74HC4046

74HC4046は、位相比較器（Phase Comparator）と電圧制御発振器（VCO）を1チップに収めた、極めて定番の高速CMOS PLL（位相同期回路）ICです。

このICを使いこなすには、「VCO単体としての動かし方」と、「位相比較器を組み合わせたPLLとしてのロックのさせ方」の2段階で理解するのがスムーズです。

代表的なピン配置と、実用的な使い方（回路構成）を解説します。

74HC4046 のピン配置と役割

まずは各ピンが何を担っているか、主要な部分を整理します。

基本的な使い方（設計ステップ）

74HC4046を動かすための具体的な手順を、外付け部品の選定を含めて3ステップで解説します。

ステップ 1：VCO（発振範囲）の定数を決める

9番ピン（VCO_IN）に与える電圧（0V〜VCC）に対して、どの範囲の周波数で発振させるかを C1（6,7ピン）、R1（11ピン）、R2（12ピン） で決定します。

• R2 を使わない場合（最低周波数を0Hzにする場合）

• 9番ピンが0Vのときに発振を止めたい場合は、12番ピン（R2）は何も接続せずオープンのままにします。

• R2 を使う場合（周波数範囲をシフトする場合）

• 例えば「1MHz〜2MHzの間だけで可変させたい」という場合、9番ピンが0Vのときでも1MHzで鳴り続けるように、$R_2$ でオフセット（底上げ）をかけます。

※具体的な定数はデータシートの「$V_{CC}$ごとの $R_1, C_1$ 対 発振周波数」のグラフを参考に選択しますが、一般的に R1, R2 は 10 kΩ ～ 1 MΩ、 C1 は 100 pF ～ 0.1 μF の範囲でよく選ばれます。

ステップ 2：3つある位相比較器（PC1, PC2, PC3）から選ぶ

74HC4046には贅沢にも3つの位相比較器が入っています。用途に合わせて出力ピンを選びます。

• PC1（2番ピン）：排他的論理和（EX-OR）型

• • 入力信号のデューティ比が50%に近いときに最適。ノイズに比較的強いですが、インプット信号が無いときでもVCOが中心周波数付近で勝手に発振し続ける特性があります。ロックすると入力とVCOの位相が90度ズレます。

• PC2（13番ピン）：エッジトリガ（位相・周波数比較器：PFD）型 ★一番おすすめ

• • 信号の「立ち上がりエッジ」を比較するため、デューティ比がバラバラでも綺麗にロックします。入力信号が無いときはVCOの周波数を最低値まで落としてくれます。ロックすると位相ズレは0度になります。通常の周波数シンセサイザや安定化用途では、このPC2（13番ピン）をメインで使用します。

ステップ 3：ループフィルタ（LPF）を組む

選んだ位相比較器の出力（例：13番ピン）からパルス信号が出てくるので、それを直流電圧にナマらせて9番ピン（VCO_IN）にフィードバックするための抵抗 R3 とコンデンサ C2 によるLPF（ローパスフィルタ）を挟みます。

1.比較器出力をLPFへ:パルスの平滑化。

13番ピン（PC2）から抵抗 R3 を通し、コンデンサ C2 を介してGNDへ落とす、最もシンプルなRCフィルタを形成します。

2.VCOへ制御電圧を入力:フィードバックの接続。

R3 と C2 の抱き合わせ点（直流に変換された電圧）から、9番ピン（VCO_IN）へと配線を繋ぎます。

3.ループを閉じる:同期の完了。

4番ピン（VCO_OUT）を、そのまま14番ピン（COMP_IN）へ直接（または分周器を挟んで）接続します。これで、3番ピンに入れた外部基準信号にVCOが追従（同期）するようになります。

よくあるトラブルと注意点

• ロックしない（キャプチャ範囲外）

• 3番ピンに入力している目標周波数が、ステップ1で設定したVCOの「自走発振範囲（最低〜最大）」から外れていると、PLLはどれだけ電圧を上げ下げしても追いつけず、ロックが外れます（アンロック状態）。

• 電源のデカップリング

• 74HC4046のVCOは電源ノイズに非常に敏感です。16番ピン（$V_{CC}$）のすぐ近くに $0.1\ \mu\text{F}$ 程度のセラミックコンデンサを配置して、電源ノイズによる発振の揺れ（ジッタ）を防ぐのが鉄則です。

まずは分周器などを挟まず、3番ピンにファンクションジェネレータ等から数kHz〜数百kHzの矩形波を入れ、13番ピン（PC2）出力をLPF経由で9番ピンに戻す「等倍ロック」から実験してみるのが、このICの挙動を理解する最短ルートです。

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