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公開：2024-09-01

PLL(Phase-Locked Loop)とは？意味をわかりやすく簡単に解説

text: XEXEQ編集部

PLL(Phase-Locked Loop)とは

PLL(Phase-Locked Loop)は、位相同期ループと呼ばれる周波数制御システムの一種です。PLLは、基準となる周波数信号に対して、出力信号の周波数と位相を同期させるための回路技術として広く利用されています。

PLLは、位相比較器(Phase Detector)、ローパスフィルタ(Low-Pass Filter)、電圧制御発振器(Voltage-Controlled Oscillator)の3つの主要な構成要素から成り立っています。位相比較器は、基準信号と出力信号の位相差を検出し、その差に応じた電圧信号を生成します。

ローパスフィルタは、位相比較器から出力された電圧信号に含まれる高周波成分を除去し、直流成分のみを取り出す役割を担っています。この直流成分は、電圧制御発振器の制御電圧として使用されます。

電圧制御発振器は、制御電圧に応じて発振周波数を変化させる発振器です。ローパスフィルタから得られた直流電圧を用いて、出力信号の周波数を調整し、基準信号との同期を実現します。

PLLは、通信機器、コンピュータ、計測機器など、様々な分野で活用されています。周波数合成や周波数逓倍、クロック信号の生成、ノイズ除去などの用途に使用され、安定した周波数制御を実現する上で欠かせない技術となっています。

PLLの基本的な動作原理

PLLの基本的な動作原理に関して、以下3つを簡単に解説していきます。

• 位相比較器による位相差の検出
• ローパスフィルタによる高周波成分の除去
• 電圧制御発振器による周波数の調整

位相比較器による位相差の検出

位相比較器は、PLLの入力信号である基準信号と、電圧制御発振器から出力される信号の位相差を検出する役割を担っています。位相比較器は、两信号の位相差に応じた電圧信号を生成し、ローパスフィルタに出力します。

位相差が大きい場合、位相比較器は大きな電圧信号を生成し、位相差が小さい場合は小さな电圧信号を生成します。この電圧信号は、電圧制御発振器の発振周波数を調整するための制御信号として使用されます。

位相比較器には、様々なタイプが存在し、用途に応じて適切な回路方式が選択されます。例えば、排他的論理和(XOR)ゲートを用いた位相比較器や、フリップフロップを用いた位相周波数比較器などがあります。

ローパスフィルタによる高周波成分の除去

ローパスフィルタは、位相比較器から出力された電圧信号に含まれる高周波成分を除去し、直流成分のみを取り出す役割を果たします。高周波成分を除去することで、制御信号のノイズを低減し、安定した周波数制御を実現できます。

ローパスフィルタは、抵抗とコンデンサを組み合わせた受動フィルタや、オペアンプを用いたアクティブフィルタなどが使用されます。フィルタの設計には、カットオフ周波数や減衰特性など、目的に応じた特性が考慮されます。

ローパスフィルタの出力は、電圧制御発振器の制御電圧として使用されます。この直流電圧は、電圧制御発振器の発振周波数を調整するための重要な信号となります。

電圧制御発振器による周波数の調整

電圧制御発振器(VCO)は、制御電圧に応じて発振周波数を変化させる発振器です。ローパスフィルタから得られた直流電圧を用いて、出力信号の周波数を調整し、基準信号との同期を実現します。

VCOは、LC発振回路やリング発振器などの回路方式が用いられます。制御電圧を変化させることで、発振周波数を連続的に変化させることができるため、PLLの周波数追従性を確保できます。

VCOの発振周波数は、基準信号の周波数に対して一定の関係を保つように設計されます。例えば、基準信号の周波数の整数倍や分数倍となるように、VCOの発振周波数が設定されることがあります。

