に得るPLL回路、キャリブレーション方法及び無線通信装置を提供することを目的とする。
本開示は、PLL回路であって、高周波信号を出力する電圧制御発振器と、前記出力された高周波信号を分周する第1の注入同期型分周器と、前記第1の注入同期型分周器により分周された信号を分周する第2の注入同期型分周器と、前記第2の注入同期型分周器により分周された信号を基準信号の周波数に分周する分周器と、前記分周器からの分周信号と前記基準信号とを比較し、位相と周波数の誤差を出力する位相周波数比較器と、前記出力された位相と周波数の誤差を電流に変換するチャージポンプと、前記変換された電流に応じて前記電圧制御発振器の制御電圧を生成し、生成された制御電圧を前記電圧制御発振器に印加するループフィルタと、前記電圧制御発振器の発振周波数を定める発振バンドと、前記第1の注入同期型分周器及び前記第2の注入同期型分周器を所定の異なる動作帯域において動作するための制御パラメータを調整するキャリブレーション回路と、を備え、前記キャリブレーション回路は、前記第2の注入同期型分周器の制御パラメータを調整して前記第1の注入同期型分周器の制御パラメータを調整した後、前記調整された前記第2の注入同期型分周器の分周信号に応じて前記電圧制御発振器の発振バンドを調整する。
また、本開示は、第1の注入同期型分周器及び第2の注入同期型分周器を接続したPLL回路におけるキャリブレーション方法であって、高周波信号を出力する電圧制御発振器及び前記第1の注入同期型分周器の各動作を停止するステップと、前記第2の注入同期型分周器の制御パラメータを含む制御信号に応じて分周器によって分周された分周信号と所定の基準信号との各周波数を測定する第1の測定ステップと、前記第1の測定ステップにて測定された前記分周信号及び前記基準信号の各周波数に基づいて、前記第2の注入同期型分周器の前記制御パラメータを設定するステップと、前記第1の注入同期型分周器の停止を解除するステップと、前記第1の注入同期型分周器の制御パラメータを含む制御信号に応じて前記第2の注入同期型分周器及び前記分周器によって分周された分周信号と所定の基準信号との各周波数を測定する第2の測定ステップと、前記第2の測定ステップにて測定された前記分周信号及び前記基準信号の各周波数に基づいて、前記第1の注入同期型分周器の前記制御パラメータを設定するステップと、前記電圧制御発振器の停止を解除するステップと、前記電圧制御発振器の発振周波数を定める前記発振バンドを選択するステップと、前記選択された前記発振バンドに応じて前記電圧制御発振器から出力された信号が前記第1の注入同期型分周器、前記第2の注入同期型分周器及び前記分周器によって分周された分周信号と前記基準信号との各周波数に基づいて前記電圧制御発振器の前記発振バンドを選択するステップと、を備える。
更に、本開示は、無線通信装置であって、上述したいずれかのPLL回路と、ベースバンドの送信信号を変調する変調部と、前記PLL回路により出力された第1局部信号と、前記変調された送信信号とを基にキャリア周波数に周波数変換する送信ミキサと、前記PLL回路により出力された第2局部信号と、受信信号とを基にベースバンドに周波数変換する受信ミキサと、前記周波数変換された受信信号を復調する復調部と、を備える。
本開示によれば、複数の注入同期型分周器をロックレンジにおいて動作可能とし、所望の周波数を安定的に得ることができる。
実施の形態1のPLL回路の内部構成を示したブロック図 実施の形態1のPLL回路のキャリブレーション回路の内部構成を示したブロック図 実施の形態1のPLL回路を含む無線通信装置の構成を示したブロック図 実施の形態1のPLL回路のキャリブレーション回路の動作を説明するフローチャート 実施の形態2のPLL回路のキャリブレーション回路の動作を説明するフローチャート 制御電圧に応じた注入同期型分周器303aからのフリーラン信号が注入同期型分周器303b及び分周器305にて基準信号周波数付近まで分周された出力信号の周波数を示したグラフ 注入同期型分周器を用いた従来のPLL回路の回路構成図 注入同期型分周器を用いた従来のPLL回路のキャリブレーションを説明するフローチャート 次段の注入同期型分周器2が広帯域に理想の分周器として動作する場合の注入同期型分周器1のフリーラン信号と、注入同期型分周器2がロックレンジのある通常の注入同期型分周器として動作する場合の注入同期型分周器1のフリーラン信号とを示すグラフ
(各実施の形態の内容に至る経緯)
先ず、本開示に係るPLL回路、キャリブレーション方法及び無線通信装置の各実施の形態を説明する前に、各実施の形態の内容に至る経緯として、特許文献1について説明する。
注入同期型分周器は、ロックレンジ(動作帯域)が狭く、広い周波数帯域において動作させるには、所望の周波数に合わせてロックレンジを制御するキャリブレーション方法が必要であった(例えば、特許文献1参照)。
図7は、注入同期型分周器を用いた従来(特許文献1)のPLL回路の回路構成図を示す。図8は、注入同期型分周器を用いた従来(特許文献1)のPLL回路のキャリブレーションを説明するフローチャートである。
図7に示すPLL回路100は、電圧制御発振器(VCO:voltage controlled oscillator)101、注入同期型分周器103、分周器105、位相周波数比較器+チャージポンプ108、ループフィルタ110、キャリブレーション回路114及びルックアップテーブル115を含む。以下、電圧制御発振器を単に「VCO」と記載する。
PLL回路100では、VCO101の発振による出力信号102が、注入同期型分周器103に注入(入力)され、10GHz程度の低い周波数信号104まで分周される。周波数信号104は、分周器105に入力され、分周器105により基準信号107の周波数まで分周される。
位相周波数比較器+チャージポンプ108は、分周器105からの出力信号(分周信号106)と基準信号107とを比較し、位相及び周波数の各誤差成分を電流109に変換する。電流109は、ループフィルタ110に入力される。ループフィルタ110は、入力された電流109に応じて、VCO101の制御電圧112を生成する。
制御電圧112は、VCO101を制御することによって、位相周波数比較器+チャージポンプ108において検波された誤差を小さくする。これにより、PLL回路100は、周波数負帰還回路として動作する。
