JPH04282905A - 位相検波器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般的には、位相検波
器に関し、かつ、より特定的には、ＮＰＮ型トランジス
タによって実施される位相検波器に関する。

【０００２】

【従来の技術】位相検波器（ｐｈａｓｅ　　ｄｅｔｅｃ
ｔｏｒｓ）は、たとえば、同期信号の中間パルス（ｍｉ
ｄ　　ｐｕｌｓｅ）と電圧制御発振器（ＶＣＯ）の出力
信号の立下りエッジとの間の位相エラーを表す出力信号
を提供するためのテレビジョン受信機の位相ロックルー
プの集積化要素として、技術上よく知られている。位相
ロックループの例では、位相検波器の出力信号は、よく
知られているように、低域ろ波され、かつＶＣＯの入力
に印加される。すべてではないが、ほとんどの位相検波
器はループフィルタを充電するためにその出力から所定
の電流を供給するための横型ＰＮＰトランジスタのカレ
ントミラーを含む。該カレントミラーの入力および出力
は典型的には差動増幅器として構成された第１および第
２のＮＰＮトランジスタのコレクタに結合され、それら
の共通エミッタは前記同期信号の制御のもとで動作する
電流源を通して結合され、一方前記トランジスタのベー
スはそれぞれＶＣＯの出力信号および基準信号によって
駆動される。ＶＣＯを駆動する従来の位相検波器の出力
は第２のＮＰＮ型トランジスタのコレクタで取ることが
でき後者がＰＮＰ型トランジスタのカレントミラーによ
って与えられる充電電流に等しい所定の電流を吸引しか
つ発振器信号が基準信号に関して低い場合にループフィ
ルタを放電することを許容する。あるいは、発振器信号
が基準信号に関して高い場合には、ＰＮＰ型トランジス
タのカレントミラーの出力電流がループフィルタを充電
する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】横型ＰＮＰトランジス
タの１つの問題は差動増幅器の前記第１および第２のＮ
ＰＮ型トランジスタに比較して本来的により低いスイッ
チング速度であり、しばしば発振器信号のエッジと同期
信号の中間パルスのエッジとの間にスキューを導入する
ことにより特にノイズの多いＶＣＯ発振器信号の存在す
る場合には、位相ロックの達成を困難にする非対称の出
力電流を発生する。さらに、大部分の半導体プロセスに
おいてＰＮＰ型トランジスタの間で良好な整合を達成す
ることは困難であり、従って位相検波器の出力信号に非
対称性の問題を加えることになる。さらに、大部分の集
積回路のプロセスはカレントミラーを形成する横型ＰＮ
Ｐトランジスタに対し貧弱な順方向トランジスタ電流ゲ
イン、β、を生成する。位相ロックのレートはしばしば
ループフィルタの充電および放電レートにより決定され
るから、横型ＰＮＰトランジスタは合理的な出力電流、
たとえば２００マイクロアンペア、を提供するために大
きな寸法にしなければならない。貧弱な順方向トランジ
スタ電流ゲインは、これはまた出力信号におけるオフセ
ットを引き起こす、ベース電流が大きくなるにつれてＰ
ＮＰ型カレントミラーの入力および出力電流間の差を拡
大する。従って、位相ロックループのロック速度と伝統
的な位相検波器の物理的領域、より特定的には、横型Ｐ
ＮＰトランジスタのカレントミラーの大きさ、との間に
トレードオフが存在する。横型ＰＮＰトランジスタおよ
びそれに関連する望ましくない特性を除去することが望
ましい。

【０００４】従って、すべてＮＰＮ型トランジスタ構造
により実施される改良された位相検波器の必要性が存在
する。従って、本発明の目的は改良された位相検波器を
提供することにある。

