JP6725187B2 - Pll回路 - Google Patents
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Description
位相雑音を決定する要因は離調周波数によって変わり、離調周波数が大きな周波数領域(およそループ帯域より大きな周波数)ではVCOの雑音が支配的となり、離調周波数が小さな周波数領域(およそループ帯域より小さな周波数)では位相周波数比較器(PFD;Phase Frequency Detector)やチャージポンプ回路、基準信号源などの雑音が支配的となる。
実施の形態1.
図1は、本実施の形態によるPLL回路を示す構成図である。
図1に示すPLL回路は、基準信号源(REF)1、電圧制御発振器(VCO)2、可変分周器3、位相周波数比較器(PFD)4a〜4d、チャージポンプ回路5a〜5d、ループフィルタ6、第1のパルスセレクタ7a、第2のパルスセレクタ7b、パルス選択回路8を備える。基準信号源(以下、REFという)1は、PLL回路の基準信号となる周波数の信号を発生する信号源である。電圧制御発振器(以下、VCOという)2は、周波数制御端子に与えられる電圧に対応した周波数の信号を出力する発振器であり、その出力をPLL回路の出力信号とすると共に、可変分周器3に与えられるよう構成されている。可変分周器3は、VCO2の出力を入力として外部から制御される分周比で分周を行う分周器である。PFD4a〜4dは、それぞれ第1のパルスセレクタ7aと第2のパルスセレクタ7bから時分割で出力される信号を入力として、第1のパルスセレクタ7aの出力信号と第2のパルスセレクタ7bの出力信号の位相比較を行い、その比較結果の信号をチャージポンプ回路5a〜5dへの出力する回路である。チャージポンプ回路5a〜5dは、それぞれPFD4a〜4dから出力された信号に対応した電流を出力する回路であり、これら出力は合成されてループフィルタ6に与えられるようになっている。ループフィルタ6は、チャージポンプ回路5a〜5dの出力を入力して、電流−電圧変換と平滑化を行うフィルタである。第1のパルスセレクタ7aは、可変分周器3の出力信号を入力して各PFD4a〜4dへの出力端子からそれぞれ時分割で信号を出力するセレクタである。第2のパルスセレクタ7bは、REF1からの基準信号を入力して各PFD4a〜4dへの出力端子からそれぞれ時分割で信号を出力するセレクタである。パルス選択回路8は、第1のパルスセレクタ7aと第2のパルスセレクタ7bが行うパルス選択処理の選択制御信号を出力する回路であり、これら第1のパルスセレクタ7a及び第2のパルスセレクタ7bに対して、各PFD4a〜4dへの時分割信号を順番に出力するよう制御を行う。
本PLL回路の出力(OUT)でもあるVCO2から出力された信号は、可変分周器3で分周され、第1のパルスセレクタ7aを通って四つのPFD4a〜4dに与えられる。一方、REF1の出力は第2のパルスセレクタ7bを通って四つのPFD4a〜4dに与えられ、各PFD4a〜4dの出力は、それぞれチャージポンプ回路5a〜5dに与えられる。各チャージポンプ回路5a〜CP5dの出力電流は合成されてループフィルタ6に与えられる。ループフィルタ6では、電流−電圧変換と平滑化(積分)を行い、VCO2の周波数制御端子に印加する。ここで、第1のパルスセレクタ7aと第2のパルスセレクタ7bは、REF1からの信号をクロックとして動作するパルス選択回路8からの指示に従い、入力された信号を四つの出力端子の中から選択した一つの端子より出力する。