キャリブレーション回路114は、基準信号107と分周器105からの分周信号106とを用いて、VCO101の発振バンドの下において、注入同期型分周器103の制御信号113の制御値を調整する(キャリブレーション)。制御信号113により、注入同期型分周器103は、注入同期型分周器103のロックレンジ(動作周波数帯域)の中心付近において動作可能となる。
PLL回路100のキャリブレーションの手順を、図7及び図8を参照して説明する。
キャリブレーション回路114は、バンド選択信号111を用いて、VCO101の発振バンドを選択する(S200)。バンド選択信号111は、キャリブレーション回路114から出力される。
キャリブレーション回路114は、VCO101の制御電圧112を設定する(S202)。例えば、キャリブレーション回路114は、所定値(例えば、Vdd/2)を制御電圧112として設定する。
キャリブレーション回路114は、注入同期型分周器103の制御信号113の制御値を変化した場合の分周信号106の周波数を測定する(S204)。
キャリブレーション回路114は、注入同期型分周器103の制御信号113の制御値の変化に対する分周信号106の周波数の変化差分を計算する(S206)。
キャリブレーション回路114は、ステップS206の計算結果を基に、ステップS200において選択されたVCO101の発振バンドに対する注入同期型分周器103のロックレンジを特定する(S208)。
キャリブレーション回路114は、ステップS208の確認結果を基に、選択されたVCO101の発振バンドの下において、注入同期型分周器103が自身のロックレンジの中心付近において動作可能となる制御信号113の制御値を選択する(S210)。キャリブレーション回路114は、ステップS210において選択された制御信号113の制御値をルックアップテーブル115に保存する。
キャリブレーション回路114は、VCO101における他の発振バンドを選択し、ステップS202〜ステップS210までの動作を繰り返す(S212)。これにより、PLL回路100は、VCO101の複数の各発振バンドに対する注入同期型分周器103の最適な制御信号113の制御値をルックアップテーブル115に保存できる。
PLL回路においてVCOの周波数が高くなる又はPLL回路の消費電力を低減させるためには、複数の注入同期型分周器を接続して用いることが有効である。
先ず、PLL回路における消費電力を低減するために、PLL回路に上述した従来の注入同期型分周器を複数接続して用いた場合の課題について、図9を参照して説明する。複数の注入同期型分周器として、例えば、それぞれロックレンジが異なる注入同期型分周器(ILFD)1と注入同期型分周器(ILFD)2とを用いる。
図9は、次段の注入同期型分周器2が広帯域に理想の分周器として動作する場合の注入同期型分周器1のフリーラン信号と、注入同期型分周器2がロックレンジ内において分周器として動作する場合の注入同期型分周器1のフリーラン信号とを示すグラフである。図9の横軸は注入同期型分周器1の制御電圧(VILFD1)を表し、図9の縦軸は注入同期型分周器2に接続された分周器からの出力信号の周波数(fDIV)を表す。
注入同期型分周器1、2は、所定のロックレンジ、即ち、動作周波数帯域を有し、ロックレンジにおいて入力(注入)信号を分周する分周器として動作する。なお、注入同期型分周器1、2は、ロックレンジ外では分周器として動作せず、所定の周波数のフリーラン信号を出力する発振器として動作する。
図9に示す太破線は、次段の注入同期型分周器2が広帯域に理想の注入同期型分周器として動作する場合に、注入同期型分周器1の制御電圧(VILFD1)に対するフリーラン信号が分周器にて基準信号周波数付近まで分周された後の出力周波数を表す。図9に示す太実線は、注入同期型分周器2がロックレンジ内において分周器として動作する場合に、注入同期型分周器1のフリーラン信号が分周器にて基準信号周波数付近まで分周された後の出力周波数を表す。なお、フリーラン信号とは、入力信号に同期していない発振信号である。
図9では、複数の注入同期型分周器を接続したPLL回路のキャリブレーション方法では、注入同期型分周器2は、注入同期型分周器2のロックレンジ外では同期動作、即ち、分周器として動作しない。このため、注入同期型分周器2のロックレンジ外では、注入同期型分周器1から出力されたフリーラン信号は注入同期型分周器2において正しく分周されずに、誤った周波数の信号が出力される(図9の太実線の直線部参照)。
従って、複数の注入同期型分周器を接続したPLL回路のキャリブレーション方法では、PLL回路は、前段の注入同期型分周器1から出力されたフリーラン信号を、次段の注入同期型分周器2のロックレンジ内にて動作するように制御する必要があるという課題があった。
そこで、以下の各実施の形態では、複数の注入同期型分周器を各々のロックレンジにおいて動作可能とし、所望の周波数を安定的に得るPLL回路、キャリブレーション方法及び無線通信装置の例を説明する。
以下、本開示に係るPLL回路の実施の形態を、図面を参照して説明する。また、本開示は、PLL回路におけるキャリブレーション回路の処理(ステップ)をキャリブレーション方法として表現できる。更に、本開示は、PLL回路を局部信号源として含む無線通信装置として表現できる。
(実施の形態1)
図1は、実施の形態1のPLL回路300の内部構成を示したブロック図である。図2は、実施の形態1のPLL回路300のキャリブレーション回路314の内部構成を示したブロック図である。
PLL回路300の構成について説明する。
図1に示すPLL回路300は、電圧制御発振器(VCO)301、注入同期型分周器303a、注入同期型分周器303b、分周器305、位相周波数比較器308a(PFD:phase and frequency detector)、チャージポンプ(CP:charge pump)308b、ループフィルタ310、キャリブレーション回路314及びルックアップテーブル315を含む。
なお、PLL回路300において、位相周波数比較器308a及びチャージポンプ308bは、別々に構成されているが、一体として構成した例を図7に示す。
PLL回路300の動作について説明する。