【０００５】本発明の他の目的は、ＮＰＮ型トランジス
タによって実施される改良された位相検波器を提供する
ことにある。

【０００６】本発明のさらに他の目的は、対称な出力信
号を有する改良された位相検波器を提供することにある
。

【０００７】

【課題を解決するための手段および作用】上述のおよび
他の目的に従って、第１および第２の入力信号の間の位
相差に応答する位相検波器が提供され、該位相検波器は
前記第１および第２の入力信号に応答しかつ所定の大き
さの第１の電流を提供する第１の出力を有しかつ位相検
波器の前記出力から流れる第１の電流に比例する所定の
大きさの第２の電流を吸引するための第２の出力を有す
る第１の回路を具備する。第１の電流を受けるように結
合された入力を有しかつ位相検波器の出力に第３の電流
を供給するための出力を有するカレントミラー回路が提
供され、また該カレントミラーの入力および出力におい
て実質的に等しい電位を維持するために該カレントミラ
ーの入力と出力との間に第２の回路が結合される。

【０００８】

【実施例】図１を参照すると、伝統的な集積回路プロセ
スを用いた集積回路形式で製造するのに適した位相検波
器１０が示されている。位相検波器１０は出力端子１４
からの電流Ｉ１２を吸引するように結合された電流シン
ク回路１２、および電流Ｉ１６を出力端子１４に供給す
るように結合されたカレントソース回路１６を含む。位
相ロックループの例に対しては、容量１８が出力端子１
４と電源供給導体２０との間に結合されかつＶＣＯ（図
示せず）の入力における低域フィルタとして動作する。 同期信号が入力２２に印加され、一方ＶＣＯの出力発振
器信号は入力２４に印加されてループを完成する。電流
シンク回路１２およびカレントソース回路１６の主な動
作は、それぞれ、電流Ｉ１２および電流Ｉ１６を提供す
ることであり、同期パルスの間に相補的に動作しかつ対
称出力電流波形を形成するよう結合し、そのデューティ
サイクルは発振器信号の立下りエッジと同期信号の中間
パルスの間の位相差によって変化する。

【０００９】図１により説明を続けると、抵抗２６が入
力２２と、トランジスタ３０のエミッタでもある、トラ
ンジスタ２８のベースとの間に結合されている。トラン
ジスタ３０のエミッタおよびベースは、それぞれ、抵抗
３２および３６を通りトランジスタ３４のコレクタに結
合され、一方トランジスタ３４のベースおよびコレクタ
は抵抗３８を介して一緒に結合されている。トランジス
タ３４のエミッタはダイオード構成のトランジスタ４０
および抵抗４２を通ってグランド電位で動作する電源供
給導体２０に結合されている。入力２４はトランジスタ
４４のエミッタに、トランジスタ４６のベースにおよび
抵抗４８を通ってトランジスタ２８のエミッタに結合さ
れ、トランジスタ２８のエミッタはまた抵抗５０および
ダイオード構成のトランジスタ５２を介して電源供給導
体２０に結合され、抵抗５４を介してトランジスタ５６
のベースに、抵抗５８を介してトランジスタ４４のベー
スにそして抵抗６０を介してトランジスタ６２のベース
に結合されている。トランジスタ６２のベースはトラン
ジスタ４６のコレクタに結合されかつ抵抗６４を介して
トランジスタ６６のベースに続く。トランジスタ５６の
エミッタはトランジスタ６６のエミッタに結合されかつ
抵抗６８を介して電源供給導体２０に結合され、一方ト
ランジスタ６２のエミッタは抵抗７０を介して電源供給
導体２０に結合されている。トランジスタ５２のベース
およびコレクタは一緒にトランジスタ７２のベースに結
合され、トランジスタ７２のエミッタが電源供給導体に
結合されかつそのコレクタがカレントソース回路１６の
トランジスタ７４および７６のエミッタに結合されてい
るから、カレントミラー回路を形成している。