PLLの応用例

PLLの応用例に関して、以下3つを簡単に解説していきます。

• 周波数合成への応用
• クロック信号の生成への応用
• ノイズ除去への応用

周波数合成への応用

PLLは、周波数合成の分野で広く利用されています。基準信号の周波数を元に、任意の周波数を生成することができます。

例えば、通信機器では、PLLを用いて送信周波数や受信周波数を生成します。基準信号の周波数を逓倍したり分周したりすることで、目的の周波数を正確に合成できます。

また、計測機器やテスト機器でも、PLLを用いた周波数合成が使用されます。安定した周波数源を生成することで、精密な測定や評価が可能となります。

クロック信号の生成への応用

PLLは、デジタル回路におけるクロック信号の生成にも利用されています。クロック信号は、回路の動作タイミングを制御する重要な信号です。

PLLを用いることで、外部から供給された基準クロックに同期した、安定したクロック信号を生成できます。このクロック信号は、システム全体の同期を取るために使用されます。

また、PLLを用いたクロック逓倍回路により、基準クロックよりも高速なクロック信号を生成することもできます。これにより、高速動作が要求されるシステムにおいて、効果的なクロック供給が可能となります。

ノイズ除去への応用

PLLは、信号のノイズ除去にも活用されています。入力信号にノイズが含まれている場合でも、PLLを用いることで、ノイズの影響を低減できます。

PLLのローパスフィルタは、高周波成分のノイズを除去する働きがあります。また、位相比較器とVCOのフィードバックループにより、ノイズの影響が抑制されます。

例えば、通信機器では、受信信号にノイズが含まれている場合があります。PLLを用いて受信信号からクロック信号を抽出することで、ノイズの影響を低減し、安定した信号処理が可能となります。

PLLの設計における留意点

PLLの設計における留意点に関して、以下3つを簡単に解説していきます。

• ループフィルタの設計
• VCOの設計
• 位相比較器の選択

ループフィルタの設計

PLLのループフィルタは、位相比較器の出力信号から高周波成分を除去し、VCOの制御電圧を生成する重要な部分です。ループフィルタの設計は、PLLの応答特性や安定性に大きな影響を与えます。

ループフィルタの設計では、カットオフ周波数や次数、ダンピング特性などを適切に選択する必要があります。カットオフ周波数が高すぎると、ノイズの影響を受けやすくなり、低すぎると応答速度が遅くなります。

また、ループフィルタの次数を上げることで、より高次の特性を実現できますが、回路の複雑さが増すため、トレードオフを考慮する必要があります。ダンピング特性は、PLLの安定性に関係し、適切な値に設定することが重要です。

VCOの設計

VCOは、PLLの出力信号を生成する重要な構成要素です。VCOの設計では、発振周波数範囲や周波数安定度、ノイズ特性などを考慮する必要があります。

発振周波数範囲は、PLLの動作周波数に合わせて設定されます。広い周波数範囲をカバーするためには、VCOの可変範囲を広くする必要がありますが、同時に周波数安定度も確保しなければなりません。

また、VCOのノイズ特性は、出力信号の品質に影響を与えます。位相雑音やジッタなどのノイズを低減するために、回路設計や使用する素子の選択に注意が必要です。

位相比較器の選択

位相比較器は、PLLの入力信号と出力信号の位相差を検出する重要な役割を担っています。位相比較器の選択は、PLLの性能や用途に応じて行われます。

一般的な位相比較器としては、排他的論理和(XOR)ゲートを用いた位相比較器や、フリップフロップを用いた位相周波数比較器などがあります。XOR位相比較器は簡単な構成ですが、位相差が90度近傍で感度が低下する特性があります。

一方、位相周波数比較器は、位相差だけでなく周波数差も検出できるため、ロックの収束性に優れています。ただし、回路構成がやや複雑になります。PLLの要求性能に応じて、適切な位相比較器を選択することが重要です。

※上記コンテンツはAIで確認しておりますが、間違い等ある場合はコメントよりご連絡いただけますと幸いです。

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