電圧制御発振器(VCO)301は、キャリブレーション回路314からのVCOオンオフ信号316の入力に応じて、電圧制御発振器として動作(稼働)し又は電圧制御発振器の稼働を停止する。
例えば、VCOオンオフ信号316の内容が「VCO301をオン」では、VCO301は、VCOオンオフ信号316の入力に応じて、電圧制御発振器として稼働する。
例えば、VCOオンオフ信号316の内容が「VCO301をオフ」では、VCO301は、VCOオンオフ信号316の入力に応じて、電圧制御発振器としての稼働を停止する。
VCO301は、電圧制御発振器として稼動している間、ループフィルタ310からの制御電圧312と、キャリブレーション回路314からのバンド選択信号311と、に応じて選択された発振バンドに基づいた発振周波数特性に従って発振する。
VCO301は、発振周波数における発振により、高周波の出力信号を注入同期型分周器(ILFD)303aに出力する。なお、高周波の出力信号302は、図3に示す第1局部信号及び第2局部信号として送信ミキサ50a及び受信ミキサ50bにそれぞれ入力される。
前段の注入同期型分周器303aは、図9の説明における注入同期型分周器(ILFD)1に相当し、キャリブレーション回路314からの制御信号(制御電圧313a)に応じて、VCO301からの出力信号302の入力(注入)に同期して分周器として機能し、出力信号302を所定倍に分周する。注入同期型分周器303aは、分周された分周信号303を注入同期型分周器303bに出力する。
なお、制御信号(制御電圧313a)は、注入同期型分周器2のロックレンジ内において動作させる、即ち、注入同期型分周器2を分周器として動作させるための制御電圧を表す。
後段の注入同期型分周器303bは、図9の説明における注入同期型分周器2に相当し、キャリブレーション回路314からの制御信号(制御電圧313b)に応じて、注入同期型分周器303aからの分周信号303の入力(注入)に同期して分周器として機能し、分周信号303を所定倍に分周する。注入同期型分周器303bは、分周された分周信号304を分周器305に出力する。
なお、制御信号(制御電圧313b)は、注入同期型分周器1のロックレンジ内において動作させる、即ち、注入同期型分周器1を分周器として動作させるための制御電圧を表す。
分周器305は、注入同期型分周器303bからの分周信号304を入力し、入力された分周信号304を所定倍に分周する。分周器305は、分周された分周信号306aを位相周波数比較器(PFD)308aに出力し、更に、分周信号306bをキャリブレーション回路314に出力する。
位相周波数比較器308aは、分周器305からの分周信号306aと、図3に示す基準信号発振器BLOからの基準信号307とを比較する。位相周波数比較器308aは、比較の結果、分周信号306aと基準信号307とにおける位相及び周波数の各誤差成分をチャージポンプ308bに出力する。
チャージポンプ308bは、位相周波数比較器308aからの位相及び周波数の各誤差成分を電流309に変換し、電流309をループフィルタ310に出力する。
ループフィルタ310は、チャージポンプ308bからの電流309に応じて、VCO301の制御電圧を生成する。ループフィルタ310は、生成された制御電圧をVCO301に出力(印加)する。
キャリブレーション回路314の詳細な構成について説明する。
図2に示すキャリブレーション回路314は、VCO制御部510、ILFD制御部520、バイアス生成回路521a,521b、PFD−CP制御部530、ループフィルタ制御部540及びクロックカウンタ550を含む構成である。
キャリブレーション回路314の詳細な動作について説明する。キャリブレーション回路314の各部には、基準信号307が入力されている。キャリブレーション回路314は、入力された基準信号307に基づいて動作する。
VCO制御部510は、高周波信号を出力するVCO301の稼動(オン)又は停止(オフ)を制御する。VCO制御部510は、VCO301をオンするために、VCO301をオンするVCOオンオフ信号316をVCO301に出力する。VCO制御部510は、VCO301をオフするために、VCO301をオフするVCOオンオフ信号316をVCO301に出力する。
VCO制御部510は、VCO301が稼動している間、発振バンドを選択するためのバンド選択信号311をVCO301に出力する。発振バンドは、制御電圧312に応じたVCO301の発振周波数特性を定める。
VCO制御部510は、VCO301の発振バンドを選択し(バンド選択信号311)、発振バンド(バンド選択信号311)をルックアップテーブル315に保存する。
ILFD制御部520は、注入同期型分周器303aの稼動(オン)又は停止(オフ)を制御する。ILFD制御部520は、注入同期型分周器303aをオンするために、注入同期型分周器303aをオンするILFDオンオフ信号322を注入同期型分周器303aに出力する。ILFD制御部520は、注入同期型分周器303aをオフするために、注入同期型分周器303aをオフするILFDオンオフ信号322を注入同期型分周器303aに出力する。
ILFD制御部520は、注入同期型分周器303aの制御パラメータ(制御電圧313a)を設定し、制御パラメータ(制御電圧313a)をルックアップテーブル315に保存する。
ILFD制御部520は、注入同期型分周器303bの制御パラメータ(制御電圧313b)を設定し、制御パラメータ(制御電圧313b)をルックアップテーブル315に保存する。
ILFD制御部520は、注入同期型分周器303a,303bの発振周波数を調整するための制御パラメータの初期値を含む制御信号をそれぞれバイアス生成回路521a,521bに出力する。ILFD制御部520は、クロックカウンタ550の測定結果に応じて、注入同期型分周器303a,303bの分周信号における周波数を所望の周波数帯域に調整するための制御パラメータを変更する。ILFD制御部520は、変更された制御パラメータを含む制御信号をそれぞれバイアス生成回路521a,521bに出力する。
なお、ILFD制御部520には、制御パラメータの初期値が保存されている。制御パラメータの初期値は、例えば注入同期型分周器303a,303bの各発振周波数を、所望の周波数帯域にするために設定された値である。
