IEEE802.11a/gのWLANなどの高速無線通信方式� �、限られた周波数帯域内で、効率的に大容� �の信号伝送を行うために、16QAM、64QAMなどの� ��度変調を導入している。これら無線用のチ� ��プでは、デジタル信号処理部の消費電力が� ��きいために、比較的低速なIEEE802.11bを除き� �携帯電話などの端末への内蔵がすすんでい� �い。近年、このような信号処理を低消費電� �で行うことを目的として、微細CMOSデバイス� ��ベースバンドへの適用が進められている。� ��れに伴いベースバンドの電源電圧は低くな� ��ている。今後は、低コスト化のために、デ� ��タル部とRF部を一体化した、いわゆるシス� �ムオンチップ(SoC)化が加速される傾向にある 。この場合、微細デバイスでRF部も作る必要� ��あるために、RF回路も低電圧動作が必要に� �ってくる。しかしながら、関連するアナロ� �方式をベースとしたRF回路では、微細化によ る素子特性変動を考えると、これ以上の低電 圧化は困難である。低電圧化により、大きな 影響を受けるRFブロックのひとつに、PLLがあ� ��。図5は、関連するアナログ方式のPLLの例で ある。図5において、1は位相比較器、2はチャ ージポンプ、3'はループフィルタ、4は電圧制 御発振器(VCO: Voltage Controlled Oscillator)、5は� �周器である。

 この回路の動作を以下に説明する。位相� ��較器1は、基準信号FREFとVCOの分周信号CKVを� �較した結果に基づいて、出力信号S1、S2を発� ��する。信号S1は基準信号FREFのCKV信号に対す� ��位相の進み量を示す信号である。信号S2はCK V信号の基準信号FREFに対する位相の進み量を� ��す信号である。これらの信号S1、S2はチャー ジポンプ2に入力される。このチャージポン� �2の出力信号S3は、ループフィルタ3'に入力し てそこで高周波成分が除去された後、VCO4の� �御電圧S4として入力する。

 このPLL回路では、基準信号FREFとCKVの周波 数と位相が一致するように動作したときロッ クして、電圧制御発振器4から得られる周波� �(fVCO)が基準信号FREFの分周数倍となる。

 VCOの周波数は、例えばインダクタと、MOS� ��ラクタ容量の共振周波数を利用するタイプ� ��場合、MOSバラクタの制御電圧を変化させる� ��とで行う。しかし、制御直流電位の変化に� ��する、周波数の変化量である変調感度を大� ��くすると、電源雑音や、誘導雑音の影響に� ��り、VCOの周波数が変動するという問題があ� ��。これを解決するために、変調感度を低く� ��定しつつ、複数の共振回路を切り替える方� ��なども提案されている。一方で、容量の制� ��範囲は、バラクタの線形領域に限られる。� ��のため、電源電圧が低下すると、結果的にV COの変調感度を大きくせざるを得ず、チップ� ��外部及び内部の雑音などにより局部発振器� ��周波数が変動する問題があった。

 この問題を回避する一手段として、デジ� ��ル的にVCOを制御する回路が発表されている( 例えば、特許文献1、非特許文献1参照)。この 関連技術では、VCOのバラクタの制御は、直流 電位を印加させるのではなく、時間的にオン ・オフを繰り返し、その時間比率を変化させ ることで行う方式である。時間比率は、一定 の周期で行わせると、大きなスプリアスが発 生するので、上述した特許及び文献では、シ グマデルタ(σδ変調)変調器を用いることで、 信号をランダム化している。

 このPLLがどのように、デジタル制御発振� ��(VCO)の周波数を検出し、制御しているかを� �図6を用いて説明する。基準水晶発振器から� ��出力である基準信号FREFの位相は、位相検出 器51において、当該信号の立ち上がりごとに� ��ラッチ102で周波数制御語FCWを累積すること� ��よって得ている(この周波数制御語は、基準 信号に対するVCO 105の出力信号CKVの周波数比� ��すなわち逓倍数に相当する)。発振器の出力 信号CKVの位相は、位相検出器52において、そ� ��立ち上がりエッジのクロック遷移の数をラ� ��チ118でカウントすることによって得、さら� ��この出力を、ラッチ119にて基準信号で累積� ��ることにより得ている。

