TV チューナ用完全ディ

ECT‐11‐090
TV チューナ用完全ディジタル PLL 回路 – 広帯域化の検討
村上 健* 湯本 哲也 長谷川 賀則 三田 大介(群馬大学) 壇 徹 内藤 智洋 高橋 伸夫 坂田 浩司 北村 真一((株)三洋半導体)
小林 春夫 高井 伸和 新津 葵一(群馬大学)
Wideband Techniques of ADPLL for TV Tuner Application
Ken Murakami*, Tetsuya Yumoto, Yoshinori Hasegawa, Daisuke Mita (Gunma University)
Toru Dan, Tomohiro Naito, Nobuo Takahashi, Koji Sakata, Shinichi Kitamura
(SANYO Semiconductor Co., Ltd)
Haruo Kobayashi, Nobukazu Takai, Kiichi Niitsu (Gunma University)
This paper present design and performance of wideband ADPLL chip sets for TV tuner applications. We propose
here to employ architecture of multiple DCOs and their selection as well as a programmable divider to wideband
variable output frequency. Their SPICE simulation and chip measurement results are described.
キーワード:完全ディジタル PLL 回路,広帯域,ディジタル制御発振回路,TV チューナ
(ADPLL, Wideband, DCO, TV Tuner,)
1. はじめに
近年の目覚ましい集積回路技術の発達により、無線通信
で行われるサービスが増加し、複数のアプリケーションを 1
つの端末で使用できるマルチバンド技術、より正確な情報
2. ADPLL
〈2・1〉 PLL 回路
基準信号
fr
出力信号
位相比較器
ループフィルタ
VCO
fv=N
fr
を沿う受信可能とする低雑音技術など、様々な高度化技術
の実現・更なる発展が期待されている。CMOS プロセスの
微細化加工技術の進歩により高周波動作帯域を可能にした
が、アナログ回路の低電源電圧動作、低雑音動作の要求を
N分周器
fv/N
fv
満たすのが困難な状況になりつつある。それに対してディ
図 1 一般的な PLL のブロック図
ジタル回路はプロセス微細化に伴い、高速動作化、低スイ
Fig.1. Block diagram of general PLL.
ッチング雑音化、低電源電圧動作化など、微細化に伴うア
ナログ回路のデメリットを補う利点が多くあるため、ディ
図 1 に一般的な(アナログまたはアナログ・デジタル混載)
ジタルリッチなアナログ回路技術が次世代無線通信技術と
PLL のブロック図を示す。位相比較器、チャージポンプ、
して注目されている。
ループフィルタ、電圧制御発振回路 (Voltage Controlled
本研究では PLL(Phase Locked Loop)を完全ディジタル
Oscillator : VCO)、分周器から構成される。位相比較器は基
化した、完全ディジタル PLL 回路(All Digital Phase
準信号と分周された出力信号の位相比較を行い、二つの信
Locked Loop : ADPLL)に着目した。ADPLL の構成につい
号の位相差を検出する。検出された位相差信号をループフ
ては明確化されつつあるが、GSM や Bluetooth などの今日
ィルタに通す事で信号が積分され、DC レベルの電圧信号へ
帯域無線への適用を想定した例が多く、広帯域無線への適
変換される。ループ回路には雑音成分の除去や、PLL 回路
用例はあまり見られない。そこで、本研究においては次世
全体の応答特性の決定などの重要な役割を持っている。ル
代無線技術のキーコンポーネントの一つとして期待される
ープフィルタによって得られる電圧信号により VCO の発
ADPLL に用いているディジタル発振器部分において、TV
