位相同期回路

位相同期回路（PLL）とは

位相同期回路（PLL: Phase Locked Loop）は、入力される周期的な信号を基準として、フィードバック制御を用いて別の発振器から位相が同期した信号を出力する電子回路です。このフィードバック制御により、様々な周波数や位相を持つ安定した信号を作り出すことができるため、電子回路において広範な用途で活用されています。特に、高精度で広範囲な周波数制御が求められる分野では、専用の集積回路としても広く利用されています。

PLLの基本動作

PLLの基本的な動作原理は、基準となる入力信号と、電圧によって周波数が変化するVCO（電圧制御発振器）の出力信号との位相差を検出し、その差をVCOの制御電圧としてフィードバックすることです。このフィードバックループによって、VCOの出力信号は入力信号と位相が同期するように調整されます。

PLL周波数シンセサイザ

PLLの応用例として最も一般的なのが、PLL周波数シンセサイザです。これは、VCOの出力信号を分周器で分割した信号をフィードバックループに用いることで、入力信号の周波数を任意の整数倍に高めた信号を生成するものです。この周波数逓倍の機能を利用することで、基準となる信号から様々な周波数の信号を生成することができます。また、分周器の分周比を可変にすることで、出力周波数を柔軟に制御することが可能です。

PLLの構成要素

PLLは、主に以下の要素から構成されています。

位相比較器（PFD: Phase Frequency Detector）: 入力信号とフィードバック信号の位相差を電圧に変換する回路です。アナログPLLでは乗算器、デジタルPLLでは排他的論理和やチャージポンプが用いられます。
ループフィルタ: 位相比較器の出力信号から不要な高周波成分を取り除くローパスフィルタです。これにより、フィードバックループにおける発振を防ぎ、安定した動作を実現します。
VCO（電圧制御発振器）: 入力電圧に応じて出力周波数が変化する発振器です。一般的には、バリキャップ（可変容量ダイオード）を用いて周波数を制御します。
分周器: フィードバック信号の周波数を整数分の1に分割する回路です。これにより、出力周波数を入力周波数の整数倍に設定できます。

PLLの数式表現

PLLがロック状態にある場合、入力周波数 \( f_{in} \) に対する出力周波数 \( f_{out} \) は、分周比を \( N \) とすると、以下の式で表されます。

\( f_{out} = N \times f_{in} \)

PLLの応用例

PLLは、様々な電子機器において、以下のような用途で活用されています。

周波数シンセサイザ

デジタル的に分周比を設定することで、正確な周波数の信号を生成するPLL周波数シンセサイザは、多くの電子機器において重要な役割を果たしています。水晶振動子を用いた発振回路は安定した周波数の信号を生成できますが、高い周波数や低い周波数を得るには限界があります。しかし、PLLを用いることで、基準となる水晶振動子の精度を保ったまま、任意の周波数の信号を生成できます。

FM復調器

分周器を用いずにPLLを構成し、位相比較器に周波数変調（FM）された信号を入力すると、PLLは入力信号の周波数変化に追従し、VCOの出力から同じFM波が出力されます。この時、VCOの制御電圧は入力FM波の周波数変化と一致するため、この電圧を取り出すことでFM復調器として使用することができます。

局部発振器の調整

無線システムにおいて、PLLは局部発振器の周波数を調整するために使用されます。受信周波数と中間周波数の和になるように局部発振器の周波数を調整することで、安定した受信動作を実現します。

PLLの種類

PLLには、主に以下の種類があります。

アナログPLL: 位相比較器、ループフィルタ、VCOがアナログ回路で構成されています。
デジタルPLL: 位相比較器と分周器がデジタル回路で構成され、ループフィルタとVCOはアナログ回路で構成されています。
* オールデジタルPLL: すべての構成要素がデジタル回路で構成されています。

まとめ

位相同期回路（PLL）は、電子回路において不可欠な技術であり、その応用範囲は非常に広いです。周波数シンセサイザやFM復調器など、様々な用途で利用されており、現代の電子機器を支える重要な要素となっています。

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