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位相同期発振器 - 特開2008−28683 | j-tokkyo
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【発明の名称】 位相同期発振器
【発明者】 【氏名】本郷 廣信

【要約】 【課題】位相同期発振器において、感度の不安定領域を解消するために不感帯以外の部分でパルスを発生させることにより、位相差に比例してパルス幅が変化し、不感帯で感度が出ない位相状態でも位相情報を検知することができるようにした位相同期発振器を提供する。

【構成】電圧制御発振器4の出力信号の一部を可変分周器5を経由して位相比較器2の一方の入力に接続し、基準信号を固定分周器1を介して前記位相比較器2のもう一方の入力に接続し、前記位相比較器2の出力をローパスフィルタ3を介して前記電圧制御発振器4の入力に接続することによりループを形成し、前記可変分周器5を変化させて位相差に比例したパルス幅を発生させて位相情報を検知する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電圧制御発振器の出力信号の一部を可変分周器を経由して位相比較器の一方の入力に接続し、入力信号を固定分周器を介して前記位相比較器のもう一方の入力に接続し、前記位相比較器の出力をローパスフィルタを介して前記電圧制御発振器の入力に接続することによりループを形成し、
前記可変分周器を変化させて位相差に比例したパルス幅を発生させて位相情報を検知し、前記ローパスフィルタによりパルスを含む誤差信号を平滑化し、前記電圧制御発振器へ入力することを特徴とする位相同期発振器。
【請求項2】
電圧制御発振器の出力信号の一部を固定分周器を経由して位相比較器の一方の入力に接続し、入力信号を可変分周器を介して前記位相比較器のもう一方の入力に接続し、前記位相比較器の出力をローパスフィルタを介して前記電圧制御発振器の入力に接続することによりループを形成し、
前記可変分周器を変化させて位相差に比例したパルス幅を発生させて位相情報を検知し、前記ローパスフィルタによりパルスを含む誤差信号を平滑化し、前記電圧制御発振器へ入力することを特徴とする位相同期発振器。
【請求項3】
請求項1または請求項2に記載の位相同期発振器において、
前記可変分周器は、異なる分周数の組合わせにより形成された複数の繰り返し分周パターンを有することを特徴とする位相同期発振器。
【請求項4】
請求項1または請求項2に記載の位相同期発振器において、
前記可変分周器は、プログラマブル・ロジック・アレイで構成されることを特徴とする位相同期発振器。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
本発明は、位相同期発振器に係り、特に、入力信号に対して感度の不安定領域でも安定した感度を得て不安定領域を解消するようにした位相同期発振器に関するものである。
【背景技術】
【0002】
位相同期発振器は、PLL(Phase-locked Loop)の一種の周波数帰還型回路により実現される。
【0003】
図9は、従来技術による位相同期発信器の構成図である。同図において、1は1/N分周器、2は位相比較器(PD:Phase Detector) 、3はローパスフィルタ(LPF:Low Pass Filter)、4は電圧制御発振器(VCO:Voltage-controlled Oscillator)である。入力信号は、1/N分周器1経由で位相比較器(PD)2により出力信号との位相差を比較し、ローパスフィルタ(LPF)3で平滑化した誤差信号で電圧制御発振器(VCO)4を制御し、位相差が0となるように負帰還をかけるものである。
【0004】
図10は、位相比較器(PD)2の出力に用いるチャージポンプ回路図である。同図において、チャージポンプ回路は、位相差に相当する誤差信号を出力する位相比較器(PD)2の誤差信号を入力し、3ステート出力信号を出力する。充電用のHパルス、放電用のLパルス、保持用のZ( ハイインピーダンス) の3ステート出力である。
【0005】
図11は、従来技術による入力信号の位相差と出力パルスの関係を示すタイムチャートである。同図において、リニアな出力特性では位相差に比例した位相誤差パルスを出力する。位相同期過程では、位相比較器(PD)2の出力のパルス幅は次第に細くなり、定常状態では位相差0に収束する。ところが、図11の位相差0付近は、上側パルスと下側パルスが入れ代わる部分のため、回路素子の遅延状態、回路の構成方法により以下の状態が生じる。
(1)リニアな出力特性:位相差にパルス幅が比例し、どの位相差でも出力特性の傾斜は変わらない。
