(57)【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。【解決手段】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。【選択図】図１
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【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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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