振周波数が制御される。この際に基準信号と分周された出
チューナ用の広帯域動作化技術についての検討を行い、そ
力信号の位相差をゼロにすることでシステムが収束し、基
の一部についてのチップ試作と測定を行ったので報告す
準信号の逓倍(分周比倍)の出力信号を得る事ができる。
る。
PLL 回路の中で位相比較器、ループフィルタ、VCO はア
ナログ回路構成となる為、CMOS 微細化による低電源電圧
化の影響による電圧制御範囲の制限、ノイズや特性ばらつ
1/6
きの影響の増大、受動素子(R, C)で構成されるループフィル
PLL のループゲインαは、システム全体の動作特性を決
タの広いチップ面積による微細化への弊害など、微細化プ
定する重要な要素である。このループゲインを小さく設定
ロセスの進展だけでは解決できない様々な問題が生じる。
する事で高い収束精度を得る事が可能になるが、収束時間
〈2・2〉 ADPLL の基本構成と動作原理
が長くなるというトレードオフが発生してしまう。アナロ
図 2 に ADPLL のシステム回路ブロック図を示す。図 1
グ PLL においては、ループフィルタの回路素子によってル
で示した一般的な PLL に用いられていた位相比較器はカウ
ープゲインが決定し、収束時間の高速化と高精度化の両立
ンタ(COUNTER)と TDC(Time to Digital Converter)に、ル
は困難であった。しかし、ADPLL ではディジタルフィルタ
ープフィルタはディジタル演算回路を用いたディジタルフ
を用いており、ループゲインをプログラマブルに設定可能
ィルタに、VCO は DCO(Digitally Controlled Oscillator)
なため、段階的にループゲインを切り替える事で、精度と
にそれぞれ置き換わっている。ADPLL の制御の基本式は(1)
収束時間のトレードオフを改善することが可能である。最
式で表す事ができる。
初はループゲインを大きく取り低精度かつ高速で目標値付
近まで収束させ、次にループゲインを小さくさせていき、
徐々に精度を高めていく。このような動作を行う事で速い
収束時間と高精度を実現している。
図 2 ADPLL システム構成.
Fig. 2. ADPLL system block diagram.
Fout = F CW ∗ Fref
(1)
この式は周波数制御信号 FCW (Frequency Command
Word)により出力周波数 Fout を制御することを表している。
システムのクロックは基準信号 Fref とフィードバック信号
CKV によって生成された CKR を用いる。システム内の演
算は全て CKR によって駆動される。FCW を CKR のタイ
ミングで加算して得られたデータ Rr と、CKV をカウントし
て CKR でサンプリングしたデータ Rv を演算する事で大ま
かな位相差を検出する。より細かな位相差εは TDC で検出
する。TDC は 2 信号間の遅延差をディジタル的に検出する
図 3 φE の計算イメージ
Fig. 3. The concept calculating φE.
3. DCO について
〈3・1〉 VCO
発振回路は、インバータ等の反転論理回路を奇数個用い
て遅延により発振動作させるリング発振回路、LC の共振に
より単一周波数発振条件を満たして発振動作させる LC 共
振回路などが主に用いられている。リング発振回路に比べ
て LC 発振回路の方が位相雑音特性に優れているため、無線
通信回路では LC 発振回路が多く用いられている。基本的な
LC 共振型の VCO の構成を図 4 に示す。
ことが可能な回路である。180nm の CMOS を用いた場合
の TDC においては、80psec 程度の時間分解能を得る事が
できる。
以上より位相差φE は(2)式のように表す事ができる。
φE = Rr − Rv + ε
(2)
演算により求めたφ E はディジタルフィルタで処理され、
DCO の制御信号である OTW(Oscillator Tuning Word)に
変換され DCO の周波数を設定周波数に制御する。図 3 に
FCW が 4.25 の場合のφE の計算イメージについて示す。
〈2・3〉 ADPLL による収束精度と収束時間の改善
図 4 LC-VCO 回路の構成
Fig.4. LC-VCO circuit.