(2)不感帯がある出力特性:位相差0付近に出力パルスが発生しない不感帯が発生し、出力特性の傾斜が平らになる部分がある。
(3)高感度帯がある出力特性:位相差0付近に上下の出力パルスが重複する部分が発生し、出力特性の傾斜が立つ高感度帯がある。
【0006】
図12は、従来技術による高感度帯の発生を示すタイムチャートである。同図において、外部からの信号により任意の周波数を発生させるPLLにおいて、それを構成する位相比較器(PD)2における基準信号と比較信号との位相差が0の付近に発生する上下の出力パルスが重複して発生する部分(高感度帯)のメカニズムを示す。すなわち、基準信号と比較信号との位相差が充分に+側においては、上側パルス幅に比例する電圧が発生し、一方、基準信号と比較信号との位相差が充分に−側においては、下側パルス幅に比例する電圧が発生する。高感度帯は、基準信号と比較信号との位相差が0付近において、上側パルス幅と下側パルス幅に比例する電圧が重複して発生する。位相比較器(PD)2の傾斜をKdとすると、高感度帯の感度は2・Kdとなる。
【0007】
図13は、従来技術による位相比較器の出力特性図である。同図において、(a)不感帯例の場合では、位相差0付近で、出力特性の傾斜が平らな部分(不感帯)が生じ、(b)高感度帯例の場合では、位相差0付近で、出力特性の傾斜が立つ部分(高感度帯)が生じる。すなわち、感度の不安定領域があると位相差に出力が比例しなくなり、その出力特性は、S字特性、逆S字特性となる。
【0008】
図14は、従来技術による位相比較器の10分周同期状態のタイムチャートである。同図において、比較信号と基準信号との位相差が0付近の不感帯では、基準信号がずれても位相比較器(PD)2から出力信号が出ない状態を示している。
【0009】
図15は、従来技術による感度の不安定領域対策を示す構成図である。本回路構成では、コンデンサをリーク抵抗により放電させ、定常状態で常にチャージポンプから充電方向の微小パルスを発生させ、定常時の動作点を不安定域からずらす方法が用いられている。
【0010】
しかしながら、この一般的な手法では、動作点を感度の不安定領域からずらすだけなので、感度の不安定領域自体を無くするものではない。そのため、引込み時に不安定領域を通過すると引込み操作が不安定になったり、大きな位相変化をもつ入力への追従時に、不安定領域を通過すると入出力の位相誤差が大きくなるなどの問題点があった。
【0011】
また、その他の従来技術として、データセパレート用の位相同期回路において、チャージポンプの充放電に使用するSWの応答特性を上回る極小パルスでは、SWが動作しないために不感帯が発生する。この不感帯に対応するため、位相比較器を構成するFFのクリアに時間差ToをもたせることでSWの最小パルス幅をTo以上確保し、応答帯域内でスイッチングすることを特徴とし、位相差0付近においては上下の出力パルスをToだけ重複させ不感帯を回避する回路が提案されている。(例えば、特許文献1参照)
しかしながら、この従来技術も、SWの応答速度を上回る極小パルスによる不感帯を改善するものであり、SW自体のディレイ、及びSW以前のロジック回路で発生するディレイのバラツキにより発生する不感帯には対応していない。
【特許文献1】特開平02−021724号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
位相同期発振器において、感度の不安定領域があると、不感帯の場合には位相変化に対して位相比較器が応答しないので、ループゲインの低下、高感度帯では逆にループゲインが高くなり、ループ特性にピークが発生するなど、ループが安定に動作しない。場合によっては、ループが発振する可能性もある。
【0013】
また、不感帯では雑音のような小信号(感度の不安定領域に収まってしまう振幅)は、入力信号に応答しなくなるため、VCO雑音をループで圧縮する場合など、帰還が効かず、出力雑音が悪化すると言った問題が生じていた。
【0014】
本発明は、上述した従来の問題点を解消するために、分周数を変化させることで、不安定領域以外の部分でパルスを発生させることにより、この前後に発生したパルスは、不安定領域に入っていないので位相差に比例してパルス幅が変化し、不感帯で感度が出ない位相状態でも位相情報を検知することができるようにし、高感度帯では、ループゲインの変化を抑えた位相同期発振器を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0015】
