PLL  位相比較器 (Phase Frequency Comparator) の 動作

PDetNote

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あらまし  ２つの信号間の位相差に応じた電圧を出力する 位相比較器 は、現在では 位相周波数比較器 (Phase Frequency Comparator) と 呼ばれている回路方式の デジタル型比較器が多く用いられている。
この方式の 位相比較器 は、１サイクル以内の比較は 位相比較 を行い 誤差と比例した制御電圧を発生し、さらに １サイクル以上 の誤差は 周波数比較器 として 動作してくれる優れものである。

そして 今では PLL 専用チップ の中に収められるようになり その 動作波形 を そして その 動作原理 を確認するのが難しくなっている。
そこで この Phase Frequency Comparator を ロジックIC の フリップフロップ で組んだ 一例 回路を用いて その動作を説明する。

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■　1.  Phase Frequency Comparator の動作原理

図-1.  位相周波数比較器 (Phase Frequency Comparator) の一例

図-1 には ２つの フリップフロップ と ナンド回路 で組んだ Phase Frequency Comparator の 一例 を示す。

ここで、この回路の IN_A , IN_B 入力端子に位相差のある信号を加えると、出力 OUT_C , OUT_D には IN_A , IN_B の位相差に応じた デューティ 比の パルスが出力される。

図-2.  位相周波数比較器 (Phase Frequency Comparator) の動作波形

例えば 図-2 は 入力信号 IN_A に対し IN_B への信号の 位相が 遅れ ている場合の動作波形を示したものである。

IN_A の 立下りエッジ で OUT_C は ハイ となり、次に IN_B の 立下り エッジ で OUT_D は 一瞬 ハイ となり、その時点で ナンド出力が ロー になり フリップフロップ が クリア され て OUT_C は ロー となり 入力信号の位相差に応じた デューティ比の パルスが出力されることになる。

そして、この出力を フィルタ で平均化することによって 図-3 のように 入力位相差に応じた DC 電圧が得られる。

図-3.  位相差に応じた DC 電圧

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■　2.    動作タイムチャート

次に、入力信号 IN_A に対し IN_B への信号の 位相が 進ん でいる場合や IN_A , IN_B の周波数が異なる場合について その 動作を把握、確認するために 図-1 の回路を シミュレーション して それぞれの波形の タイムチャート を以下に記した。

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図-4.

入力信号 IN_A に対し IN_B の信号の 位相が 遅れ ている場合  →  

入力信号 IN_A に対し IN_B の信号の 位相が 遅れ ている(デューティ比が異なる)場合  →  

入力信号 IN_A に対し IN_B の信号の 位相が 進ん でいる場合  →  

入力信号 IN_A に対し IN_B の信号の 周波数が 高い（2倍) 場合  →  

入力信号 IN_A に対し IN_B の信号の 周波数が ^*1低い（1/2倍) 場合  →  

入力信号 IN_A に対し IN_B の信号の 周波数が 高い（4倍) 場合  →  

入力信号 IN_A に対し IN_B の信号の 周波数が ^*1低い（1/4倍) 場合  →  

入力信号 IN_A に対し IN_B の信号パルスの 位相が 遅れ（190nS) ている場合  →  

入力信号 IN_A と IN_B の信号パルスが 同位相 の場合  →  

                                                                          ^*1周波数だけでなく 位相もずらしている（180°ほど）。


このように、Phase Frequency Comparator は 位相差 だけでなく 周波数 の違いも検出 でき、VCO の発振可能な範囲であれば 必ず 同期 をとる ことができる。
また、入力信号の 立下り で位相差を検出しているので、入力信号の デューティ比 の影響を受けない という 優れた 特徴も備えている。