バイアス生成回路521a,521bは、例えばDAC(digital analog converter)であり、ILFD制御部520からの制御信号を入力し、入力された制御信号をそれぞれ注入同期型分周器303a,303bの発振周波数又は分周信号における周波数の制御電圧に変換する。バイアス生成回路521a,521bは、変換された制御電圧313a,313bをそれぞれ注入同期型分周器303a,303bに出力(印加)する。
PFD−CP制御部530は、位相周波数比較器308a及びチャージポンプ308bの稼動(オン)又は停止(オフ)を制御する。PFD−CP制御部530は、位相周波数比較器308a及びチャージポンプ308bをオンするために、オンとしてのPFD−CPオンオフ信号320を位相周波数比較器308a及びチャージポンプ308bに出力する。
PFD−CP制御部530は、位相周波数比較器308a及びチャージポンプ308bをオフするために、オフとしてのPFD−CPオンオフ信号320を位相周波数比較器308a及びチャージポンプ308bに出力する。
ループフィルタ制御部540は、VCO301に供給する制御電圧312を切り替えるための制御信号319を生成してループフィルタ310に出力する。具体的には、ループフィルタ制御部540は、チャージポンプ308bからの出力(一定電圧)を、ループフィルタ310を介して、ループフィルタ310の出力としての制御電圧312として出力するか、又は、ループフィルタ310の内部において生成した所定の固定値(例えばVdd、Vdd/2)をループフィルタ310の出力としての制御電圧312として出力するかを切り替える制御信号319をループフィルタ310に出力する。
クロックカウンタ550は、基準信号307と、注入同期型分周器303bからの分周信号304が分周器305によって分周された分周信号306bと、が入力される。
クロックカウンタ550は、入力された基準信号307と分周信号306の各周波数を計測する。クロックカウンタ550の出力は、VCO制御部510、ILFD制御部520、PFD−CP制御部530及びループフィルタ制御部540に出力される。
例えば、基準信号307の周波数が100MHzである場合に、クロックカウンタ550は、100クロックの基準信号307をカウントする間、110クロックの分周信号306をカウントする。この場合、分周信号306bの周波数は、110MHzとなる。
図3は、実施の形態1のPLL回路300を含む無線通信装置1000の概略構成図である。無線通信装置1000は、基準信号発振器BLO、PLL回路300、変調部400、送信ミキサ50a、受信ミキサ50b及び復調部500を含む構成である。
PLL回路300は、基準信号発振器BLOからの出力信号(基準信号307)を入力し、入力された基準信号307を基に、所望の周波数の第1局部信号及び第2局部信号を、送信ミキサ50a及び受信ミキサ50bにそれぞれ出力する。なお、基準信号発振器BLOは、例えば水晶振動子を用いて構成可能である。
送信ミキサ50aは、変調部400により変調されたベースバンドの送信信号と、PLL回路300により出力された第1局部信号とを入力する。送信ミキサ50aは、入力された送信信号と第1局部信号とを基にアップコンバートし、ベースバンドの送信信号(BB送信信号)を高周波送信信号(RF送信信号)に変換する。なお、高周波送信信号は、図3に不図示のアンテナを介して送信される。
受信ミキサ50bは、図3に不図示のアンテナを介して受信された高周波受信信号(RF受信信号)と、PLL回路300により出力された第2局部信号とを入力する。受信ミキサ50bは、入力された高周波受信信号と第2局部信号とを基にダウンコンバートし、高周波受信信号をベースバンドの受信信号(BB受信信号)に変換する。なお、ベースバンドの受信信号は、復調部500により送信信号に復調される。
図4は、実施の形態1のPLL回路300のキャリブレーション回路314の動作を説明するフローチャートである。
キャリブレーション回路314は、ステップS400〜S410において注入同期型分周器303bのキャリブレーション、即ち注入同期型分周器303bの制御パラメータを設定する。
キャリブレーション回路314は、ステップS412〜S422において注入同期型分周器303aのキャリブレーション、即ち注入同期型分周器303aの制御パラメータを設定する。
キャリブレーション回路314は、ステップS424〜S430においてVCO301のキャリブレーション、即ち、所望の周波数の出力信号(第1局部信号、第2局部信号)を得るためのVCO301の発振バンドを選択する。
(ILFDのキャリブレーション)
図4において、VCO制御部510は、VCO301をオフする旨のVCOオンオフ信号316をVCO301に出力する。ILFD制御部520は、注入同期型分周器303aをオフする旨のILFDオンオフ信号322を注入同期型分周器303aに出力する(S400)。これにより、VCO301及び注入同期型分周器303aは停止する。従って、注入同期型分周器303bは、注入同期型分周器303aからの出力信号に同期しないため、分周器としてではなく電圧制御発振器として稼動する。
ILFD制御部520は、注入同期型分周器303bの発振周波数を調整するための制御パラメータの初期値を含む制御信号をバイアス生成回路521bに出力する。バイアス生成回路521bは、ILFD制御部520からの制御信号を注入同期型分周器303bの発振周波数の制御電圧313bに変換し、制御電圧313bを注入同期型分周器303bに印加する(S402)。注入同期型分周器303bの初期値の制御電圧値をVILFD2_iniとする。
ステップS402によって印加された制御電圧313bに応じて、注入同期型分周器303bの発振による出力信号が注入同期型分周器303b及び分周器305により分周された分周信号306bと、基準信号307とが、クロックカウンタ550に入力される。
クロックカウンタ550は、基準信号307と、注入同期型分周器303bからの分周信号304が分周器305によって分周された分周信号306bとを入力し、入力された基準信号307及び分周信号306bの各周波数を計測する(S404)。