2/6
この VCO の発振周波数 fo は負荷のインダクタンス L と
キャパシタンス C、バラクタと呼ばれる可変容量のキャパ
ラクショナル制御用のバラクタを 2bit 用いている。
サブミクロン MOS バラクタを適用し、最小で数百 aF オ
シタンス Cv により
ーダーでの容量分解能を得る事が可能になる。small バラク
f0 =
タの最小容量分解能からさらに細かい精度を得る為に、バ
2π
�
1
L(C + CV )
(3)
ラクタの ON/OFF のタイミングを切り替える事により時間
と与えられる。VCO のバラクタは入力の電圧レベルに応じ
平均での実効的な容量値の制御(フラクショナル制御)を行
て連続的な容量可変動作を行うため、微細化によるモデル
う方法をとっているが、更にここではバラクタ容量の切り
のばらつきやノイズに弱いという欠点がある。
替え時に発生するスプリアス成分を軽減する方法として、
ΔΣ変調を用いた制御方法を使用している。
〈3・2〉 DCO
4. TV チューナ用に向けた広帯域化技術
容量値
VCOバラクタ
Vc
コントロール電圧Vc
Δ2C
Δ4C
Δ8C
1bit
1bit
1bit
1bit
回路構成の適用について検討を行った。図 6 に分周回路構
容量値
ΔC
DCOバラクタ
成を含む ADPLL 回路構成と出力周波数帯域を示す。
FCW
入力データ
入力データ
〈4・1〉 分周器を用いた広帯域化
TV チューナ用 ADPLL の広帯域化技術の一つとして分周 Fref
fv
狭帯域
ADPLL
MUX
図 5 VCO と DCO のバラクタ制御方法
Fout
fv/2
1/2div
Fig.5. Control methods of VCO and DCO.
fv/4
Sel_DIV
1/4div
DCO はディジタル入力により発振周波数の制御を行う。
基本的には VCO とほぼ同様の構成であるが、バラクタの制
fv/4
fv/2
fv
御方法が異なる。図 5 に LC-VCO と LC-DCO の各バラクタ
FCW
の制御方法を示す。入力の電圧レベルに応じて連続的な容
量可変動作を行う VCO のバラクタと異なり、DCO は容量
周波数
値の小さなバラクタのアレイ構成を用いて各バラクタを
出力周波数可変範囲
ON/OFF の 2 値で変化させることでディジタル的な制御を
可能にする。DCO のバラクタの容量分解能は ADPLL 出力
図 7 可変分周回路を用いた広帯域化構成
の位相雑音特性に大きく影響する為、微小な容量変化が要
Fig.7. Wideband architecture with programmable divider
求されるが、分解能を細かくすると周波数可変範囲が狭く
なるというトレードオフが発生する。そのトレードオフを
図 7 に示すように ADPLL の出力信号 fv を、複数の異なる
解消するために、ここでは容量分解能の異なる三種類のバ
分周比を持つ分周回路を通す事でそれぞれ分周し、外部か
ラクタを用いている。
ら Sel_DIV 信号を与える事でマルチプレクサを操作し、目
的の周波数を選択できる構成を取る事で、より広帯域な
ADPLL の出力周波数を取る事ができる。ただし、分周回路
Large31
(5bit)
L
L
Middle63
Small127
Small_f3
(6bit)
(7bit)
(2bit)
構成を用いて連続した周波数可変帯域幅を得るには、70%
(fvmax≧2fvmin)以上の周波数可変率を持った DCO が必要と
なる。
C
C
〈4・2〉 DCO 回路の広帯域化
最小容量分解能
100fF
6.25fF
250aF
250aF
可変分周回路構成による ADPLL の広帯域化手法を用い
図 6 DCO に用いているバラクタの種類
Fig.6. Classification of DCO varactors.
るには広帯域動作可能な DCO が必要となる。しかし、DCO
はバラクタのアレイ構成をのぞくとほぼアナログ PLL 回路
で使用される VCO と同様の構成になっている。その為、
VCO と同様に DCO の発振周波数可変帯域はバラクタの可
図 6 に、DCO に用いているバラクタの種類について示す。
変容量範囲や回路内部の寄生容量により制限されてしま
粗い精度で大きく周波数可変を行う Large バラクタを 5bit、
う。単体の DCO では目標とする発振周波数帯域の実現が困
中程度の精度と周波数可変を行う middle バラクタを 6bit,
難であることから、図 8 に示すように異なる周波数可変範
高精度の周波数可変を行う small バラクタを 7bit、更にフ
囲を持つ複数の DCO 回路を用いて、使用する周波数帯域に
3/6
応じて切り替える構成を取る事で、目標とする可変帯域の
DCO
実現を検討した。
fv
OTW
fv
1/Ndiv
MUX
DCO_High
各モードのOTWデータ
OTWLarge
DCO_middle
MUX
OTWMiddle
fv
選択された
DCO出力
fv
ADPLL
= Ndiv
1/2div
fv/4
CKV
1/4div
DCO_low
OTWSmall
Fout
fv/2
fv
Sel_DIV
図 10 逓倍発振構成 ADPLL
演算回路
Fig .10.
