PLLのループフィルタをアダプティブにする

74HC4046Aで汎用のPLLを作りたいと思っていますが、最大のネックはループフィルタです。

汎用PLLを作る手段としてアナログスイッチで4つのフィルタを切り替えるというのを考えていたのですが、様々な用途に対応するには4段階程度の切り替えでは全然足りません。

もっと多段階で切り替える必要性を感じました。

ループフィルタの決め方の手順は結構面倒ですが、だいたい上側の抵抗は100kΩまで、下側の抵抗はその10分の1。上側のコンデンサは1uFまで、下側のコンデンサはその10分の1です。

そこで、ディジタルポテンショメータが使えるのではないかと思った次第です。

デジタルポテンショメータとは、ディジタル的に設定できる可変抵抗です。片側がGNDにつながったタイプもあるし、2つの端子が浮いているタイプもあります。ただし調整できるのが128段階で、誤差もそれなりにあるし、容量も持っています。

100kΩのデジタルポテンショメータは780Ω単位で抵抗値を設定できます。下側に10kΩのデジタルポテンショメータを置いておけば、減衰比の設定は自由自在です。

コンデンサは10uF,1uF,0.1uF,10nF,1000pFを切り替えられるようにしておけば、おそらく10Hzくらいから1MHzくらいまでの帯域のループフィルタが自由に構成できるのではないかと思います。

PLLのループフィルタとして何がベストかを考えると、容量にもよりますが10uFとか1uFで一番良いのは積層フィルムです。漏れ電流が小さい。

ただし、10uFの積層フィルムはめっちゃ高価です。

ここはタンタルでよいでしょう。タンタルコンデンサはショートモードで壊れるという欠点がありますが、PLLのループフィルタは抵抗の先にあるので、燃えたりするようなことはありません。それに、過電圧も加わらないし、逆電圧も加わりません。かなり安全です。

0.1uF未満は積層セラミックが良いでしょう。ただし、誘電体がC0Gとかに限ります。パスコンに使われるX5Rは電圧が加わると静電容量が減ってしまうので、VCOの電圧が高い（＝周波数が高いとき）に容量が減ってしまいます。ループフィルタの特性が予期せぬものになるでしょう。

また、X5Rはマイクロフォニックノイズといって、音や振動が加わると容量が変わるので、周囲の振動を拾ってVCOの発振周波数に変調がかかるという問題点がありました。C0Hではマイクロフォニックノイズが極めて少ないので、このような問題は起こりにくいとされています。

0.1uFは、タンタルでも積セラでもどちらでも使えます。コストも同じようなものです。

こうして、様々な周波数帯域に対応できるアダプティブなループフィルタができました。