分周信号306bの周波数が予め規定された所望の周波数である場合には(S406、YES)、キャリブレーション回路314の処理はステップS410に進む。基準信号307の周波数と分周信号306bの周波数とが所定量以下では、分周信号306bの周波数は所望の周波数となる。即ち、ILFD制御部520は、注入同期型分周器303bの制御パラメータをルックアップテーブル315に保存する(S410)。これにより、キャリブレーション回路314による注入同期型分周器303bのキャリブレーションは終了する。
分周信号306bの周波数が予め規定された所望の周波数でない場合には(S406、NO)、キャリブレーション回路314の処理はステップS408に進む。即ち、ILFD制御部520は、クロックカウンタ550の出力を基に、注入同期型分周器303bの発振周波数を所望の周波数帯域に調整するための制御パラメータを変更する(S408)。ILFD制御部520は、変更された制御パラメータを含む制御信号をバイアス生成回路521bに出力する。
ここで、所望の周波数とは基準信号307の周波数に対して±数%以内の周波数となる。例えば、注入同期型分周器303bの動作帯域(ロックレンジ)が60GHz付近を中心として±3GHzの範囲である場合、注入同期型分周器303bの比動作帯域は±5%となる。
これは動作周波数ずれが比動作帯域において±5%以内であれば正常動作(ロック)することを意味している。ここで、基準信号307が100MHzである場合は、所望の周波数が95〜105MHzである場合に注入同期型分周器303bは正常動作する。
ステップS408によって印加された制御電圧313bに応じて、注入同期型分周器303bの発振による出力信号が注入同期型分周器303b及び分周器305により分周された分周信号306bと、基準信号307とが、クロックカウンタ550に入力される。
ステップS408の後、分周信号306bの周波数が予め規定された所望の周波数となるまで、ステップS404,S406,S408が繰り返される。
ここで、注入同期型分周器303bの補正後の制御電圧がVILFD2では、制御電圧の補正値ΔVILFD2は、補正後の制御電圧VILFD2から初期値の制御電圧VILFD2_iniを差し引いた値として表せる。
ステップS410の後、ILFD制御部520は、注入同期型分周器303aをオンするため、注入同期型分周器303aをオンする旨のILFDオンオフ信号322を注入同期型分周器303aに出力する(S412)。これにより、注入同期型分周器303aは、VCO301が停止状態であってVCO301からの出力信号に同期しないため、分周器としてではなく電圧制御発振器として稼動する。
従って、注入同期型分周器303bは、注入同期型分周器303aからの出力信号に同期した場合に、注入同期型分周器303aからの出力信号を分周するための分周器として稼動する。
ILFD制御部520は、注入同期型分周器303aの発振周波数を調整するための制御パラメータの初期値を含む制御信号をバイアス生成回路521aに出力する。ここで、注入同期型分周器303aの初期値の制御電圧をVILFD1_iniとする。ILFD制御部520は、制御電圧の設定値は初期値の制御電圧VILFD1_iniに注入同期型分周器303bの補正値ΔVILFD1を加算した値を設定する。例えば、ILFD制御部520は、注入同期型分周器303aの制御電圧の設定値として、VILFD1_ini+kΔVILFD2を設定する。kは調整係数であって、例えば0.95〜1.05である。
注入同期型分周器303a,303bの各回路構成が同じ場合、注入同期型分周器303a,注入同期型分周器303bにおいて、プロセス変動、電源電圧又は周囲温度を含む条件の変動によって、制御電圧の補正値はおよそ同等となる。従って、注入同期型分周器303bのキャリブレーションにおいて得られた制御電圧の補正値を、注入同期型分周器303aの制御電圧の初期値に加算することで、注入同期型分周器303aは、注入同期型分周器303bのロックレンジ内において初期動作が可能となる。
バイアス生成回路521aは、ILFD制御部520からの制御信号を注入同期型分周器303aの発振周波数の制御電圧313aに変換し、制御電圧313aを注入同期型分周器303aに印加する(S414)。
ステップS414によって印加された制御電圧313aに応じて、注入同期型分周器303aの発振による出力信号が分周器305により分周された分周信号306bと、基準信号307とが、クロックカウンタ550に入力される。
クロックカウンタ550は、基準信号307と、注入同期型分周器303bからの分周信号304が分周器305によって分周された分周信号306bとを入力し、入力された基準信号307及び分周信号306bの各周波数を計測する(S416)。
分周信号306bの周波数が予め規定された所望の周波数である場合には(S418、YES)、キャリブレーション回路314の処理はステップS422に進む。即ち、ILFD制御部520は、注入同期型分周器303aの制御パラメータをルックアップテーブル315に保存する(S422)。注入同期型分周器303aの制御電圧値をVILFD1とする。これにより、キャリブレーション回路314による注入同期型分周器303aのキャリブレーションは終了する。
分周信号306bの周波数が予め規定された所望の周波数でない場合には(S418、NO)、キャリブレーション回路314の処理はステップS420に進む。即ち、ILFD制御部520は、クロックカウンタ550の出力を基に、注入同期型分周器303aの発振周波数を所望の周波数帯域に調整するための制御パラメータを変更する(S420)。ILFD制御部520は、変更された制御パラメータを含む制御信号をバイアス生成回路521aに出力する。
ステップS408によって印加された制御電圧313aに応じて、注入同期型分周器303aの発振による出力信号が注入同期型分周器303b及び分周器305により分周された分周信号306bと、基準信号307とが、クロックカウンタ550に入力される。
ステップS420の後、分周信号306bの周波数が予め規定された所望の周波数となるまで、ステップS416,S418,S420が繰り返される。
(VCOのキャリブレーション)