Sel_DCO
OTWlarge
Architecture of frequency multiplying oscillation
ADPLL.
図 8 複数 DCO 切り替え構成.
Fig .8. Multiple-DCO switching architecture.
Ndiv 倍発振させた DCO の出力を fv’とし、Ndiv 分周させて
ADPLL の出力周波数 fv を生成する構成である。 図 8 は今回実際に用いた、3 つの DCO の切り替え構成を示
DCO のアナログ雑音により生じる位相雑音 NDCOa は Ndiv
している。所望周波数帯域のうち、低い周波数帯を
分周を行う事で(1/div)2 倍に低減する事が可能になり、Ndiv
DCO_low、中間の周波数帯を DCO_midddle、高い周波数
分周後のアナログ雑音により生じる雑音を NDCOadiv とする
帯を DCO_high がそれぞれ担当している。Sel_DCO 信号は
と次式で表せる。 各 DCO 出力の中から一つを選択する為の制御信号であり、
OTW 信号の演算から得られる。演算回路の原理を図 9 に示
NDCOadiv = (
1 2
) NDCOa
Ndiv
(4)
DCO の量子化雑音について、バラクタ制御ビット 1LSB の
す。
変化に対する DCO の出力周波数の変化 fvres,DCO、フラクシ
DCO出力の
切り替え
DCO_high
MAX
OTWLarge
・
・
・
DCO_middle
分周により 1/Ndiv 倍され、DCO 回路の出力周波数は Ndiv
DCO_middle
周波数可変範囲
倍で出力されている事を考慮する必要がある。DCO の発振
周波数は前述の式と同様、DCO に使用するインダクタンス
DCO_low
MIN
ョナル構成を用いたときの周波数分解能 fvres,dith,DCO は Ndiv
出力周波数
DCO_high
DCO_low
DCO出力の
切り替え
L と総合的なキャパシタンス Ctot を用いて次式のように表
せる。 fv =
図 9 制御信号と DCO 回路の切り替え動作原理
Fig.9. Control signal and principle of DCO switching.
1
2π L×Ctot √
(5)
発振周波数を Ndiv 倍に設定するには L×Ctot の項を(1/Ndiv)2
演算回路の入力には、制御信号のうち最も広域で周波数制
に設定する必要がある。この時、量子化分解能 fvres,DCO は L
御を行うモード(ここでは Large バラクタを制御するモー
の値に依存性を持つ事から Ndiv 倍の DCO 出力周波数の設
ド)のデータが用いられる。制御信号に使用されるビット幅
定について、Ctot を買えずに L を(1/Ndiv)2 倍、L を変えずに
の最大値および最小値を検出して DCO の切り替えを行う。
Ctot を(1/Ndiv)2、L と Ctot 共に 1/Ndiv 倍した時の各周波数分
ADPLL システムに要求される周波数に応じて使用する
解能を考えるとそれぞれ次式のように表せる。 DCO を切り替える事で、広帯域動作を行う DCO ブロック
L を(1/Ndiv)2 倍 の実現が可能になる。
f vres,DCO,DIV,L = −
L
1
×2π×∆C× 2 ×(Ndiv × fv )3
Ndiv
Ndiv
= −2π×∆C×L×fv3 = fvres,DCO
〈4・3〉位相雑音の低減化技術
DCO から発生する DCO アナログ雑音は、ADPLL 内で発
生するいくつかの雑音の中で主要な雑音源となっている。
C
PLL などの位相雑音特性が重要な性能指標となる回路で
fvres,DCO,DIV,C = −
は、要求される周波数の逓倍信号をつくり、後に分周させ
る事で低位相雑音化を行う技術が用いられる。そこで
ADPLL においても逓倍発振による位相雑音の改善につい
(6)
を(1/Ndiv)2 倍 1
×2π×∆C×L×(Ndiv × fv )3
Ndiv
2
2
= −2π×Ndiv
×∆C×L×fv3 = Ndiv
×fvres,DCO
(7)
て検討を行った。図 10 に逓倍発振構成の ADPLL の部分ブ
