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個別部品で組み立てて動作原理から設計法までを理解する
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PLL
PLL 周波数シンセサイザの設計法徹底解説
周波数シンセサイザの設計法徹底解説

第第33回
回 基準信号源の設計と製作その基準信号源の設計と製作その 1
1
小宮浩
小宮
小宮 浩
浩

HiroshiComiyaHiroshiComiyaHiroshi
HiroshiComiya
ComiyaHiroshi
HiroshiComiyaComiyaPLL 周波数シンセサイザを動作させるのに必要な発振器は二つあります．基準信号源の発振器とループ● カットオフ周波数より低いオフセット周波数での位相雑音は基準信号の N 倍
前回（第 2 回，2006 年 4 月号）の図 2 − 8 で解説したよ内に含まれる電圧制御発振器です．
まずは基準信号源の発振器の製作を目指し，基準信号源に要求される特性と，基準信号源に使われる発振

うに，PLL のカットオフ周波数より低いオフセット周波数での出力位相雑音は，基準信号源である水晶発器を紹介します．
設計と製作を進める基準信号源として，周波数の調振器の位相雑音を N 倍した値になります．したがって基準信号源に使う水晶発振器の位相雑音は重要です．

整が可能な水晶発振器である VCXO を選びました．
発振器を設計する前段階として，水晶振動子の特性● 出力周波数の安定度も基準信号で決まると，水晶振動子を使って共振周波数の調整を可能にす

PLL 周波数シンセサイザ出力の周波数安定度は，基準信号源の安定度で決まります．
周波数安定度が動作温度範囲において± 2 ppm のる方法を解説します．

基準信号源に要求される特性基準信号を使うと，PLL 周波数シンセサイザの出力でも± 2 ppm の安定度となります．ppm とは parts

図 3 − 1 に，基準信号源に水晶発振器を用いた PLL

per million の略で，10 − 6 を示す単位です．

周波数シンセサイザの基本回路を示します．
ここで，分周数 N を 20，基準信号 fR となる水晶発例えば，図 3 − 1 で，基準信号源の 10 MHz 水晶発振器に周波数温度特性が動作温度範囲− 10 〜 60 ℃振器の発振周波数を 10 MHz とします．PLL が形成されると fR ＝ fD が成立し，PLL 出力 fout には，基準信号で± 2 ppm のものを使ったとします．
10 MHz の± 2 ppm ですから，基準信号源の温度特の 20 倍の周波数である 200 MHz が出力されます．

性は± 20 Hz となります．
分周数 N ＝ 20 で出力周波数が 200 MHz とする

VT

1 電圧制御発振器（VCO）

200MHz±2ppm→±400Hz
出力信号

fout
4 水晶発振器（基準信号源）10MHz±2ppm→±20Hz

3 ループ・フィルタfR

2 位相比較器
（PC）

fD±20Hz×205 分周器（1/N ）

N ＝20PLLが基準信号fR をN 倍した周波数を作り出すが，位相雑音や安定度である周波数変動も N 倍される

図 3 − 1 基準信号源に水晶発振器を用いた PLL 周波数シンセサイザ

Keywords
VCXO，TCXO，OCXO，周波数安定度，温度特性，エージング特性，ウォームアップ特性，リトレイス特性，水晶振動子

2006 年 5 月号

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と，± 20 Hz の温度特性も 20 倍されるので，出力周
波数 200 MHz での温度特性は± 400 Hz となります．

す．しかし，さらに絶対精度を高くするために，周波数の微調整が必要になる場合があります．

比で表せば，400 Hz/200 MHz ＝ 2 × 10 − 6，すなわ
ち± 2 ppm の温度特性になります．

昔は，周波数の制御にトリマ・コンデンサを用いたメカニカル・チューニングが普通でしたが，今はPLL への利用も含め，電子チューニングが求められ● 基準信号源として重要なのは安定度と位相雑音るので，外部電圧により制御できるものが一般的です．

基準信号源の特性が PLL 周波数シンセサイザの出力に現れるのが上記二つの特性です．
逆に言えば，周波数安定度と位相雑音，この二つの● 温度特性が重要ならば TCXO を採用する
温度変化による周波数の変動を補償する回路を搭載

特性が，基準信号源に要求される特性です．

した水晶発振器です．

基準信号源に使える水晶発振器■ どのような水晶発振器が使えるか

温度センサから作った補償電圧を VCXO の制御端子に加えて，周波数の温度変化を小さくしています．
周波数温度特性に対する要求が厳しく，動作温度範囲において± 1 ppm 〜± 10 ppm 程度が必要な場合は，VCXO に替えて，TCXO を選択します．

高周波の PLL 周波数シンセサイザを設計するときに，基準信号源として用いられる水晶発振器は，以下● さらに良好な温度特性が必要ならば OCXOの三つが代表的です．
① VCXO（Voltage Controlled Crystal Oscillator）

TCXO と同様に，温度に対する安定度を高めた水晶発振器です．

② TCXO（Temperature Compensated CrystalOscillator）③ OCXO（Oven Controlled Crystal Oscillator）

この方式は，水晶振動子を含めた発振回路全体を，オーブンと呼ばれるヒータ付きの恒温槽の中に封じ込め ， 内 部 の 温 度 が 一 定 に な る よ う に 制 御（ O v e n● それほど性能が要求されない用途には VCXOContorolled）することによって，周波数の温度特性を安定化させています．

水晶振動子に可変容量ダイオードを追加して，外部電圧により発振周波数を制御できるようにしたもので

PLL 周波数シンセサイザ出力の周波数温度特性に，動作温度範囲において± 1 ppm 以下が必要であれば，す．可変容量ダイオードは，バラクタ・ダイオードまTCXO に替えて，OCXO を選択します．

たはバリキャップとも呼ばれます．
VCXO は基準信号源に使われる水晶発振器としてs 高安定なほど大形で高価，消費電力も大きい

もっとも一般的です．周波数温度特性をあまり重要視しない，具体的には動作温度範囲において± 100

高安定な OCXO ほど，恒温槽の作りが大規模で高額になり，消費電流も多くなります．

ppm 以下であればよい PLL 周波数シンセサイザに用いられます．
s なぜ電圧制御による周波数可変が必要なのか？
水晶発振器は，それ自体周波数精度の高い発振器で

写真 3 − 1 に，OCXO と TCXO の外観を示します．

また，水晶そのものも，一般的に使われる AT カットと呼ばれるタイプから，より温度安定度の高い SCカットになり，これも値段の上がる一因です．
むやみに安定度の高い製品を選択するのは得策ではなく，PLL 周波数シンセサイザとして必要とされる安定度を把握して，選択することが求められます．

OCXO● 実際の OCXO の特性最高水準にある高性能 OCXO がどの程度の特性にあるかを調べてみましょう．基準信号で重要な特性は，周波数安定度と位相雑音でした．
ここでは周波数温度特性と SSB 位相雑音をとりあTCXO

げます．
s 高安定度の OCXO
図 3 − 2 に，SC カット水晶を用いた 10 MHz 高安定
OCXO の周波数温度特性をデータ・シートから引用しました．− 30 〜＋ 70 ℃間で，± 5 × 10 − 10 の安定

写真 3 − 1 OCXO や TCXO の外観

262度を維持しています．

2006 年 5 月号