ステップS422の後、VCO制御部510は、注入同期型分周器303aと303bのキャリブレーションの間にオフしていたVCO301をオンするため、VCO301をオンする旨のVCOオンオフ信号316をVCO301に出力する(S424)。これにより、VCO301は稼動する。
従って、注入同期型分周器303aは、VCO301からの出力信号に同期した場合に、出力信号を分周するための分周器として稼動する。
ループフィルタ制御部540は、VCO301に供給する制御電圧312を切り替えるための制御信号319を生成してループフィルタ310に出力する。具体的には、ループフィルタ制御部540は、チャージポンプ308bからの出力(一定電圧)を、ループフィルタ310を介して、ループフィルタ310の出力としての制御電圧312として出力するか、又は、ループフィルタ310の内部において生成した所定の固定値(例えばVdd、Vdd/2)をループフィルタ310の出力としての制御電圧312として出力するかを切り替える制御信号319をループフィルタ310に出力する。
VCO制御部510は、固定された電流309を基にループフィルタ310からの制御電圧312に応じたVCO301の発振周波数特性を定める発振バンドを選択するためのバンド選択信号311をVCO301に出力する(S426)。
VCO301は、VCO制御部510から出力されたバンド選択信号311に応じた発振バンドに従って、制御電圧312に応じた発振周波数の出力信号302を注入同期型分周器303aに出力する。
注入同期型分周器303aは、ステップS422において保存された制御パラメータに応じた制御電圧313aを基に、VCO301からの出力信号302の入力に同期して出力信号302を所定倍に分周する。注入同期型分周器303aは、分周された分周信号303を注入同期型分周器303bに出力する。
注入同期型分周器303bは、ステップS410において保存された制御パラメータに応じた制御電圧313bを基に、注入同期型分周器303aからの分周信号303の入力に同期して分周信号303を所定倍に分周する。注入同期型分周器303bは、分周された分周信号304を分周器305に出力する。
分周器305は、注入同期型分周器303bからの分周信号304を所定倍に分周し、分周された分周信号306aを位相周波数比較器308aに出力し、更に、分周信号306bをクロックカウンタ550に出力する。
クロックカウンタ550は、基準信号307と、分周器305によって分周された分周信号306bとを入力し、入力された基準信号307と分周信号306bの各周波数を計測する。全ての発振バンドについて同じ操作を行い、周波数を測定する(S426)。
ステップS426によって測定された全ての発振バンドの周波数から、注入同期型分周器がロックレンジ内において同期動作している発振バンドを検出する(S428)。
ステップS428によって検出された発振バンドの中において、分周信号306bの周波数が最も所望の周波数に近い発振バンドをルックアップテーブル315に保存する(S430)。これにより、VCO301のキャリブレーションは終了する。
ステップS430の後、ループフィルタ制御部540は、ステップS426において内部にて生成した所定の固定値を、ループフィルタ310の出力として、制御電圧312をVCO301に供給させるための制御信号319を生成する。これにより、キャリブレーション回路314によるVCO301のキャリブレーションは終了する。
従って、PLL回路300は、キャリブレーション回路314による注入同期型分周器303aと303bの制御パラメータの設定及びVCO301の発振バンドの選択というキャリブレーションを終了する。
以上により、実施の形態1のPLL回路300は、プロセス、電源電圧又は周囲温度を含む条件が変動した場合でも、複数の注入同期型分周器をロックレンジにおいて動作可能とし、VCO301の発振バンドを適切に設定して所望の周波数を安定的に得ることができる。
また、注入同期型分周器303bの制御電圧の補正値を、注入同期型分周器303aの制御電圧の初期値として加算することで、注入同期型分周器303aは注入同期型分周器303bのロックレンジ内にて動作する。これにより、PLL回路300は、注入同期型分周器303aの補正量を小さくでき、短時間によってキャリブレーションを終了できる。
また、VCO制御部510及びPFD−CP制御部530は、ステップS400〜S422における注入同期型分周器303aと注入同期型分周器303bのキャリブレーションにおいて、電圧制御発振器301、位相周波数比較器308a及びチャージポンプ308bを停止しても良い。
これにより、PLL回路300は、ステップS400〜S422における注入同期型分周器303aと303bのキャリブレーションにおける消費電力を低減できる。
同様に、PFD−CP制御部530は、ステップS424〜S430におけるVCO301のキャリブレーションにおいて、位相周波数比較器308a及びチャージポンプ308bを停止しても良い。
これにより、PLL回路300は、ステップS424〜S430におけるVCO301のキャリブレーションにおける消費電力を低減できる。
(実施の形態2)
図5は、実施の形態2のキャリブレーション回路314の動作を説明するフローチャートである。実施の形態2のPLL回路300と及びキャリブレーション回路314の構成は実施の形態1と同一であるため、構成の説明を省略する。また、図5において、図4と同一内容には同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。
キャリブレーション回路314は、ステップS612〜S618において注入同期型分周器303bのキャリブレーション、即ち、注入同期型分周器303bの制御パラメータを設定する。
(ILFDのキャリブレーション)
図5において、ステップS400〜S410における注入同期型分周器303bのキャリブレーション、即ち、注入同期型分周器303bの制御パラメータの設定手順は実施の形態1と同一であるため(図4参照)、説明を省略する。
ステップS410の後、ILFD制御部520は、注入同期型分周器303aをオンするため、注入同期型分周器303aをオンする旨のILFDオンオフ信号322を注入同期型分周器303aに出力する(S612)。これにより、注入同期型分周器303aは稼動する。
