Anton Patyuchenko　　

了解頻率發(fā)生組件的性能特征對(duì)于確定目標(biāo)用例的正確解決方案至關(guān)重要。這是一個(gè)快速指南，旨在幫助RF系統(tǒng)工程師完成選擇過(guò)程。

關(guān)鍵績(jī)效標(biāo)準(zhǔn)

我們首先定義通常用于表征頻率發(fā)生組件性能的標(biāo)準(zhǔn)。我們通常開(kāi)始選擇過(guò)程的最基本的是輸出頻率范圍。有各種各樣的組件設(shè)計(jì)用于在整個(gè)頻譜上產(chǎn)生頻率，支持僅限于單個(gè)音調(diào)或跨越多個(gè)八度音程的范圍。然而，在根據(jù)輸出頻率選擇元件時(shí)，重要的是要考慮寬帶和高頻能力通常會(huì)犧牲其他基本特性，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)定性表示輸出信號(hào)的短期和長(zhǎng)期變化。短期穩(wěn)定性與遠(yuǎn)小于信號(hào)一個(gè)完整周期的變化有關(guān)。這些變化用相位抖動(dòng)和相位噪聲表示。相位抖動(dòng)定義了時(shí)域中信號(hào)相位的微小波動(dòng)，相位噪聲是其頻譜表示形式，由1 Hz帶寬中包含的相對(duì)噪聲功率電平在與載波頻率發(fā)生各種偏移時(shí)描述。如果頻率變化發(fā)生在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，我們通常談?wù)撻L(zhǎng)期穩(wěn)定性，它描述了由于溫度、負(fù)載條件和老化等各個(gè)方面而導(dǎo)致的輸出頻率漂移（通常以百萬(wàn)分之一或ppm表示）。

光譜純度是組件選擇過(guò)程中要考慮的另一個(gè)重要特征。它由器件輸出頻譜中存在的雜散成分描述，該雜散成分通常由相對(duì)于基頻電平表示的諧波和饋通分量的電平來(lái)量化。

除了輸出信號(hào)的穩(wěn)定性和頻譜純度外，開(kāi)關(guān)速度（也稱為建立時(shí)間或鎖定時(shí)間）是選擇最佳頻率生成解決方案時(shí)需要考慮的另一個(gè)典型權(quán)衡參數(shù)。它描述了組件從一個(gè)頻率切換到另一個(gè)頻率所需的時(shí)間，并且此要求可能在很大程度上因最終應(yīng)用而異。

組件的主要類(lèi)型

現(xiàn)在我們已經(jīng)定義了用于表征頻率發(fā)生組件的關(guān)鍵性能標(biāo)準(zhǔn)，讓我們簡(jiǎn)要概述一下它們的主要類(lèi)型，這些類(lèi)型旨在提供與這些標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的不同特性集。此概述最終應(yīng)作為選擇正確類(lèi)型設(shè)備的指南，該類(lèi)型應(yīng)滿足目標(biāo)應(yīng)用程序的需求。

晶體 （XTAL） 振蕩器 （XO） 是一種使用壓電諧振器（通常是石英）產(chǎn)生從幾千赫茲到幾百兆赫茲的固定輸出頻率的組件。一種稱為壓控晶體振蕩器（VCXO）的特殊類(lèi)型的XO允許改變頻率，但只能改變非常小的量來(lái)實(shí)現(xiàn)微調(diào)。XO是機(jī)電換能器，具有極高的Q因數(shù)，可超過(guò)100，000，從而產(chǎn)生非常穩(wěn)定的輸出頻率，其特點(diǎn)是相位噪聲非常低。XO的最大輸出頻率和調(diào)諧能力受到限制;然而，當(dāng)需要為其他類(lèi)型的組件提供單個(gè)精確參考以獲得更高的頻率時(shí)，它們是完美的選擇。

壓控振蕩器（VCO）是一種不同類(lèi)型的頻率發(fā)生組件，依賴于LC諧振電路。與晶體相比，電路元件的Q因數(shù)顯著降低（通常少1000倍）;但是，它們可實(shí)現(xiàn)更高的輸出頻率和寬調(diào)諧范圍。VCO產(chǎn)生輸出信號(hào)，其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在有限的頻率范圍內(nèi)提供低相位噪聲性能，而為較低Q因數(shù)設(shè)計(jì)的振蕩器則針對(duì)具有中等噪聲特性的寬帶操作。使用多個(gè)開(kāi)關(guān)高Q諧振器電路的多頻段VCO提供了一種折衷解決方案，可提供寬帶操作和低相位噪聲性能，但代價(jià)是調(diào)諧速度較慢，受在不同內(nèi)核之間切換所需時(shí)間的限制。VCO是一個(gè)很好的全方位解決方案，但它們通常不提供穩(wěn)定的輸出信號(hào)，這就是為什么VCO經(jīng)常與鎖相環(huán)（PLL）結(jié)合使用以提高輸出頻率穩(wěn)定性的原因。

