【導(dǎo)讀】了解頻率產(chǎn)生器件的性能特征對(duì)于為目標(biāo)使用場(chǎng)景確定正確的解決方案至關(guān)重要。這是一個(gè)快速指南，旨在幫助RF系統(tǒng)工程師熟悉整個(gè)選擇流程。
問(wèn)題:
何種頻率產(chǎn)生器件適合我的應(yīng)用？
答案:
了解頻率產(chǎn)生器件的性能特征對(duì)于為目標(biāo)使用場(chǎng)景確定正確的解決方案至關(guān)重要。這是一個(gè)快速指南，旨在幫助RF系統(tǒng)工程師熟悉整個(gè)選擇流程。
主要性能判據(jù)
我們首先定義表征頻率產(chǎn)生器件性能通常使用的判據(jù)。選擇流程一般從最基本的判據(jù)開(kāi)始，那就是輸出頻率范圍。為了生成整個(gè)頻譜范圍內(nèi)的頻率，人們?cè)O(shè)計(jì)了各種各樣的器件，支持從單音到跨越多個(gè)倍頻程的頻率。然而，當(dāng)根據(jù)輸出頻率選擇器件時(shí)，必須注意到，寬帶和高頻能力常被用來(lái)交換其他基本特性，包括頻率穩(wěn)定性、輸出頻譜純度和開(kāi)關(guān)速度。
頻率穩(wěn)定性代表輸出信號(hào)的短期和長(zhǎng)期變化。短期穩(wěn)定性與遠(yuǎn)小于一個(gè)完整信號(hào)周期的變化有關(guān)。這些變化以相位抖動(dòng)和相位噪聲表示。相位抖動(dòng)定義時(shí)域中信號(hào)相位的微小波動(dòng)，相位噪聲是其頻譜表示，由相對(duì)于載波頻率的不同偏移頻率下1 Hz帶寬中包含的相對(duì)噪聲功率水平來(lái)描述。如果頻率變化發(fā)生在較長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)，我們通常會(huì)使用長(zhǎng)期穩(wěn)定性來(lái)描述，它是指由于溫度、負(fù)載條件、老化等各方面導(dǎo)致的輸出頻率漂移（通常用ppm表示）。
頻譜純度是器件選擇流程中要考慮的另一個(gè)重要特性。它由器件輸出頻譜中存在的雜散成分來(lái)描述，通常用相對(duì)于基頻水平表示的諧波水平和饋通分量來(lái)量化。
除了輸出信號(hào)的穩(wěn)定性和頻譜純度之外，開(kāi)關(guān)速度（也稱(chēng)為建立時(shí)間或鎖定時(shí)間）是又一個(gè)典型的權(quán)衡參數(shù)，選擇最優(yōu)頻率產(chǎn)生器方案時(shí)需要予以考慮。它描述器件從一個(gè)頻率切換到另一個(gè)頻率所需的時(shí)間，此要求可能會(huì)因最終應(yīng)用而有很大差異。
器件的主要類(lèi)型
上面定義了用于表征頻率產(chǎn)生器件的主要性能判據(jù)，現(xiàn)在我們簡(jiǎn)要說(shuō)明其主要類(lèi)型，這些類(lèi)型旨在提供與這些判據(jù)相關(guān)的不同特性組合。此概述最終應(yīng)作為選擇正確類(lèi)型器件以滿足目標(biāo)應(yīng)用需求的指南。
晶體(XTAL)振蕩器(XO)使用壓電諧振器（通常為石英）產(chǎn)生幾千赫茲至幾百兆赫茲的固定輸出頻率。有一種特殊類(lèi)型的XO，稱(chēng)為壓控晶體振蕩器(VCXO)，它允許改變頻率，但只能改變很小的量以支持微調(diào)。XO是具有極高Q因子（可超過(guò) 100,000）的機(jī)電換能器，可產(chǎn)生非常穩(wěn)定且相位噪聲非常低的輸出頻率。XO的最大輸出頻率和調(diào)諧能力有限，但是，當(dāng)需要為其他類(lèi)型的器件提供單一精確參考以獲得更高頻率時(shí)，它是出色的選擇。
壓控振蕩器(VCO) 是一種不同類(lèi)型的頻率產(chǎn)生器件，依賴于LC諧振電路。與晶體相比，電氣電路元件的Q因子要低得多（通常低1000倍），但它可以實(shí)現(xiàn)高得多的輸出頻率和寬調(diào)諧范圍。VCO產(chǎn)生的輸出信號(hào)頻率由外部輸入電壓控制。VCO的內(nèi)核可以使用不同的諧振電路。使用高Q諧振器的單核VCO可在有限頻率范圍內(nèi)提供低相位噪聲性能，而較低Q因子的振蕩器以寬帶操作為目標(biāo)，噪聲特性很一般。使用多個(gè)切換式高Q諧振器電路的多頻段VCO是一種折衷解決方案，既支持寬帶操作，又能提供低相位噪聲性能，但其代價(jià)是調(diào)諧速度較慢，因?yàn)榍袚Q不同的核需要時(shí)間。VCO是一種出色的全方位解決方案，但它一般不能提供穩(wěn)定的輸出信號(hào)，這就是為什么VCO經(jīng)常與鎖相環(huán)(PLL)配合使用以提高輸出頻率穩(wěn)定性的原因。1。