従って、注入同期型分周器303bは、注入同期型分周器303aからの出力信号に同期した場合に、出力信号を分周するための分周器として稼動する。
ILFD制御部520は、注入同期型分周器303aの発振周波数を調整するための制御パラメータを含む制御信号を連続的に掃引させてバイアス生成回路521bに出力する。つまり、実施の形態1では、すでに、キャリブレーション済みの注入同期型分周器303bの補正値を用いて、注入同期型分周器303aの制御電圧の初期値を設定していたが、実施の形態2は、注入同期型分周器303aは、制御電圧の範囲を制限しない。
バイアス生成回路521aは、ILFD制御部520からの制御信号を注入同期型分周器303aの発振周波数の制御電圧313aに変換し、制御電圧313aを注入同期型分周器303aに印加する(S614)。
ステップS614によって印加された制御電圧313aに応じて、注入同期型分周器303aの発振による出力信号が注入同期型分周器303b及び分周器305により分周された分周信号306bと、基準信号307とが、クロックカウンタ550に入力される。
クロックカウンタ550は、基準信号307と、注入同期型分周器303bからの分周信号304が分周器305によって分周された分周信号306bとを入力し、入力された基準信号307及び分周信号306bの各周波数を計測する(S614)。
ILFD制御部520は、ステップS614においてクロックカウンタ550によって計測された結果を基に、注入同期型分周器303bのロックレンジを検出する(S616)。
図6は、制御電圧に応じた注入同期型分周器303aからのフリーラン信号が注入同期型分周器303b及び分周器305にて基準信号周波数付近まで分周された出力信号の周波数を示したグラフである。図6の横軸は注入同期型分周器303aの制御電圧(VILFD1)を表し、図6の縦軸は注入同期型分周器303aの制御電圧の変化量に対する分周器305からの出力信号の周波数差分(−ΔfDIV/ΔVILFD1)を表す。
図6では、分周器305からの出力信号の周波数差分(−ΔfDIV/ΔVILFD1)が所定の閾値を超えている間では、注入同期型分周器303bは、電圧制御発振器としてフリーラン信号を出力せず、注入同期型分周器303aからの出力信号の入力(注入)に同期して分周器として動作している。即ち、図6において、分周器305からの出力信号の周波数差分(−ΔfDIV/ΔVILFD1)が所定の閾値を超えている間では、注入同期型分周器303bはロックレンジ内において動作していることになる。
実施の形態2では、ステップS616によって検出された注入同期型分周器303bのロックレンジの中心値を注入同期型分周器303aの制御電圧の設定値とする。即ち、ILFD制御部520は、ステップS616によって検出された注入同期型分周器303bのロックレンジの中心値となる注入同期型分周器303aの制御電圧(制御パラメータ)をルックアップテーブル315に保存する(S618)。注入同期型分周器303aの制御電圧値をVILFD1とする。これにより、キャリブレーション回路314による注入同期型分周器303aのキャリブレーションは終了する。
(VCOのキャリブレーション)
図5において、ステップS424〜S430においてVCO301のキャリブレーション、即ち、所望の周波数の出力信号(第1局部信号、第2局部信号)を得るためのVCO301の発振バンドを選択する設定手順は実施の形態1と同一であるため、説明を省略する。
以上により、実施の形態2のPLL回路300は、注入同期型分周器303a,注入同期型分周器303bのプロセス変動、電源電圧又は周囲温度を含む条件の変動による補正値が同等でない場合でも、注入同期型分周器303a,注入同期型分周器303bを、各ロックレンジ内において正確に動作可能にさせる。従って、実施の形態2のPLL回路300は、VCO301の発振バンドを適切に設定して所望の周波数をより安定的に得ることができる。
以上、図面を参照して各種の実施形態について説明したが、本開示はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
上述した実施の形態1において、VCO制御部510は、VCO301を停止するために、VCO301を停止する旨のオンオフ信号316をVCO301に出力した。
例えば、VCO301を停止するために、VCO301と注入同期型分周器303aとの間にスイッチを設け、VCO制御部510がVCOオンオフ信号316をスイッチに出力しても良い。これにより、スイッチは、VCO301と注入同期型分周器303aとの間を非導通する。即ち、VCO301からの出力信号302が注入同期型分周器303aに入力されなくなり、実施の形態1において説明した様に、VCO301の停止と実質的に同一となる。
なお、本出願は、2012年3月21日出願の日本特許出願(特願2012−064339)に基づくものであり、その内容はここに参照として援用される。
本開示は、携帯通信端末に使用されるPLL回路に利用可能であり、特に10GHz以上の周波数信号を分周できる注入同期型分周器を用いたPLL回路、キャリブレーション方法及び無線通信装置に有用である。
50a 送信ミキサ
50b 受信ミキサ
300 PLL回路
301 電圧制御発振器
303a,303b 注入同期型分周器
305 分周器
308a 位相周波数比較器
308b チャージポンプ
309 電流
310 ループフィルタ
314 キャリブレーション回路
315 ルックアップテーブル
400 変調部
500 復調部
510 VCO制御部
520 ILFD制御部
521a、521b バイアス生成回路
530 PFD−CP制御部
540 ループフィルタ制御部
550 クロックカウンタ
1000 無線通信装置

Claims (11)

  1. 高周波信号を出力する電圧制御発振器と、
    前記出力された高周波信号を分周する第1の注入同期型分周器と、
    前記第1の注入同期型分周器により分周された信号を分周する第2の注入同期型分周器と、
    前記第2の注入同期型分周器により分周された信号を基準信号の周波数に分周する分周器と、
    前記分周器からの分周信号と前記基準信号とを比較し、位相と周波数の誤差を出力する位相周波数比較器と、