 各々の位相検出器で算出される位相の関� ��は、図7A~図7Dを用いて具体的に説明する。� �7Aは、VCOの出力信号CKVの位相を検出する回路 で、図6における位相検出器52と同一の構成で ある。この図では4ビットの加算器及びラッ� �回路を用いている。VCOの出力は、図7Bに示し たように、CKV信号の立ち上がりエッジごとに 、加算器の数値が累積されていき、基準信号 の立ち上がりエッジごとに、その値がラッチ される。この例では、加算器の初期値が0でCK Vのカウントがスタートしており、CKV信号と� �準信号FREFの周波数比が10の場合を想定して� �る。一方で、加算器は4ビット構成なので、� ��ーバフローとなる16以上の数値は0からとし� ��カウントされる。従って、FREFのタイミング でのラッチ出力は、0、10、4、14、8となる。

 一方、基準信号の位相は、図7Cの回路で� �うが、これも図6における位相検出器51と同� �の構成で、ここでは4ビット構成の回路とな� ��ている。上述したように、目標逓倍数を示� ��周波数制御語(FCW)は、10が入力され、基準周 波数FREFの立ち上がりごとに、位相信号は10イ ンクリメントされる。図7Dは、この動作を説� ��する図であり、加算器の初期値は3である場 合を示している。初期値が3で、毎回10インク リメントされるので、FREFごとの回路の出力� �、3、13、7、1、11となる。この図の例では、V COの周波数は、目標と一致しているが、位相� ��VCOの3パルス分だけシフトしている。

 検出したVCO及び基準信号FREFの位相差信号 の検出手段を、再び図6に戻り説明を行うこ� �にする。これら信号の位相誤差は、位相検� �器51、52および加減算器122を備えた位相比較� ��81において行われる。すなわち、上述した2� ��のデジタル数値を加減算器122において単純� ��算術減算することによって位相誤差を得て� ��る。得られた位相誤差信号は、デジタルル� ��プフィルタ103によって、高速成分が取り除� ��れた後に、発振器への利得調整などの処理� ��行うインターフェイス回路107を介して、発� ��器に帰還されている。

 しかしながら、上述した、CKV信号の立ち� ��がりエッジごとの遷移数の累積による位相� ��出方法だけでは、VCOの発振周期以下の分解� ��は実現できない。そのため、上記文献の例� ��は、小位相比較器82を設け、時間デジタル� �換器(TDC)83を用いて微小位相誤差を検出して� ��る。

 時間デジタル変換器(TDC)では、図8および図9 に示すように、CKV信号の検出された「1」か� �「0」への遷移の位置は、FREF110のサンプリン グするエッジとCKV信号の立ち上がりエッジ302 の間の遅れ時間δtrで示され、CKV信号の検出� �れた「0」から「1」への遷移の位置は、FREF11 0のサンプリングするエッジとCKV信号114の立� �下がりエッジ400の間の遅れ時間δtfで示され� ��いる。遅れ時間δtr、δtfは量子化され、回� �の時間分解能δtresの倍数で示されている。
 ここで、小さな位相誤差φFは、δtf>δtrで� ��る場合には、-δtr/2(δtf-δtr)で与えられ、δtr >δtfである場合には、1-δtr/2(δtr-δtf)で与え られる。

 図10は、図6に示される、CKV信号周期以下� ��位相誤差を検出するための時間デジタル変� ��器83の回路例である。この時間デジタル変� �器500は、複数のインバータによる遅延要素50 2とラッチ/レジスタ504から構成されている。C KV信号114は、複数のインバータで順次遅延さ� ��、遅延されたベクトルはそれぞれ基準水晶� ��振器FREF110からの基準クロックの立ち上がり エッジでラッチ/レジスタ504にラッチされる� �インバータアレイの遅れの総計がCKV 114のク ロック周期を十分カバーする限り、位相誤差 をインバータの遅延時間の分解能δtresまでは 検出することが可能である。

 図11に、図10に示す回路の動作を説明する タイミングチャート600を示す。基準水晶発振 器FREF110の正への遷移602で、複数のラッチ/レ� ��スタ504がアクセスされ、基準発振器のFREF110 の立ち上がりエッジを基準とするCKV信号114の 遅れを示す複数の値の瞬時値604を得る。この 瞬時値604は、時間差をデジタル値で示すもの と見ることができる。

 このデジタル値は、加減算器123により位相� ��出器51の出力と加減算される。加減算器123� �より算出された微小位相誤差信号は、デジ� �ルループフィルタ104によって高速成分が除� �れ、σδ変調器108により変調された後に、VCO1 05の周波数を高精度に制御している。

特開2002-76886号公報 Journal of Solid-State Circuit, Vol39, No.12, 20 04, pp.2278-2291