上記課題を解決するための第1の発明は、電圧制御発振器の出力信号の一部を可変分周器を経由して位相比較器の一方の入力に接続し、入力信号を固定分周器を介して前記位相比較器のもう一方の入力に接続し、前記位相比較器の出力をローパスフィルタを介して前記電圧制御発振器の入力に接続することによりループを形成し、前記可変分周器を変化させて位相差に比例したパルス幅を発生させて位相情報を検知し、前記ローパスフィルタによりパルスを含む誤差信号を平滑化し、前記電圧制御発振器へ入力する。
【0016】
この第1の発明によれば、感度の不安定領域でも安定した感度を得て不安定領域を解消でき、さらに、不安定領域部分の位相比較感度も制御することができる位相同期発振器を提供できる。
【0017】
第2の発明は、電圧制御発振器の出力信号の一部を固定分周器を経由して位相比較器の一方の入力に接続し、入力信号を可変分周器を介して前記位相比較器のもう一方の入力に接続し、前記位相比較器の出力をローパスフィルタを介して前記電圧制御発振器の入力に接続することによりループを形成し、前記可変分周器を変化させて位相差に比例したパルス幅を発生させて位相情報を検知し、前記ローパスフィルタによりパルスを含む誤差信号を平滑化し、前記電圧制御発振器へ入力する。
【0018】
この第2の発明によれば、感度の不安定領域でも安定した感度を得て不安定領域を解消でき、さらに、不安定領域部分の位相比較感度も制御することができる位相同期発振器を提供できる。
【0019】
第3の発明は、第1の発明または第2の発明に記載の位相同期発振器において、前記可変分周器は、異なる分周数の組合わせにより形成された複数の繰り返し分周パターンを有する。
【0020】
この第3の発明によれば、任意クロック数分の幅の不感帯に対応できる位相同期発振器を提供できる。
【0021】
第4の発明は、第1の発明または第2の発明に記載の位相同期発振器において、前記可変分周器は、プログラマブル・ロジック・アレイで構成される。
【0022】
この第4の発明によれば、利用者が自由にプログラミングすることのできる可変分周器を使って位相同期発振器を提供できる。
【発明の効果】
【0023】
以上、本発明の位相同期発振器によれば、感度の不安定領域でも安定した感度を得て不安定領域を解消できる。さらに、不安定領域部分の位相比較感度も制御することができるため、雑音特性、引き込み特性がシミュレーションで検証・フィードバックが可能となった。その結果、ループの安定化、出力雑音の低減を可能とし、クロックを用いた装置などの高性能化に寄与するところが大きい。
【発明を実施するための最良の形態】
【0024】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら説明する。
【0025】
図1は、本発明の一実施形態における位相同期発振器の構成図である。同図において、(a)は比較側に可変分周器を入れた場合を示し、(b)は基準側に可変分周器を入れた場合を示す。
(a)比較側に可変分周器を入れた場合において、位相同期発振器の構成は、電圧制御発振器(VCO)4の出力信号の一部を可変分周器5を経由して位相比較器(PD)2の一方の入力に接続し、入力信号を固定分周器(1/N)を介して位相比較器(PD)2のもう一方の入力に接続し、位相比較器(PD)2の出力をローパスフィルタ(LPF)3を介して電圧制御発振器(VCO)4の入力に接続することによりループを形成する。
【0026】
この位相同期発振器の作用は、可変分周器5を変化させて位相差に比例したパルス幅を発生させ、位相比較器(PD)2にて位相情報を検知し、ローパスフィルタ(LPF)3によりパルスを含む誤差信号を平滑化し、電圧制御発振器(VCO)4へ入力する。電圧制御発振器では、平滑化した誤差信号で制御され、位相差が0になるように負帰還を掛けるようになっている。
(b)基準側に可変分周器を入れた場合において、位相同期発振器の構成は、電圧制御発振器(VCO)4の出力信号の一部を固定分周器(1/N)1を経由して位相比較器(PD)2の一方の入力に接続し、入力信号を可変分周器5を介して位相比較器(PD)2のもう一方の入力に接続し、位相比較器(PD)2の出力をローパスフィルタ(LPF)3を介して電圧制御発振器(VCO)4の入力に接続することによりループを形成する。
【0027】
この位相同期発振器の作用は、可変分周器5を変化させて位相差に比例したパルス幅を発生させ、位相比較器(PD)2にて位相情報を検知し、ローパスフィルタ(LPF)3によりパルスを含む誤差信号を平滑化し、電圧制御発振器(VCO)4へ入力する。電圧制御発振器では、平滑化した誤差信号で制御され、位相差が0になるように負帰還を掛けるようになっている。
【0028】
このように、本発明においては、固定分周器(1/N)1および可変分周器5を挿入する位置は、基準側または比較側のいずれでも良い。
【0029】