    前記出力された位相と周波数の誤差を電流に変換するチャージポンプと、
    前記変換された電流に応じて前記電圧制御発振器の制御電圧を生成し、生成された制御電圧を前記電圧制御発振器に印加するループフィルタと、
    前記電圧制御発振器の発振周波数を定める発振バンドと、前記第1の注入同期型分周器及び前記第2の注入同期型分周器を所定の異なる動作帯域において動作するための制御パラメータを調整するキャリブレーション回路と、を備え、
    前記キャリブレーション回路は、
    前記第2の注入同期型分周器の制御パラメータを調整して前記第1の注入同期型分周器の制御パラメータを調整した後、前記調整された前記第2の注入同期型分周器の分周信号に応じて前記電圧制御発振器の発振バンドを調整するPLL回路。
  2. 請求項1に記載のPLL回路であって、
    前記キャリブレーション回路は、
    前記電圧制御発振器の動作を制御するVCO制御部と、
    前記第1の注入同期型分周器及び前記第2の注入同期型分周器の各動作を制御するILFD制御部と、を更に有し、
    前記VCO制御部は、
    前記ILFD制御部が前記第1の注入同期型分周器の制御パラメータを調整する場合、前記電圧制御発振器を停止するPLL回路。
  3. 請求項2に記載のPLL回路であって、
    前記キャリブレーション回路は、
    前記制御パラメータを含む制御信号に応じて分周された分周信号と前記基準信号との各周波数を測定するクロックカウンタと、を更に有し、
    前記ILFD制御部は、
    前記測定された前記分周信号及び前記基準信号の各周波数が異なる場合、前記第2の注入同期型分周器の前記制御パラメータを設定するPLL回路。
  4. 請求項3に記載のPLL回路であって、
    前記ILFD制御部は、
    前記第1の注入同期型分周器の制御パラメータの設定値として、前記第1の注入同期型分周器の制御パラメータの初期値と、前記第2の注入同期型分周器の調整後の制御パラメータとを加算するPLL回路。
  5. 請求項2に記載のPLL回路であって、
    前記キャリブレーション回路は、
    前記制御パラメータを含む制御信号に応じて分周された分周信号と前記基準信号との各周波数を測定するクロックカウンタと、を更に有し、
    前記ILFD制御部は、
    前記第1の注入同期型分周器の制御パラメータを連続的に掃引し、前記制御パラメータの変化量に応じた前記分周信号の周波数差分を基に、前記第1の注入同期型分周器の前記制御パラメータを設定するPLL回路。
  6. 請求項3〜5のうちいずれか一項に記載のPLL回路であって、
    前記VCO制御部は、
    前記第1の注入同期型分周器の前記制御パラメータの設定後に、前記電圧制御発振器の停止を解除し、前記電圧制御発振器の発振周波数を定める前記発振バンドを選択するPLL回路。
  7. 請求項6に記載のPLL回路であって、
    前記VCO制御部は、
    前記選択された前記発振バンドに応じて前記電圧制御発振器から出力された信号が前記第1の注入同期型分周器、前記第2の注入同期型分周器及び前記分周器によって分周された分周信号と前記基準信号との各周波数が異なる場合、前記電圧制御発振器の他の前記発振バンドを選択するPLL回路。
  8. 請求項6に記載のPLL回路であって、
    前記VCO制御部は、
    前記選択された前記発振バンドに応じて前記電圧制御発振器から出力された信号が前記第1の注入同期型分周器、前記第2の注入同期型分周器及び前記分周器によって分周された分周信号と前記基準信号との各周波数に基づいて、前記電圧制御発振器の前記発振バンドを選択するPLL回路。
  9. 請求項7又は8に記載のPLL回路であって、
    前記分周信号と前記基準信号との周波数差分が所定量以下では、前記電圧制御発振器の前記発振バンド、前記第1の注入同期型分周器及び前記第2の注入同期型分周器の前記制御パラメータを保存するルックアップテーブルと、を更に有するPLL回路。
  10. 第1の注入同期型分周器及び第2の注入同期型分周器を接続したPLL回路におけるキャリブレーション方法であって、
    高周波信号を出力する電圧制御発振器及び前記第1の注入同期型分周器の各動作を停止するステップと、
    前記第2の注入同期型分周器の制御パラメータを含む制御信号に応じて分周器によって分周された分周信号と所定の基準信号との各周波数を測定する第1の測定ステップと、
    前記第1の測定ステップにて測定された前記分周信号及び前記基準信号の各周波数に基づいて、前記第2の注入同期型分周器の前記制御パラメータを設定するステップと、
    前記第1の注入同期型分周器の停止を解除するステップと、
    前記第1の注入同期型分周器の制御パラメータを含む制御信号に応じて前記第2の注入同期型分周器及び前記分周器によって分周された分周信号と所定の基準信号との各周波数を測定する第2の測定ステップと、
    前記第2の測定ステップにて測定された前記分周信号及び前記基準信号の各周波数に基づいて、前記第1の注入同期型分周器の前記制御パラメータを設定するステップと、
    前記電圧制御発振器の停止を解除するステップと、
    前記電圧制御発振器の発振周波数を定める発振バンドを選択するステップと、
    前記選択された前記発振バンドに応じて前記電圧制御発振器から出力された信号が前記第1の注入同期型分周器、前記第2の注入同期型分周器及び前記分周器によって分周された分周信号と前記基準信号との各周波数に基づいて前記電圧制御発振器の前記発振バンドを選択するステップと、を備えるキャリブレーション方法。
  11. 請求項1〜9のうちいずれか一項に記載のPLL回路と、
    ベースバンドの送信信号を変調する変調部と、
    前記PLL回路により出力された第1局部信号と、前記変調された送信信号とを基にキャリア周波数に周波数変換する送信ミキサと、
    前記PLL回路により出力された第2局部信号と、受信信号とを基にベースバンドに周波数変換する受信ミキサと、
    前記周波数変換された受信信号を復調する復調部と、を備える無線通信装置。
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