先ず、PFD4aへの入力信号は、第1のパルスセレクタ7a及び第2のパルスセレクタ7bに入力される信号(パルス列)を4回に1回の割合で間引いた信号となる(図2C参照)。同様に、PFD4bへの入力信号も4回に1回の割合で間引いた信号である(図2D参照)。これら第1のパルスセレクタ7a及び第2のパルスセレクタ7bは、信号を出力する端子を四つの端子から順に切り替えるため、ある瞬間には四つの中のいずれか一つのPFD4a〜4dに信号が入力されていることになる(図2C〜図2F参照)。また、第1のパルスセレクタ7a及び第2のパルスセレクタ7bは、同じタイミングに同じPFD4a〜4dへ信号を出力する(図2C〜図2Fの破線枠201〜204参照)。この例では、PFD4a〜4dは、入力される二つの信号の立ち上がりエッジで比較を行い、その結果をチャージポンプ回路5a〜5dに出力し、チャージポンプ回路5a〜5dはその位相比較結果に応じた電流を出力する。図2に示す通り、各チャージポンプ回路5a〜5dは4回に1回しか比較結果の電流を出力しないが、四つのチャージポンプ回路5a〜5dの出力を合成した電流(=ループフィルタ6への入力電流)は、並列化しない構成と同じくREF1の周期毎に出力されるパルス列となる(図2C〜図2Gの破線矢印205〜208参照)。
図3から明らかなように、位相比較周波数やチャージポンプの1/f雑音が支配的となる低離調周波数領域において、それらの回路を4並列した本構成のPLLでは、1/f雑音領域の位相雑音を並列化前に比べて6dB低減することができる。一方、位相比較周波数やチャージポンプの熱雑音が支配的となる雑音がフラットな領域では、並列化による雑音値の変化は無い。実施の形態1では、四つの回路を並列化したが、各回路が動作する時間は並列化前に比べて1/4であるので、PLL回路としての全消費電力は、第1のパルスセレクタ7a、第2のパルスセレクタ7b及びパルス選択回路8で必要となる電力を除いてほぼ変わらないことが特徴である。
なお,本実施の形態ではPFD4a〜4dとチャージポンプ回路5a〜5dを4並列する構成を示したが、2以上の任意の数の回路を並列化することで同様の効果(ただし雑音低減量は並列数に応じて異なる)が得られる。
実施の形態2は、並列化したPFD4a〜4dとチャージポンプ回路5a〜5dの制御を電源制御回路で行うようにしたものである。
図4に実施の形態2のPLL回路の構成を示す。実施の形態2のPLL回路は、基準信号源(REF)1、電圧制御発振器(VCO)2、可変分周器3、位相周波数比較器(PFD)4a〜4d、チャージポンプ回路5a〜5d、ループフィルタ6、電源制御回路9を備える。ここで、PFD4a〜4dとチャージポンプ回路5a〜5dを4並列としている構成は実施の形態1と同様であるが、PFD4a〜4dに与える信号を第1のパルスセレクタ7aと第2のパルスセレクタ7b及びパルス選択回路8で選択していた実施の形態1とは異なり、信号はすべてのPFD4a〜4dに入力されるよう構成されている。ただし、REF1をクロックとして動作する電源制御回路9により四つのPFD4a〜4dとチャージポンプ回路5a〜5dの電源が制御される。すなわち、電源制御回路9は、REF1からの基準信号に基づいて、PFD4a〜4dとチャージポンプ回路5a〜5dにおける電源を時分割でオンするよう構成された回路である。
PLL回路としての基本的な動作は実施の形態1と同様であるため、実施の形態1の動作とは異なる動作について説明する。
図5は、実施の形態2のPLL回路の各部の動作を示す波形図である。図中、図5AにREF1の出力波形を、図5Bに可変分周器3の出力波形を示す。
PFD4aへの電源制御信号は、電源制御回路9から出力され,“High”の期間だけPFD4aの電源をオンとし、“Low”の期間はPFD4aの電源をオフとする(図5D参照)。また、図5では省略しているが、チャージポンプ回路5aへの電源制御も同様に行われる。電源制御回路9から出力されるPFD4a〜4dとチャージポンプ回路5a〜5dとの制御信号は、それぞれ全体の1/4の時間だけ“High”となり、四つの信号は順次“High”となる(図5D、F、H、J参照)。