鎖相環(huán)(PLL) 或 PLL頻率合成器 可確保許多頻率合成和時(shí)鐘恢復(fù)應(yīng)用所需的VCO輸出頻率穩(wěn)定。如圖1a所示，PLL包含鑒相器，其將VCO頻率的N分頻與參考頻率進(jìn)行比較，并使用該差值輸出信號(hào)調(diào)節(jié)施加于VCO調(diào)諧線路的DC控制電壓。這使得任何頻率漂移都能得到即時(shí)校正，因而振蕩器能夠保持穩(wěn)定工作。典型的PLL IC包含誤差檢測(cè)器（帶電荷泵的鑒頻鑒相器或PFD）和反饋分頻器（參見(jiàn)圖1a中的虛線區(qū)域），另外還需要外部環(huán)路濾波器、精密參考頻率和VCO以構(gòu)成一個(gè)完整的反饋系統(tǒng)，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率。使用集成VCO的頻率合成器IC可以大大簡(jiǎn)化該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)1,2。
集成VCO的頻率合成器 將PLL和VCO組合在單個(gè)封裝中，只需要外部參考和環(huán)路濾波器就能實(shí)現(xiàn)所需的功能。集成式PLL頻率合成器是一種多功能解決方案，具有廣泛的數(shù)字控制設(shè)置，支持產(chǎn)生精確頻率。它常常包含集成功分器、倍頻器、分頻器和跟蹤濾波器，頻率覆蓋范圍超越了VCO的基頻范圍，達(dá)到數(shù)個(gè)倍頻程。所有這些元件的內(nèi)在參數(shù)決定了輸出頻率范圍、相位噪聲、抖動(dòng)、鎖定時(shí)間和其他表示頻率合成電路總體性能的特性1。
轉(zhuǎn)換環(huán)路 是基于PLL概念的另一類(lèi)頻率合成器，但采用不同的方法實(shí)現(xiàn)。如圖1b所示，其反饋環(huán)路中使用的是集成下變頻混頻級(jí)，而不是N分頻器，環(huán)路增益設(shè)置為1，帶內(nèi)相位噪聲極小。轉(zhuǎn)換環(huán)路IC（參見(jiàn)圖1b中的虛線區(qū)域）專(zhuān)為對(duì)抖動(dòng)高度敏感的應(yīng)用而設(shè)計(jì)，并與外部PFD和LO組合使用，以緊湊的尺寸實(shí)現(xiàn)完整的頻率合成解決方案，提供儀表級(jí)性能1。
直接數(shù)字頻率合成器(DDS) 是集成PLL頻率合成器的替代方案，采用不同的原理實(shí)現(xiàn)。基本DDS架構(gòu)的原理圖如圖1c所示。它是一種數(shù)字控制系統(tǒng)，包括表示時(shí)鐘信號(hào)的高精度參考頻率、創(chuàng)建目標(biāo)波形數(shù)字版本的數(shù)字控制振蕩器(NCO)以及提供最終模擬輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)。DDS IC提供非常快的開(kāi)關(guān)速度、精細(xì)的頻率和相位分辨率以及低輸出失真，因此特別適合于出色噪聲性能和高頻率捷變性至關(guān)重要的應(yīng)用1,3。
結(jié)論
頻率產(chǎn)生器件應(yīng)用廣泛，可實(shí)現(xiàn)各種功能，包括變頻、波形合成、信號(hào)調(diào)制和時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生。針對(duì)最終應(yīng)用施加的不同要求，需要設(shè)計(jì)不同類(lèi)型的頻率產(chǎn)生器件，本文簡(jiǎn)要說(shuō)明了這些器件的主要類(lèi)型。例如，通信系統(tǒng)需要低帶內(nèi)噪聲以維持低誤差矢量幅度(EVM)，頻譜分析儀依賴于具有快速鎖定時(shí)間的本振來(lái)實(shí)現(xiàn)快速頻率掃描，高速轉(zhuǎn)換器需要低抖動(dòng)時(shí)鐘以確保高SNR性能。
圖1.(a) PLL、(b) 轉(zhuǎn)換環(huán)路、(c) DDS的簡(jiǎn)化框圖
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參考資料
1 Anton Patyuchenko。 “RF 解密RF信號(hào)鏈—第2部分：基本構(gòu)建模塊”。《模擬對(duì)話》，第55卷第3期，2021年7月。
2 Ian Collins和David Mailloux。 “頻率合成技術(shù)的變革和發(fā)展：PLL/VCO技術(shù)如何提升性能、減小尺寸并簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)周期” 。ADI公司，2020年1月。
3 Jim Surber和Leo McHugh。 “單芯片直接數(shù)字頻率合成與模擬PLL”。《模擬對(duì)話》，第30卷第3期，1996年7月。
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