作者：Anton Patyuchenko，ADI 現場應用工程師

問題：

何種頻率產生器件適合我的應用？

答案：

了解頻率產生器件的性能特征對于為目標使用場景確定正確的解決方案至關重要。這是一個快速指南，旨在幫助RF系統工程師熟悉整個選擇流程。

主要性能判據

我們首先定義表征頻率產生器件性能通常使用的判據。選擇流程一般從最基本的判據開始，那就是輸出頻率范圍。為了生成整個頻譜范圍內的頻率，人們設計了各種各樣的器件，支持從單音到跨越多個倍頻程的頻率。然而，當根據輸出頻率選擇器件時，必須注意到，寬帶和高頻能力常被用來交換其他基本特性，包括頻率穩定性、輸出頻譜純度和開關速度。

頻率穩定性代表輸出信號的短期和長期變化。短期穩定性與遠小于一個完整信號周期的變化有關。這些變化以相位抖動和相位噪聲表示。相位抖動定義時域中信號相位的微小波動，相位噪聲是其頻譜表示，由相對于載波頻率的不同偏移頻率下1 Hz帶寬中包含的相對噪聲功率水平來描述。如果頻率變化發生在較長時間段內，我們通常會使用長期穩定性來描述，它是指由于溫度、負載條件、老化等各方面導致的輸出頻率漂移（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重要特性。它由器件輸出頻譜中存在的雜散成分來描述，通常用相對于基頻水平表示的諧波水平和饋通分量來量化。

除了輸出信號的穩定性和頻譜純度之外，開關速度（也稱為建立時間或鎖定時間）是又一個典型的權衡參數，選擇最優頻率產生器方案時需要予以考慮。它描述器件從一個頻率切換到另一個頻率所需的時間，此要求可能會因最終應用而有很大差異。

器件的主要類型

上面定義了用于表征頻率產生器件的主要性能判據，現在我們簡要說明其主要類型，這些類型旨在提供與這些判據相關的不同特性組合。此概述最終應作為選擇正確類型器件以滿足目標應用需求的指南。

晶體(XTAL)振蕩器(XO)使用壓電諧振器（通常為石英）產生幾千赫茲至幾百兆赫茲的固定輸出頻率。有一種特殊類型的XO，稱為壓控晶體振蕩器(VCXO)，它允許改變頻率，但只能改變很小的量以支持微調。XO是具有極高Q因子（可超過 100,000）的機電換能器，可產生非常穩定且相位噪聲非常低的輸出頻率。XO的最大輸出頻率和調諧能力有限，但是，當需要為其他類型的器件提供單一精確參考以獲得更高頻率時，它是出色的選擇。

壓控振蕩器(VCO)是一種不同類型的頻率產生器件，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），但它可以實現高得多的輸出頻率和寬調諧范圍。VCO產生的輸出信號頻率由外部輸入電壓控制。VCO的內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，噪聲特性很一般。使用多個切換式高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，但其代價是調諧速度較慢，因為切換不同的核需要時間。VCO是一種出色的全方位解決方案，但它一般不能提供穩定的輸出信號，這就是為什么VCO經常與鎖相環(PLL)配合使用以提高輸出頻率穩定性的原因¹。

鎖相環(PLL)或PLL頻率合成器可確保許多頻率合成和時鐘恢復應用所需的VCO輸出頻率穩定。如圖1a所示，PLL包含鑒相器，其將VCO頻率的N分頻與參考頻率進行比較，并使用該差值輸出信號調節施加于VCO調諧線路的DC控制電壓。這使得任何頻率漂移都能得到即時校正，因而振蕩器能夠保持穩定工作。典型的PLL IC包含誤差檢測器（帶電荷泵的鑒頻鑒相器或PFD）和反饋分頻器（參見圖1a中的虛線區域），另外還需要外部環路濾波器、精密參考頻率和VCO以構成一個完整的反饋系統，從而產生穩定的頻率。使用集成VCO的頻率合成器IC可以大大簡化該系統的實現^1,2。

集成VCO的頻率合成器將PLL和VCO組合在單個封裝中，只需要外部參考和環路濾波器就能實現所需的功能。集成式PLL頻率合成器是一種多功能解決方案，具有廣泛的數字控制設置，支持產生精確頻率。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，達到數個倍頻程。所有這些元件的內在參數決定了輸出頻率范圍、相位噪聲、抖動、鎖定時間和其他表示頻率合成電路總體性能的特性¹。

轉換環路是基于PLL概念的另一類頻率合成器，但采用不同的方法實現。如圖1b所示，其反饋環路中使用的是集成下變頻混頻級，而不是N分頻器，環路增益設置為1，帶內相位噪聲極小。轉換環路IC（參見圖1b中的虛線區域）專為對抖動高度敏感的應用而設計，并與外部PFD和LO組合使用，以緊湊的尺寸實現完整的頻率合成解決方案，提供儀表級性能¹。

直接數字頻率合成器(DDS)是集成PLL頻率合成器的替代方案，采用不同的原理實現。基本DDS架構的原理圖如圖1c所示。它是一種數字控制系統，包括表示時鐘信號的高精度參考頻率、創建目標波形數字版本的數字控制振蕩器(NCO)以及提供最終模擬輸出的數模轉換器(DAC)。DDS IC提供非常快的開關速度、精細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重要的應用^1,3。

結論

頻率產生器件應用廣泛，可實現各種功能，包括變頻、波形合成、信號調制和時鐘信號產生。針對最終應用施加的不同要求，需要設計不同類型的頻率產生器件，本文簡要說明了這些器件的主要類型。例如，通信系統需要低帶內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間的本振來實現快速頻率掃描，高速轉換器需要低抖動時鐘以確保高SNR性能。

圖1.(a) PLL、(b) 轉換環路、(c) DDS的簡化框圖

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參考資料

¹     Anton Patyuchenko。“解密RF信號鏈—第2部分：基本構建模塊”。《模擬對話》，第55卷第3期，2021年7月。

²     Ian Collins和David Mailloux。“頻率合成技術的變革和發展：PLL/VCO技術如何提升性能、減小尺寸并簡化設計周期”。ADI公司，2020年1月。

³     Jim Surber和Leo McHugh。“單芯片直接數字頻率合成與模擬PLL”。《模擬對話》，第30卷第3期，1996年7月。

作者簡介

Anton Patyuchenko于2007年獲得慕尼黑技術大學微波工程碩士學位。畢業之后，Anton曾在德國航空航天中心(DLR)擔任科學家。他于2015年加入ADI公司擔任現場應用工程師，目前為ADI公司戰略與重點客戶提供現場應用支持，主要負責RF應用。