これにより、それぞれのPFD4a〜4dには常時信号が入力されていても(図5C、E、G、I参照)、それに対応するチャージポンプ回路5a〜5dからの出力電流は、制御信号が“High”となっている区間、つまり4回に1回しか出力されないことになる。よって図5Kに示す通りループフィルタ6の入力電流は、それぞれのチャージポンプ回路5a〜5dからの電流が順番に出力され、実施の形態1によるPLL回路と同じ動作と位相雑音低減の効果が得られる。また、実施の形態2では、実施の形態1で必要であった二つの第1のパルスセレクタ7a及び第2のパルスセレクタ7bと一つのパルス選択回路8の代わりに、一つの電源制御回路9で所望の動作が実現できるため、より低消費電力特性を得ることができる。
実施の形態3は、実施の形態1の回路においてチャージポンプ回路5a〜5dのみを並列化したものである。
図6に実施の形態3のPLL回路の構成を示す。実施の形態3のPLL回路は、基準信号源(REF)1、電圧制御発振器(VCO)2、可変分周器3、位相周波数比較器(PFD)4、チャージポンプ回路5a〜5d、ループフィルタ6、パルスセレクタ7c、パルス選択回路8を備える。位相周波数比較器(以下、PFDという)4は、可変分周器3の出力信号とREF1の出力信号を入力として、これら信号を比較し、その比較結果を示す信号(UP信号及びDN信号)を出力する回路である。パルスセレクタ7cは、PFD4から出力される信号を入力とし、パルス選択回路8から与えられる選択制御信号に基づいて、時分割でそれぞれのチャージポンプ回路5a〜5dに出力する回路である。すなわち、実施の形態3のPLL回路は、実施の形態1の構成に対して、PFDは並列化せずチャージポンプ回路5a〜5dのみを並列化したものである。
実施の形態3においても、PLL回路としての基本的な動作は実施の形態1と同様であるため、実施の形態1の動作とは異なる動作について説明する。
パルスセレクタ7cは、信号を出力する端子を四つの端子から順に時分割で切り替えるため、ある瞬間には四つチャージポンプ回路5a〜5dのうちのいずれか一つに信号が入力されていることになる。結果として、チャージポンプ回路5a〜5dに入力される電流パルスは、並列化前と同じであるが、パルス毎に出力元のループフィルタ6は異なることとなる。
従って、実施の形態3のPLL回路では、低減される1/f雑音領域の位相雑音は、チャージポンプ回路5a〜5dに起因する成分のみであるが、十分低雑音化の効果が得られる。また、実施の形態1と比較して位相周波数比較器やパルスセレクタの数が少なくて良いため、回路全体のサイズと消費電力を抑えることができる。
実施の形態4は、実施の形態2の回路においてチャージポンプ回路5a〜5dのみを並列化したものである。
図7に実施の形態4のPLL回路の構成を示す。実施の形態4のPLL回路は、基準信号源(REF)1、電圧制御発振器(VCO)2、可変分周器3、位相周波数比較器(PFD)4、チャージポンプ回路5a〜5d、ループフィルタ6、電源制御回路9を備える。ここで、PFD4は、図6に示した実施の形態3のPFD4と同様に、可変分周器3の出力信号とREF1の出力信号を入力として、これら信号を比較し、その比較結果を示す信号(UP信号及びDN信号)を出力する回路である。電源制御回路9は、図4に示した実施の形態2の電源制御回路9と同様に、REF1からの基準信号に基づいて、チャージポンプ回路5a〜5dにおける電源を時分割でオンするよう構成された回路である。ただし、実施の形態4ではPFD4は一つだけであるため、チャージポンプ回路5a〜5dの電源制御のみを行う。他の構成は図4に示した実施の形態2の構成と同様である。
可変分周器3からの出力と、REF1からの信号は、PFD4に入力される。PFD4からの出力信号(UP信号とDN信号の二つ)は4分岐され、並列化された四つのチャージポンプ回路5a〜5dに与えられる。これらのチャージポンプ回路5a〜5dの出力は合成されてループフィルタ6に与えられる。
