【導讀】了解頻率產生器件的性能特征對於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係統工程師熟悉整個選擇流程。

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於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係統工程師熟悉整個選擇流程。

主要性能判據

我(wo)們(men)首(shou)先(xian)定(ding)義(yi)表(biao)征(zheng)頻(pin)率(lv)產(chan)生(sheng)器(qi)件(jian)性(xing)能(neng)通(tong)常(chang)使(shi)用(yong)的(de)判(pan)據(ju)。選(xuan)擇(ze)流(liu)程(cheng)一(yi)般(ban)從(cong)最(zui)基(ji)本(ben)的(de)判(pan)據(ju)開(kai)始(shi)，那(na)就(jiu)是(shi)輸(shu)出(chu)頻(pin)率(lv)範(fan)圍(wei)。為(wei)了(le)生(sheng)成(cheng)整(zheng)個(ge)頻(pin)譜(pu)範(fan)圍(wei)內(nei)的(de)頻(pin)率(lv)
，人(ren)們(men)設(she)計(ji)了(le)各(ge)種(zhong)各(ge)樣(yang)的(de)器(qi)件(jian)，支(zhi)持(chi)從(cong)單(dan)音(yin)到(dao)跨(kua)越(yue)多(duo)個(ge)倍(bei)頻(pin)程(cheng)的(de)頻(pin)率(lv)。然(ran)而(er)，當(dang)根(gen)據(ju)輸(shu)出(chu)頻(pin)率(lv)選(xuan)擇(ze)器(qi)件(jian)時(shi)，必(bi)須(xu)注(zhu)意(yi)到(dao)，寬(kuan)帶(dai)和(he)高(gao)頻(pin)能(neng)力(li)常(chang)被(bei)用(yong)來(lai)交(jiao)換(huan)其(qi)他(ta)基(ji)本(ben)特(te)性(xing)，包(bao)括(kuo)頻(pin)率(lv)穩(wen)定(ding)性(xing)、輸出頻譜純度和開關速度。

頻(pin)率(lv)穩(wen)定(ding)性(xing)代(dai)表(biao)輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)的(de)短(duan)期(qi)和(he)長(chang)期(qi)變(bian)化(hua)。短(duan)期(qi)穩(wen)定(ding)性(xing)與(yu)遠(yuan)小(xiao)於(yu)一(yi)個(ge)完(wan)整(zheng)信(xin)號(hao)周(zhou)期(qi)的(de)變(bian)化(hua)有(you)關(guan)。這(zhe)些(xie)變(bian)化(hua)以(yi)相(xiang)位(wei)抖(dou)動(dong)和(he)相(xiang)位(wei)噪(zao)聲(sheng)表(biao)示(shi)。相(xiang)位(wei)抖(dou)動(dong)定(ding)義(yi)時(shi)域(yu)中(zhong)信(xin)號(hao)相(xiang)位(wei)的(de)微(wei)小(xiao)波(bo)動(dong)，相(xiang)位(wei)噪(zao)聲(sheng)是(shi)其(qi)頻(pin)譜(pu)表(biao)示(shi)，由(you)相(xiang)對(dui)於(yu)載(zai)波(bo)頻(pin)率(lv)的(de)不(bu)同(tong)偏(pian)移(yi)頻(pin)率(lv)下(xia)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
，它是指由於溫度
、負載條件
、老化等各方麵導致的輸出頻率漂移（通常用ppm表示）。

頻(pin)譜(pu)純(chun)度(du)是(shi)器(qi)件(jian)選(xuan)擇(ze)流(liu)程(cheng)中(zhong)要(yao)考(kao)慮(lv)的(de)另(ling)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)特(te)性(xing)。它(ta)由(you)器(qi)件(jian)輸(shu)出(chu)頻(pin)譜(pu)中(zhong)存(cun)在(zai)的(de)雜(za)散(san)成(cheng)分(fen)來(lai)描(miao)述(shu)，通(tong)常(chang)用(yong)相(xiang)對(dui)於(yu)基(ji)頻(pin)水(shui)平(ping)表(biao)示(shi)的(de)諧(xie)波(bo)水(shui)平(ping)和(he)饋(kui)通(tong)分(fen)量(liang)來(lai)量(liang)化(hua)。

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(shi)又(you)一(yi)個(ge)典(dian)型(xing)的(de)權(quan)衡(heng)參(can)數(shu)，選(xuan)擇(ze)最(zui)優(you)頻(pin)率(lv)產(chan)生(sheng)器(qi)方(fang)案(an)時(shi)需(xu)要(yao)予(yu)以(yi)考(kao)慮(lv)。它(ta)描(miao)述(shu)器(qi)件(jian)從(cong)一(yi)個(ge)頻(pin)率(lv)切(qie)換(huan)到(dao)另(ling)一(yi)個(ge)頻(pin)率(lv)所(suo)需(xu)的(de)時(shi)間(jian)，此(ci)要(yao)求(qiu)可(ke)能(neng)會(hui)因(yin)最(zui)終(zhong)應(ying)用(yong)而(er)有(you)很(hen)大(da)差(cha)異(yi)。

器件的主要類型

上shang麵mian定ding義yi了le用yong於yu表biao征zheng頻pin率lv產chan生sheng器qi件jian的de主zhu要yao性xing能neng判pan據ju，現xian在zai我wo們men簡jian要yao說shuo明ming其qi主zhu要yao類lei型xing
，這zhe些xie類lei型xing旨zhi在zai提ti供gong與yu這zhe些xie判pan據ju相xiang關guan的de不bu同tong特te性xing組zu合he。此ci概gai述shu最zui終zhong應ying作zuo為wei選xuan擇ze正zheng確que類lei型xing器qi件jian以yi滿man足zu目mu標biao應ying用yong需xu求qiu的de指zhi南nan。

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，但隻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，依賴於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範圍。VCO產生的輸出信號頻率由外部輸入電壓控製。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可在有限頻率範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，這就是為什麼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鍾恢複應用所需的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
，並使用該差值輸出信號調節施加於VCO調諧線路的DC控製電壓。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係統，從而產生穩定的頻率。使用集成VCO的頻率合成器IC可以大大簡化該係統的實現1,2。

集成VCO的頻率合成器 將PLL和VCO組合在單個封裝中
，隻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，具有廣泛的數字控製設置

，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
，頻率覆蓋範圍超越了VCO的基頻範圍，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範圍、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 是基於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，並與外部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。它是一種數字控製係統，包括表示時鍾信號的高精度參考頻率、創建目標波形數字版本的數字控製振蕩器(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
，因此特別適合於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xin號hao調tiao製zhi和he時shi鍾zhong信xin號hao產chan生sheng。針zhen對dui最zui終zhong應ying用yong施shi加jia的de不bu同tong要yao求qiu，需xu要yao設she計ji不bu同tong類lei型xing的de頻pin率lv產chan生sheng器qi件jian，本ben文wen簡jian要yao說shuo明ming了le這zhe些xie器qi件jian的de主zhu要yao類lei型xing。例li如ru，通tong信xin係xi統tong需xu要yao低di帶dai內nei噪zao聲sheng以yi維wei持chi低di誤wu差cha矢shi量liang幅fu度du(EVM)，頻譜分析儀依賴於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鍾以確保高SNR性能。

圖1.(a) PLL、(b) 轉換環路、(c) DDS的簡化框圖

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，可滿足廣泛RF應用——從通信和工業係統一直到測試測量設備和航空航天係統——的最苛刻要求。

參考資料

1 Anton Patyuchenko。 “RF 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
、減小尺寸並簡化設計周期” 。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。

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