連 載
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12第12 回回 位相比較器の動作範囲を広げる
位相比較器の動作範囲を広げる
シンプルな構成で周波数も比較する
シンプルな構成で周波数も比較する
シンプルな構成で周波数も比較する
シンプルな構成で周波数も比較する

小宮浩
小宮
小宮 浩
浩

HiroshiComiyaHiroshiComiyaHiroshi
HiroshiComiya
ComiyaHiroshi
HiroshiComiyaComiya

図 12 − 1 に，この連載で設計/製作している PLL 周
波数シンセサイザの基本構成を示します．前回（第 11回，2007 年 1 月号）からは③番に示す位相比較器の解説を行っています．
前回は，位相の比較という概念を理解するために，必須でした．位相周波数比較器を使えば，付属回路がなくとも，確実に PLL をロックに導いてくれます．

どうやって位相差と周波数差の両方を検出するか今では古典的となってしまった乗算型の位相比較器について解説しました．乗算型位相比較器は動作範囲が

図 12 − 2 に標準ロジック IC を用いて作った位相周波数比較器の例を示します．標準ロジック IC を使っ狭く，周波数が異なると正常動作できません．
Z現在広く使われている位相比較器を解説て組み立てることで，動作を実際に見ることができ，理解の助けになります．

今回は，現在の PLL IC に多用されている位相周波

この例では二つの J − K フリップフロップと NAND 回（Phase Frequency Comparator），もしく数比較器 PFC
は位相周波数検波器 PFD（Phase Frequency Detector）

路を組み合わせています．基本的な動作を B 2 SpiceA/D 2000 でシミュレーションして調べてみましょう．と呼ばれるディジタル型比較器を取り上げます．
Z位相比較だけでなく周波数比較の機能をもつ● 位相差のある信号を加えてみると…

位相周波数比較器は，比較する二つの波形のずれがフリップフロップには，立ち下がりエッジで動作す

1 サイクル以内ならば通常の位相比較を行い，位相差と比例した出力電圧を発生します．

るものを使用した場合で考えましょう．
二つの入力 IN̲A と IN̲B に位相差のある二つの信1 サイクル以上ずれている場合，周波数比較器として働き，周波数の差をなくす方向に電圧を出力します．

号を加えると，二つの出力 OUT̲U と OUT̲D に入力信号の位相差に応じたパルス幅の出力が生じます．

Z PLL 回路を大幅にシンプル化できる

以下では，基準信号が IN̲A に入力されているとし前回解説した乗算型位相比較器の場合，VCO の周波数をプリチューニングして，位相比較器が動作する範囲に誘導する必要があり，そのための複雑な回路が180M〜360MHz

VT②電圧制御発振器（VCO）て，IN̲A を基準に考えてみます．
Z位相が遅れているときの動作
図 12 − 3（a）に，IN̲A への入力信号に対して IN̲B

解説済み
出力信号

fout ＝N fR⑥ループ・フィルタ（LPF）①入力基準信号
水晶発振器④基準信号 fR
分周器（1/R ）
10MHz

解説済み

ここを解説中③位相比較器 fD（PC）⑤プログラマブル
分周器（1/N ）図 12 − 1 PLL 周波数シンセサイザの基本構成
前回に引き続き位相比較器について解説していく

Keywords
位相周波数比較器，フリップフロップ，NAND，J − K フリップフロップ，D フリップフロップ，74AC74，74AC00，OP27，OP07248

2007 年 2 月号

VCC

への入力信号が遅れている場合の動作波形を示します．
IN̲A の立ち下がりで OUT̲U は H となります．

4
PR
35J
Q
1CK
26QK
CLR
15

次に IN̲B の立ち下がりで OUT̲D は H となり，その時点で NAND 出力が L になります．このNAND のL出力でフリップフロップがクリアされ，二つの出力はどちらも L になります．OUT̲D がH になるのは一瞬だけです．
入力信号の位相差に応じたパルス幅 tP のが OUT̲U から出力されます．

H

出力

I N̲A

基準信号
入力
信号入力

この OUT̲U の出力をフィルタで平均化すると，図一瞬のパルス出力しか得られない OUT̲D 出力を平均化しても，電圧はほとんどゼロのままです．

I N̲B

注

OUT̲U

13210PR119Q
J13CK127Q
K
CLR14OUT̲D
位相進みでパルス出力▼（ b）に示すように，入力位相差に応じた直流電
12 − 3圧が U 出力に得られます．

位相遅れのときパルスが出力される

立ち下がりエッジで動くフリップフロップを使用

図 12 − 2 位相と周波数の両方を比較できる回路の例

Z位相が進んでいるときの動作

クリア端子（CLR￣￣￣）付きフリップフロップが使われている

図 12 − 4 に，IN̲A への入力信号に対して IN̲B への入力信号が進んでいる場合の動作を示します．

IN̲B の周波数 fB が IN̲A の周波数 fA より高くなる

位相が遅れているときと同様に，入力位相差に応じた電圧が得られます．ただし，パルスが出るのはと（この例では 4 倍），位相周波数比較器の動作波形は
図 12 − 5（a）に示す波形になります．

OUT̲U ではなく OUT̲D なので，出力電圧が得られるのは D 出力になります．

この出力をフィルタで平均化すると，図 12 − 5（b）に示すように，D 出力には f B − f A の周波数差に応じた電圧を得られることになります．

● 周波数に差がある信号を加えてみると…
次に，IN̲A と IN̲B に周波数差のある信号を加えつまり，図 12 − 2 の回路は，周波数比較器としても動作することが理解できます．
Z周波数が低い場合の動作
逆に f A ＞ f B の場合を，図 12 − 6 に示します．今度た場合の動作を考えます．
Z周波数が高い場合の動作
T

位相遅れ

T

位相進み

I N̲A

I N̲A
①I N̲B②I N̲BtP①②OUT̲U

OUT̲U③③OUT̲DtP（a）入出力波形（a）入出力波形

U出力は比例

D出力は比例

平均電圧［V］

平均電圧［V］

OUT̲D

D出力はほぼゼロ

U出力はほぼゼロ

tP ＝T
位相差［ °］

tP ＝T

360

位相差［ °］

360（b）（a）のように動作するとＵ出力の平均電圧が位相差に比例する（b）（a）のように動作するとD出力の平均電圧が位相差に比例する

図 12 − 3 入力信号に位相差があるときの位相周波数比較器の動作①

図 12 − 4
作②

IN̲B の信号が IN̲A の信号より位相が遅れているときは OUT̲U の平均IN̲B の信号が IN̲A の信号より位相が進んでいるとき OUT̲D の平均電電圧が位相差に比例する圧が位相差に比例する

2007 年 2 月号

入力信号に位相差があるときの位相周波数比較器の動249