L と C を共に 1/Ndiv 倍 ロックを示す。 fvres,DCO,DIV,LC = −
L
1
×2π×∆C×
×(Ndiv × fv )3
Ndiv
Ndiv
= −2π×Ndiv ×∆C×L×fv3 = Ndiv ×fvres,DCO
(8)
4/6
DCO を逓倍発振に設定する時の回路パラメータの変化によ
RF 回路において、信号の周波数変換を行う際には正確な
って、周波数分解能 fvres,DCO が Ndiv に依存した違いを生じ
90°位相差の IQ 信号が必要であり、それを得るためには 4
させていることが分かる。また、フラクショナル構成を用
倍分周が必要なため、今回は Ndiv=4 として設計を行った。 いたときの周波数分解能 fvres,dith,DCO においても同様の効果
が現れる。Ndiv 倍発振、Ndiv 分周構成を有するシステムで発
5. シミュレーションと実測結果
生する DCO 量子化雑音は分周構成を持たないシステムの
雑音 NDCOq,と比較すると次式で表せる。 NDCOq ,DIV = λ×NDCOq ここで λ は Ndiv 倍発振設定時の DCO パラメータの変化に
より 1
周波数特性
(9)
周波数制御
要求
周波数帯域
雑音特性
雑音パワー
Ndiv4 までの値を取りうる。DCO 量子化雑音の増加
を回避する為にはインダクタンス L の値を小さくすること
で DCO の発振周波数の高周波化を行う必要がある。 次に DCO の位相雑音の式を(10)式に示す。[5] L(∆f ) =
1 fosc 2
fc
kT · F
[1 + (
·
) ](1 +
)
Posc
2Q ∆f
∆f
97MHz
771MHz
DCOの出力周波数
TVチューナ無線規格の必要周波数
(10) ここで k はボルツマン定数、T は絶対温度、F は発振器を構
成するゲインセルの雑音指数、Posc は発振電力、Q は共振器
の Q 値(一般的にインダクタの Q が低く、支配的となる)、
fosc は発振周波数、Δf はキャリアからの離調周波数、fc はフ
97 - 771MHz
(DCO直接出力において
1.45 - 3.3GHz)
10kHz
オフセット周波数
受信信号の精度
<[email protected]
図 11 DCO の目標設計仕様
Fig .11.
DCO design specification.
リッカ雑音起因の位相雑音と熱雑音起因の位相雑音のコー
ナー周波数である。この式から分かるように、位相雑音は
図 11 に設計する DCO の目標仕様を示す。実際の TV チ
発振周波数の二乗に比例する。そのため、実際には N 分周
ューナ用の規格である地上デジタルテレビジョン放送 D(ア
による雑音低減は相殺されてアナログノイズは一定とな
ナログ放送停波前)の ISDB-T(Integrated Services Digital
る。しかし、発振周波数を高周波化してインダクタンスが
Broadcasting-Terrestrial)方式の規格を満たすように仕様
小さい集積インダクタを用いる事で、線路長が短くなり直
決めを行った。0.18μmCMOS プロセスを想定し、SPICE
列の寄生抵抗が下がり、インダクタの Q 値が上昇するため
を用いてシミュレーションを行った。
(10)式より位相雑音を低減することができる。従って、発
振周波数を高くする事で位相雑音特性を改善する事が可能
〈5・1〉シミュレーション結果
となる。 検討 DCO のシミュレーション結果を図 12 に示す。
TDC で生じる量子化雑音も ADPLL で発生する主な雑音
のひとつであり、遅延分解能 Δτ、CKV の周期 TCKV、基準
周波数 Fref を用いて(11)式で表される。 (2π)2 ∆τ 2 1
)
NT DCq =
(
12 TCKV Fref
(11) (11)式から、TDC の量子化雑音は遅延分解能と周期 TCKV
に大きな依存性を持つ事が分かる。逓倍発振時における
CKV 周期は従来構成と等しい為、逓倍発振時に発生する量
子化雑音 NTDCq,DIV は(12)式のように表される。
NT DCq,DIV = NT DCq
(12)
図 12 検討 DCO のシミュレーション結果
Fig.12. DCO simulation result.