鎖相環(huán)（PLL）或PLL頻率合成器是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)定性的電路。如圖1a所示，PLL集成了一個(gè)鑒相器，該鑒相器將VCO頻率的N分頻版本與參考頻率進(jìn)行比較，并使用該差分輸出信號(hào)來(lái)調(diào)整施加到VCO調(diào)諧線的直流控制電壓。這允許對(duì)任何頻率漂移進(jìn)行瞬時(shí)校正，從而保持振蕩器的穩(wěn)定運(yùn)行。典型的PLL芯片包括一個(gè)誤差檢測(cè)器（帶電荷泵的鑒頻鑒相器或PFD）和一個(gè)反饋分頻器（參見(jiàn)圖1a中的虛線區(qū)域），它仍然需要一個(gè)額外的外部環(huán)路濾波器、一個(gè)精確的基準(zhǔn)頻率和一個(gè)VCO，以形成一個(gè)完整的反饋系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的頻率生成。通過(guò)使用具有集成VCO的合成器IC，可以大大簡(jiǎn)化該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

集成VCO的頻率合成器將PLL和VCO集成在單個(gè)封裝中，僅需一個(gè)外部基準(zhǔn)和一個(gè)環(huán)路濾波器即可實(shí)現(xiàn)所需的功能。集成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，可實(shí)現(xiàn)精確的頻率生成。它通?？赡馨晒β史峙淦鳌⒈额l器、分頻器和跟蹤濾波器，以允許在集成VCO的基本范圍之外實(shí)現(xiàn)多達(dá)幾個(gè)倍頻程的頻率覆蓋范圍。所有這些元件的固有參數(shù)決定了輸出頻率范圍、相位噪聲、抖動(dòng)、鎖定時(shí)間以及代表頻率合成器電路整體性能的其他特性。

轉(zhuǎn)換環(huán)路是基于PLL概念的另一種頻率合成器解決方案，但使用不同的方法實(shí)現(xiàn)。如圖1b所示，它在反饋環(huán)路中使用集成下變頻混頻級(jí)而不是N分壓器，將環(huán)路增益設(shè)置為1，并將帶內(nèi)相位噪聲降至最低。轉(zhuǎn)換環(huán)路IC（參見(jiàn)圖1b中的虛線區(qū)域）專(zhuān)為高抖動(dòng)敏感型應(yīng)用而設(shè)計(jì)，與外部PFD和LO結(jié)合使用，可實(shí)現(xiàn)完整的頻率合成解決方案，以緊湊的外形尺寸提供儀器級(jí)性能。

直接數(shù)字頻率合成器（DDS）是使用不同概念實(shí)現(xiàn)的集成PLL頻率合成器的替代方案?；綝DS架構(gòu)如圖1c所示。它是一個(gè)數(shù)字控制系統(tǒng)，包括一個(gè)代表時(shí)鐘信號(hào)的高精度參考頻率、一個(gè)創(chuàng)建目標(biāo)波形數(shù)字版本的數(shù)控振蕩器 （NCO） 和一個(gè)提供最終模擬輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC）。DDS IC具有快速開(kāi)關(guān)速度、頻率和相位微調(diào)分辨率以及低輸出失真等特點(diǎn)，是卓越噪聲性能和高頻捷變性至關(guān)重要的應(yīng)用的理想解決方案。

結(jié)論

頻率發(fā)生組件廣泛用于各種應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)各種功能，包括頻率轉(zhuǎn)換、波形合成、信號(hào)調(diào)制和時(shí)鐘信號(hào)生成。本文簡(jiǎn)要概述了這些組件的主要類(lèi)型，旨在滿足最終應(yīng)用施加的不同要求。例如，通信系統(tǒng)需要低帶內(nèi)噪聲以保持低誤差矢量幅度（EVM），頻譜分析儀依靠具有快速鎖定時(shí)間的本地振蕩器來(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)鐘來(lái)確保高SNR性能。

圖1.（a） PLL、（b） 轉(zhuǎn)換回路和 （c） DDS 的簡(jiǎn)化框圖。

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審核編輯：郭婷