【００１０】本発明の一部として、カレントソース回路
１６の構成が次のようにしてＮＰＮ型トランジスタによ
って与えられる。トランジスタ７４および７６のコレク
タは典型的にはＶＣＣのような正の電位で動作する電源
供給導体７８に結合され、前者のトランジスタ７４の経
路は抵抗８０を含む。トランジスタ５６および６６のコ
レクタは、それぞれ、トランジスタ７４および７６のベ
ースに結合され、かつ抵抗８２および８４を介してトラ
ンジスタ８６および８８のエミッタに結合されている。 トランジスタ８６のベースはトランジスタ７４のコレク
タに結合され、かつ抵抗９０を介してトランジスタ８８
のベースに結合されており、一方トランジスタ８６およ
び８８のコレクタは各々電源供給導体７８に結合され、
かつトランジスタ８８のベースはトランジスタ６２のコ
レクタに結合されている。カレントソース回路１６はま
たコレクタが電源供給導体７８に結合され、ベースがト
ランジスタ８６のベースに結合され、かつエミッタが抵
抗９４を介して、トランジスタ５６のベースである、ト
ランジスタ４４のコレクタに結合されたトランジスタ９
２を含む。トランジスタ８６および９２は２つのエミッ
タを有する単一のＮＰＮ型トランジスタに組み合わせる
ことができることが理解される。トランジスタ８６のベ
ースはまたトランジスタ３０のコレクタにかつトランジ
スタ９６のエミッタに結合され、後者のトランジスタは
また電源供給導体７８に結合されたコレクタおよび抵抗
９８を介して電源供給導体７８にかつ抵抗１００を介し
てトランジスタ３０のベースに結合されたベースを含む
。

【００１１】位相検波器１０の動作は本実施例では位相
ロックループのループフィルタとして動作する容量１８
を充電しかつ放電するための出力端子１４を通って流れ
る対称プッシュプル電流を提供することである。図２の
（ａ）に示される波形は入力２２に印加される同期信号
であり、一方入力２４において印加されるＶＣＯからの
出力発振器信号は図２の（ｂ）に示されており、これら
の組み合わせが図２の（ｃ）に示されるような出力端子
１４を通って流れる対称プッシュプル電流波形を生成す
る。図２の時間ｔ１においては、同期信号は低レベル（
ロ−）であり、トランジスタ２８のベースをプルダウン
しかつトランジスタ３０および９６をターンオンし、一
方トランジスタ２８，３４，４０，８６，８８および９
２をターンオフする。その結果、トランジスタ８８のコ
レクタ−エミッタ導通経路を通る電流Ｉ１６は流れない
。入力２４に印加される高レベルの発振器信号はトラン
ジスタ４６をターンオンし、トランジスタ６２および６
６のベースを低レベルに引き下げかつトランジスタ６６
のコレクタ−エミッタ導通経路を通る電流Ｉ１２を遮断
する。さらに、トランジスタ４４，５２，５６，７２，
７４および７６は高レベルの発振器信号および低レベル
の同期信号により非導通とされる。出力電流波形は従っ
て図２の（ｃ）に示されるように時間ｔ１およびｔ２の
間ではゼロである。

【００１２】時間ｔ２における同期信号の高レベル状態
への遷移は、トランジスタ３０および９６のベース−エ
ミッタ接合（Ｖｂｅ）を逆バイアスしながら、トランジ
スタ２８をターンオンし、それによりトランジスタ８６
，８８および９２のベースを解放しかつトランジスタ５
６がトランジスタ８６のコレクタ−エミッタ導通経路を
通して電流を流すことを許容する。高レベルの同期信号
はまた抵抗９８，１００および３６、トランジスタ３４
および４０および抵抗４２を通る導通経路を可能にし、
トランジスタ２８のベースにおける所定の電位を発生し
かつトランジスタ２８、抵抗５０およびトランジスタ５
２を通って流れる対応する所定の電流を発生しこの電流
はトランジスタ７２において反映され（ｍｉｒｒｏｒｅ
ｄ）トランジスタ７４および７６のエミッタからの同じ
電流を吸引する。トランジスタ５６のベースにおいて出
力される電位は１つの経路においては抵抗６８における
電圧に加えてトランジスタ５６のＶｂｅに等しく、かつ
他の経路においては抵抗４２にかかる電圧にトランジス
タ３４および４０のＶｂｅを加えトランジスタ２８のＶ
ｂｅを引いたものに等しいことに注意を要する。無視で
きるベース電流および等しいエミッタ領域を有する理想
的なトランジスタを仮定すると、抵抗４２の抵抗６８に
対する比に応じて所定の電流Ｉ５６が抵抗５６を通って
流れる。抵抗４２および６８の典型的な値は、それぞれ
、８２０および１６００オームである。高レベルの発振
器信号はまた時間ｔ２およびｔ３の間トランジスタ４６
を導通状態にかつトランジスタ４４をオフ状態に維持し
、かつ、従って、トランジスタ６２および６６は非導通
のままとなり電流Ｉ１２の流れを禁止する。