以上の結果から ADPLL の逓倍発振構成を用いる事によ
り DCO で発生するアナログ雑音の軽減が可能になる。ま
周波数特性においては仕様を満たしており、位相雑音特
た、LC-DCO の発振周波数の式より、発振周波数を逓倍設
性においても(一部では仕様を満たしていないが)概ね仕
定することでインダクタンス L およびキャパシタンス C を
様に近い結果を得る事ができた。
小さな値に設定できる事から、微細化という面でも利点が
〈5・2〉実測結果
大きい。しかし、DCO パラメータの設定によっては DCO
図 13 にチップ写真と測定基板を示す。今回の実測は
量子化雑音と呼ばれる雑音の増加を招く恐れがあり、それ
0.18um CMOS フルカスタム試作チップと FPGA を接続し
らのトレードオフを考慮した設計が必要になる。 て行った。試作チップには DCO、カウンタ、TDC が入って
5/6
おり、ADPLL のその他のブロックは FPGA によって実装
定評価する事で、実際に広帯域化技術が有効である事を確
されている。試作チップのサイズは 2.5mm
認した。
2.5mm であ
り、今回の試作チップには三つの DCO のうち DCO_low と
DCO_middle が入っている。
今後の課題として、DCO の位相雑音特性の改善、全ての
帯域をカバーするチップの作製、ADPLL 回路のワンチップ
化などが挙げられる。
文 献
図 13 試作チップと測定基板
Fig .13. ADPLL chip and evaluation board.
図 14 に試作チップにおける周波数と位相雑音の測定結果
を示す。
発振周波数[GHz]
[email protected][dBc/Hz]
'"%$
!)#$
DCO_m
!)&$
'"#$
!&#$
!&&$
DCO_l
DCO_l
DCO
直接出力
DCO_m
!(#$
'$
!(&$
!"&$
!'#$
!"%$
!%#$
!"#$
Circuits,” Cambridge University Press, p535, 1998, ISBN
0-521-63061-4.
[位相雑音特性]
[DCOの出力周波数]
'"'$
(1) R. B. Staszewski and P. T. Balsara : “All-Digital Frequency
Synthesizer a Deep-Submicron CMOS”, Wiley-Interscience(2006)
(2) R. B. Staszewski : “Frequency Synthesizers in Nanometer
CMOS”, DCAS SEMINAR, 21 Feb 2007
(3) Bogdan Staszewski : “All-Digital TX Frequency Synthesizer and
Discrete-Time Receiver for Bluetooth Radio in 130-nm CMOS”,
IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol.39, No.12, Dec 2004
(4) 田辺朋之・壇徹・小林春夫 他:「TV チューナ用 ADPLL の検討」,
電子情報通信学会大会講演論文集,エレクトロニクス 2,pp.132,
2009
(5) T. H. Lee, “The Design of CMOS Radio-Frequency Integrated
!'&$
DCO_l
DCO_m
分周後(ckv)
!%&$
(")$
!$
!")$
'$
'")$
*$
周波数可変範囲
!"#$
Phase [email protected]
1.43GHz ∼ 2.42GHz
<-50dBc/Hz (直接DCO出力)
<-67dBc/Hz (ckv)
図 14 実測結果
Fig .14.Measurement result.
実測結果の位相雑音特性がシミュレーション結果に比べて
かなり劣化しているが、今回の試作では DCO を正常動作さ
せ、チップと FPGA と接続し、ADPLL 回路としての動作
を確認することを優先した。そのため、レイアウトを行う
段階で、ばらつきによる動作不良を避けるために位相雑音
特性を犠牲にし、DCO の発振動作を優先するように各種パ
ラメータを調整している。
6. まとめ
本研究では TV チューナ用 ADPLL に向けた DCO の広帯
域化時技術についての検討を行った。ADPLL システムに可
変分周回路を用いることで広帯域動作化が可能となること
を示した。また、複数の異なる周波数帯域を持つ DCO を、
システムの内部データ OTW により制御して切り替えて用
いる事で、広帯域動作可能な DCO ブロックとして構成する
事ができることを示した。また、検討回路の一部について
180nm の CMOS プロセスにおいてチップ試作を行い、測
6/6