電源制御回路9の動作原理は実施の形態2と同様であり、REF1の基準信号をクロックとして動作して、四つのチャージポンプ回路5a〜5dの電源を順にオン/オフ制御する。これにより、ある瞬間には四つの中のいずれか一つのチャージポンプ回路5a〜5dのみの電源がオンとなり、結果として、ループフィルタ6に入力される電流パルスは、並列化前と同じであるが、パルス毎に出力元のチャージポンプ回路5a〜5dは異なることとなる。
実施の形態5は、実施の形態1におけるPFDとチャージポンプ回路を一つの単位回路として、この単位回路を2並列としたものである。
図8は、実施の形態5のPLL回路を示す構成図である。実施の形態5のPLL回路は、基準信号源(REF)1、電圧制御発振器(VCO)2、可変分周器3、位相周波数比較器(PFD)4a〜4h、チャージポンプ回路5a〜5h、ループフィルタ6、第1のパルスセレクタ7a、第2のパルスセレクタ7b、パルス選択回路8を備える。ここで、PFD4a〜4d及びチャージポンプ回路5a〜5dは、図1に示した実施の形態1のPFD4a〜4d及びチャージポンプ回路5a〜5dと同様である。PFD4e〜4h及びチャージポンプ回路5e〜5hは、それぞれPFD4a〜4dと同じ入力となる回路である。すなわち、PFD4a〜4dとチャージポンプ回路5a〜5dに対して、PFD4e〜4hとチャージポンプ回路5e〜5hとが並列接続されている。他の構成は図1に示した実施の形態1と同様である。
実施の形態5のPLL回路の動作としては、PFD4a〜4dとチャージポンプ回路5a〜5dに対して、PFD4e〜4hとチャージポンプ回路5e〜5hとが並列動作する以外は実施の形態1と同様である。
Claims (5)
- 与えられる電圧に対応した周波数の信号を出力する電圧制御発振器と、
前記電圧制御発振器の出力信号を分周する可変分周器と、
前記可変分周器からの出力信号と基準信号源からの基準信号とをそれぞれ入力し、これら信号の比較をそれぞれ行う複数の位相周波数比較器と、
前記複数の位相周波数比較器の比較結果の信号に応じた電流をそれぞれ出力する複数のチャージポンプ回路と、
前記複数の位相周波数比較器及び前記複数のチャージポンプ回路の電源を時分割でオンとする制御を行う電源制御回路と、
前記複数のチャージポンプ回路から出力電流を合成して、電流電圧変換及び平滑化した信号を前記与えられる電圧として前記電圧制御発振器に出力するループフィルタとを備えたPLL回路。 - 与えられる電圧に対応した周波数の信号を出力する電圧制御発振器と、
前記電圧制御発振器の出力信号を分周する可変分周器と、
前記可変分周器の出力信号と基準信号源からの基準信号とを入力し、前記可変分周器の出力信号と前記基準信号源からの基準信号との比較を行う単一の位相周波数比較器と、
前記位相周波数比較器からの出力を入力として、複数の出力端子から時分割で出力するパルスセレクタと、
前記パルスセレクタから時分割で出力された前記位相周波数比較器の比較結果の信号に応じた電流を出力する複数のチャージポンプ回路と、
前記複数のチャージポンプ回路から出力電流を合成して、電流電圧変換及び平滑化した信号を前記与えられる電圧として前記電圧制御発振器に出力するループフィルタとを備えたPLL回路。 - 前記複数の位相周波数比較器に代えて単一の位相周波数比較器とし、前記電源制御回路は、前記複数のチャージポンプ回路の電源を時分割でオンとする制御を行うことを特徴とする請求項1記載のPLL回路。
- 前記複数の位相周波数比較器と前記複数のチャージポンプ回路を一つの単位回路として、当該単位回路を複数並列接続したことを特徴とする請求項1記載のPLL回路。
- 前記位相周波数比較器と前記複数のチャージポンプ回路を一つの単位回路として、当該単位回路を複数並列接続したことを特徴とする請求項2または請求項3記載のPLL回路。
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