【００１３】時間ｔ２においては、トランジスタ７６の
ベースに表れる容量１８にかかる電圧は発振器信号の立
下りエッジと同期信号の中間パルスの間の位相差に依存
する特定の値を有する。所定の電流がトランジスタ５６
を通って流れ始めると、そのコレクタ電圧がトランジス
タ７６のベースにおける電圧より低く降下するかもしれ
ない。トランジスタ７２により吸引される電流の大部分
は次にトランジスタ７６を流れトランジスタ８６のベー
スにおける電位を上昇させるが、これはトランジスタ７
４は部分的にのみオンしているからである。トランジス
タ８６のベース電圧は、トランジスタ７４のベース電流
を無視して、トランジスタ８６のコレクタ−エミッタ導
通経路を通って電流Ｉ５６を流すよう適切な値にまで増
大し、それによりトランジスタ７４のベース（ノード１
０２）に展開される電圧をトランジスタ７６のベースに
おける電圧に実質的に等しい値まで引っ張る。

【００１４】ＮＰＮ型トランジスタ８６および８８の組
み合わせはカレントミラーとして動作し、それによりト
ランジスタ５６および８６を通って流れる電流がトラン
ジスタ８８のコレクタ−エミッタ導通経路に反映されか
つ出力端子１４に電流Ｉ１６として流れる。エミッタが
動作電位のソースとして結合されている伝統的なＰＮＰ
型カレントミラーと異なり、本発明のＮＰＮ型トランジ
スタのカレントミラーはノード１０２および出力端子１
４における電位を実質的に等しく維持するために、エミ
ッタ結合トランジスタ対７４および７６のような、電圧
等化回路を必要とする。さらに、抵抗８２および８４が
ＮＰＮ型トランジスタのカレントミラー（８６，８８）
の出力電流Ｉ１６を尺度変更するために設けられている
。抵抗８２および８４の典型的な値は、それぞれ、８２
０および９２０オームである。ノード１０２でスタート
しかつトランジスタ７４，７６，８６および８８の回り
のループ方程式を書くとＮＰＮ型トランジスタのカレン
トミラーの入力および出力電流は次のように関係する。 　　　　Ｒ８２＊Ｉ５６＋Ｖ８６−Ｖ８８−Ｒ８４＊Ｉ
１６−Ｖ７６＋Ｖ７４　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（１
）この場合、Ｒ８２は抵抗８２の値であり、Ｖ８６はト
ランジスタ８６のベース−エミッタ接合電位であり、Ｖ
８８はトランジスタ８８のベース−エミッタ接合電位で
あり、Ｒ８４は抵抗８４の値であり、Ｖ７４はトランジ
スタ７４のベース−エミッタ接合電位であり、Ｖ７６は
トランジスタ７６のベース−エミッタ接合電位である。 トランジスタ８６と８８およびトランジスタ７４と７６
に対し等しいエミッタ領域が与えられると、前記式（１
）は次のように簡単化される。 　　Ｒ８２＊Ｉ５６−Ｒ８４＊Ｉ１６＝０　　Ｉ１６／
Ｉ５６＝Ｒ８２／Ｒ８４　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　…（２）

【００１５】従って、電流Ｉ１６は抵抗８２および８４
および電流Ｉ５６の値によって設定され、前にも述べた
ようにこれらの内の後者のＩ５６は抵抗４２および６８
の比によってセットされる。

【００１６】本発明は上に述べたように動作することが
できるが、方程式（２）はすべての条件に対してＶ７６
＝Ｖ７４であるという近似に基づいている。このような
近似を除去し出力端子１４における温度依存性の負荷に
応じて、トランジスタ７４および７６のＶｂｅがやや異
なるかもしれない状況を考えると、式（１）は次のよう
に簡単化される。 　　Ｒ８２＊Ｉ５６＋Ｖ７４＝Ｒ８４＊Ｉ１６＋Ｖ７６
　　　　　　　　　　　　　　…（３）