図2は、本発明に適用される可変分周器の構成例及びプログラムのフロー図である。同図において、可変分周器5は、プログラマブル・ロジック・アレイで構成することができる。このプログラマブル・ロジック・アレイとしては、例えば、FPGA(Field Programmable Gate Array)で構成することができる。ICのクロックに信号を入力し、分周数を変化させてクロックを分周し、出力するようにプログラムしてある。本例では、可変分周器5の設定を9分周−11分周−11分周−9分周とし、この繰り返し周期のカウント出力を作成する。
【0030】
図3は、本発明の一実施形態における位相同期状態のタイムチャート(実施例1)である。本発明では、分周器の分周方法に特徴があり、ここでは、10分周の分周器を用いている。平均分周数は、従来と同じであるが、各分周のカウント数、組合せに特徴がある。同期位相に対して、0,−1,0,+1・・・・と同期位相の前後1クロックの位相情報を得る構成で、分周器の設定は9−11−11−9カウントを繰り返していくものである。この例では2クロック分の幅の不感帯(高感度帯)まで対応できるようになる。位相比較器(PD)2の出力特性は、従来の不感帯の部分でも感度を持つようになる。高感度帯では、急激な感度が緩やかに改善できる。
【0031】
図4は、本発明の一実施形態における位相同期状態のタイムチャート(実施例2)である。本実施例2は、分周の組合せを変えて図3の実施例1よりも感度を高めたものであり、同期位相に対して、−1,+1・・・と同期位相の前後1クロックのみ位相情報を得る構成で、分周器の設定は8−12カウントを繰り返していくものである。この例でも2クロック分の幅の不感帯(高感度帯)まで対応できるようになる。
【0032】
図5は、本発明の一実施形態における位相同期状態のタイムチャート(実施例3)である。本実施例3は、分周の組合せにより前後2クロックずらしたものであり、同期位相に対して、0,−2,0, +2・・・と同期位相の前後2クロックのみ位相情報を得る構成で、分周器の設定は8−12−12−8カウントを繰り返していくものである。この例でも4クロック分の幅の不感帯( 高感度帯) まで対応できるようになる。
【0033】
図6は、本発明の一実施形態における位相同期状態のタイムチャート(実施例4)である。本実施例4は、分周の組合せにより前後2クロックずらしたもので実施例3よりも感度を高めたものである。同期位相に対して、−2,+2,−2,+2・・・と同期位相の前後2クロックのみ位相情報を得る構成で、分周器の設定は6−14−14−6カウントを繰り返していくものである。この例でも4クロック分の幅の不感帯( 高感度帯) まで対応できるようになる。
【0034】
図7は、本発明の一実施形態における位相同期状態のタイムチャート(実施例5)である。本実施例5は、分周の組み合わせにより感度を制御した実施例であり、同期位相に対して、0,−1,0,+1,0,0,0,0・・・と同期位相の前後1クロックのみ位相情報を得る構成で、−1,+1カウントの頻度を下げたものである。分周器の設定は9−11−9−11−10−10−10−10カウントを繰り返していくものである。この例では2クロック分の幅の不感帯( 高感度帯) まで対応できるようになる。すなわち、実施例5は、不感帯(高感度帯も同じ)の改善量を調整するもので、効き方を緩くしたものであり、実施例1の効き方を1とした場合、本実施例5は、0.5倍に弱くなる。このように、効き方は、補正パルスの数と幅で決定される。
【0035】
図8は、本発明による位相比較器の出力特性図である。同図において、(a)不感帯例の場合に、本発明によれば、従来技術において位相差0付近で生じていた出力特性の傾斜が平らな部分(不感帯)でも感度が得られる。また、(b)高感度帯例の場合に、本発明によれば、従来技術において位相差0付近で生じていた出力特性の傾斜が立つ部分(高感度帯)において、急激な感度を緩やかに改善できる。
【0036】
以上の実施例を含む実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【0037】
(付記1) 電圧制御発振器の出力信号の一部を可変分周器を経由して位相比較器の一方の入力に接続し、入力信号を固定分周器を介して前記位相比較器のもう一方の入力に接続し、前記位相比較器の出力をローパスフィルタを介して前記電圧制御発振器の入力に接続することによりループを形成し、前記可変分周器を変化させて位相差に比例したパルス幅を発生させて位相情報を検知し、前記ローパスフィルタによりパルスを含む誤差信号を平滑化し、前記電圧制御発振器へ入力することを特徴とする位相同期発振器。