【００１７】Ｖ８６＝Ｖ８８という仮定は依然として合
理的なものであるが、その理由は出力端子１４における
いずれの電圧変化も抵抗８４によって吸収されトランジ
スタ８８のエミッタに出力される電位がトランジスタ８
６のエミッタ電位に従うことを許容するからである。し
かしながら、出力端子１４におけるそのような電圧の変
化はトランジスタ７６のベースに直接印加され電圧Ｖ７
６を増大させかつ電圧Ｖ７４を減少させる。従って、式
（３）から、電流Ｉ１６は、もしトランジスタ８６のベ
ースとトランジスタ５６のベースとの間に結合されたト
ランジスタ９２および抵抗９４で形成されるフィードバ
ック経路がなければ、出力端子１４における電圧が増大
するに応じてやや減少するであろう。出力端子１４にお
ける電圧が増大すると、トランジスタ７６はトランジス
タ７２を通って流れる電流Ｉ７２をより多く流しトラン
ジスタ７４がより少ない電流を流すに応じてトランジス
タ８６のベース電圧を上昇させ、それによりトランジス
タ９２および抵抗９４を通って流れる電流を増大させる
。これはトランジスタ５６のベースにおける電圧および
電流Ｉ５６の双方を増大させトランジスタ８６のエミッ
タ電圧が上昇するようにしかつ同様にトランジスタ８８
のエミッタ電圧が実質的に一定の電流Ｉ１６を抵抗８４
を介して出力端子１４に維持する値にまで上昇させる。 従って、電流Ｉ１６は出力電圧の変化に対し実質的に一
定に維持される。

【００１８】図２のタイムラインにより説明を続けると
、時間ｔ３において発振器信号は低レベルに降下しトラ
ンジスタ４６をターンオフし、それによりトランジスタ
６２および６６のベースを解放しトランジスタ２８から
の電流の一部をトランジスタ６２および６６が導通する
ようにさせかつ出力端子１４から後者のコレクタ−エミ
ッタ導通経路を通って電流Ｉ１２を吸引するようにする
。低レベルの発振器信号はまたトランジスタ４４がトラ
ンジスタ２８および抵抗５４を通って導通できるように
しこれはトランジスタ５６のベースを低レベルに引っ張
りかつ電流Ｉ５６を遮断する。さらに、トランジスタ６
２のコレクタ電圧はトランジスタ８８のベースをプルダ
ウンし、電流Ｉ１６をシャットオフし、一方トランジス
タ７６は電流Ｉ７２を導通し続ける。電流Ｉ１２の値は
トンジスタ２８のベースにおいて確立されたそのＶｂｅ
より低い前に述べた所定の電位に応じて動作するトラン
ジスタ６６および抵抗６８によって形成される電流源を
介してセットされる。従って、同期信号が高レベルであ
りかつ発振器信号が低レベルである時間ｔ３およびｔ４
の間では、電流Ｉ１２が容量１８を放電するためにトラ
ンジスタ６６のコレクタ−エミッタ導通経路を通って出
力端子１４から所定の一定の値で流れる。時間ｔ４およ
びｔ５の間で、同期信号は再び低レベルとなり、トラン
ジスタ２８をターンオフしかつトランジスタ３０および
９６をターンオンし、それにより図２の（ｃ）に示され
るように上に述べたようにして電流Ｉ１２およびＩ１６
をディスエーブルする。このサイクルは時間ｔ５に続い
て繰り返される。

【００１９】このようにして位相検波器は同期信号パル
ス内の発振器信号の立下りエッジに応答する。たとえば
、もし発振器信号の周波数が増大すると、発振器信号の
立下りエッジが同期信号の中間パルスの前に生じ、それ
により電流Ｉ１２が電流Ｉ１６に比較してより長い期間
の間流れ、容量１８の電荷を減少させＶＣＯ発振器信号
を該同期信号の中間パルスに引き戻す。あるいは、もし
発振器信号の周波数が低くなりかつ発振器信号の立下り
エッジが同期信号の中間パルスよりも遅く発生すれば、
電流Ｉ１６は電流Ｉ１２より長い期間の間流れ、それに
より容量１８を充電しかつＶＣＯの出力周波数を増大さ
せ、再びＶＣＯ発振器信号を同期信号の中間パルスに引
き戻す。従って、位相差ゼロに対しては、時間ｔ２およ
びｔ３の間の容量１８の充電時間はｔ３からｔ４の放電
時間に等しくなるべきであり、すなわち、出力電流Ｉ１
６は同期パルスの間５０パーセントのデューティサイク
ルを有する。さらに、トランジスタ４２，６８，８２お
よび８４の適切な選択により、電流Ｉ１２およびＩ１６
の大きさは同じ大きさにすることができ、従って図２の
（ｃ）に示されるような対称的な出力電流波形を提供す
る。

【００２０】

【発明の効果】従って、以上説明したものは発振器信号
の立下りエッジと同期信号の中間パルスとの間の位相差
に応じて動作し対称的なプッシュプル出力電流を提供す
るためのＮＰＮ型トランジスタによって実現できる新規
な位相検波器である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の好ましい実施例に関わる位相検波器を
示す電気回路図である。

【図２】本発明に関わる位相検波器の動作を説明するの
に有用な各部の電気信号を示す波形図である。

【符号の説明】

１０　　位相検波器 １２　　電流シンク回路 １４　　出力端子 １６　　カレントソース回路 １８　　容量 ２０　　電源供給導体 ２２，２４　　入力端子 ２６，３２，３６，３８，４２，４８，５０，５４，５
８，６０，６４，６８，７０，８０，８２，８４，９４
，９８，１００　　抵抗 ２８，３０，３４，４０，４４，４６，５２，５６，６
２，６６，７２，７４，７６，８６，８８，９２，９６
　　ＮＰＮ型トランジスタ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　第１および第２の入力信号の間の位相
   差に応答する位相検波器であって、前記第１および第２
   の入力信号に応答しかつ所定の大きさの第１の電流を提
   供するための第１の出力を有しかつ前記位相検波器の出
   力から流れる前記第１の電流に比例する所定の大きさの
   第２の電流を吸引するための第２の出力を有する第１の
   手段、前記第１の電流を受けるように結合された入力を
   有しかつ前記位相検波器の出力に第３の電流を供給する
   ための出力を有するカレントミラー回路、そして前記カ
   レントミラーの入力および出力の間に結合され前記カレ
   ントミラーの前記入力および出力において実質的に等し
   い電位を維持するための第２の手段、を具備することを
   特徴とする位相検波器。
2. 【請求項２】　　前記カレントミラー回路は、各々ベー
   ス、エミッタおよびコレクタを有する第１および第２の
   トランジスタであって、前記ベースは一緒に結合され、
   前記コレクタは第１の動作電位源に結合されているもの
   、前記第１のトランジスタのエミッタと前記カレントミ
   ラー回路の前記入力との間に結合された第１の抵抗、前
   記第２のトランジスタの前記エミッタと前記カレントミ
   ラー回路の前記出力との間に結合された第２の抵抗、そ
   して前記第１のトランジスタのベースと前記第１の動作
   電位源の間に結合された第３の抵抗、を具備することを
   特徴とする請求項１に記載の位相検波器。
3. 【請求項３】　　前記第２の手段は、所定の大きさの第
   ４の電流を提供するための出力を有する電流供給手段、
   ベース、エミッタおよびコレクタを有する第３のトラン
   ジスタであって、前記ベースは前記カレントミラー回路
   の前記入力に結合され、前記コレクタは前記第１のトラ
   ンジスタの前記ベースに結合され、前記エミッタは前記
   電流供給手段の前記出力に結合されているもの、そして
   ベース、エミッタおよびコレクタを有する第４のトラン
   ジスタであって、前記ベースは前記カレントミラー回路
   の前記出力に結合され、前記コレクタは前記第１の動作
   電位源に結合され、前記エミッタは前記電流供給手段の
   前記出力に結合されているもの、を含むことを特徴とす
   る請求項２に記載の位相検波器。