(付記2) 電圧制御発振器の出力信号の一部を固定分周器を経由して位相比較器の一方の入力に接続し、入力信号を可変分周器を介して前記位相比較器のもう一方の入力に接続し、前記位相比較器の出力をローパスフィルタを介して前記電圧制御発振器の入力に接続することによりループを形成し、前記可変分周器を変化させて位相差に比例したパルス幅を発生させて位相情報を検知し、前記ローパスフィルタによりパルスを含む誤差信号を平滑化し、前記電圧制御発振器へ入力することを特徴とする位相同期発振器。
(付記3) 付記1または付記2に記載の位相同期発振器において、前記可変分周器は、異なる分周数の組合わせにより形成された複数の繰り返し分周パターンを有することを特徴とする位相同期発振器。
(付記4) 付記3に記載の位相同期発振器において、前記繰り返し分周パターンは、同期位相に対して、0,−1,0,+1・・・・と同期位相の前後1クロックの位相情報を得る構成で、10分周の分周器の設定は9−11−11−9カウントを繰り返していくものであることを特徴とする位相同期発振器。
【0038】
(付記5) 付記3に記載の位相同期発振器において、前記繰り返し分周パターンは、同期位相に対して、−1,+1・・・と同期位相の前後1クロックのみ位相情報を得る構成で、10分周の分周器の設定は8−12カウントを繰り返していくものであることを特徴とする位相同期発振器。
【0039】
(付記6) 付記3に記載の位相同期発振器において、前記繰り返し分周パターンは、同期位相に対して、0,−2,0, +2・・・と同期位相の前後2クロックのみ位相情報を得る構成で、10分周の分周器の設定は8−12−12−8カウントを繰り返していくものであることを特徴とする位相同期発振器。
【0040】
(付記7) 付記3に記載の位相同期発振器において、前記繰り返し分周パターンは、同期位相に対して、−2,+2,−2,+2・・・と同期位相の前後2クロックのみ位相情報を得る構成で、10分周の分周器の設定は6−14−14−6カウントを繰り返していくものであることを特徴とする位相同期発振器。
【0041】
(付記8) 付記3に記載の位相同期発振器において、前記繰り返し分周パターンは、同期位相に対して、0,−1,0,+1,0,0,0,0・・・と同期位相の前後1クロックのみ位相情報を得る構成で、10分周の分周器の設定は9−11−9−11−10−10−10−10カウントを繰り返していくものであることを特徴とする位相同期発振器。
【0042】
(付記9) 付記1または付記2に記載の位相同期発振器において、前記可変分周器は、プログラマブル・ロジック・アレイで構成されることを特徴とする位相同期発振器。
【産業上の利用可能性】
【0043】
本発明は、入力信号に対して安定して同期することができる位相同期発振器が得られるので、特に、低雑音で安定した出力が要求される無線装置内のクロックや局部発信器などに利用でき、その高性能化に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【0044】
【図1】本発明の一実施形態における位相同期発振器の構成図である。
【図2】本発明に適用される可変分周器の構成例およびプログラムのフロー図である。
【図3】本発明の一実施形態における位相同期状態のタイムチャート(実施例1)である。
【図4】本発明の一実施形態における位相同期状態のタイムチャート(実施例2)である。
【図5】本発明の一実施形態における位相同期状態のタイムチャート(実施例3)である。
【図6】本発明の一実施形態における位相同期状態のタイムチャート(実施例4)である。
【図7】本発明の一実施形態における位相同期状態のタイムチャート(実施例5)である。
【図8】本発明による位相比較器の出力特性図である。
【図9】従来技術による位相同期発振器の構成図である。
【図10】位相比較器の出力に用いるチャージポンプ回路図である。
【図11】従来技術による入力信号の位相差と出力パルスの関係を示すタイムチャートである。
【図12】従来技術による高感度帯の発生を示すタイムチャートである。
【図13】従来技術による位相比較器の出力特性図である。
【図14】従来技術による位相比較器の10分周同期状態のタイムチャ−トである。
【図15】従来技術による感度の不安定領域対策を示す構成図である。
【符号の説明】
【0045】
1 1/N分周器
2 位相比較器(PD)
3 ローパスフィルタ(LPF)
4 電圧制御発振器(VCO)
5 可変分周器
【出願人】 【識別番号】000005223
【氏名又は名称】富士通株式会社
【出願日】 平成18年7月20日(2006.7.20)
【代理人】 【識別番号】100108187
【弁理士】
【氏名又は名称】横山 淳一


【公開番号】 特開2008−28683(P2008−28683A)
【公開日】 平成20年2月7日(2008.2.7)
【出願番号】 特願2006−198767(P2006−198767)