如何輕鬆選擇合適的頻率產生元件

作者 : Anton Patyuchenko，ADI 現場應用工程師

瞭解頻率產生元件的性能特徵，對於為目標使用場景確定正確的解決方案非常重要。本文提供一個快速指南，目的在協助RF系統工程師熟悉整個選擇流程。

問題：哪一種頻率產生元件適合我的應用？

答案：瞭解頻率產生元件的性能特徵，對於為目標使用場景確定正確的解決方案非常重要。本文提供一個快速指南，目的在協助RF系統工程師熟悉整個選擇流程。

我們首先定義表徵頻率產生元件性能通常使用的標準。選擇流程一般從最基本的標準開始，那就是「輸出頻率範圍」。為了產生整個頻譜範圍內的頻率，人們設計了各種元件，支援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元件時，必須注意到，寬頻和高頻能力常被用來交換其他基本特性，包括頻率穩定性、輸出頻譜純度和切換速度。

🏆EE創意挑戰賽：AIoT 熱烈報名中❗凡結合AIoT元素的軟硬體整合設計與創新應用，不限應用領域，號召志同道合的夥伴──⚙️機智生活創E未來⚙️

主要性能判斷標準

頻率穩定性代表輸出訊號的短期和長期變化。短期穩定性與遠小於一個完整訊號週期的變化有關。這些變化以相位抖動和相位雜訊表示。相位抖動定義時域中訊號相位的微小波動，相位雜訊是其頻譜表示，由相對於載波頻率的不同偏移頻率下1 Hz頻寬中包含的相對雜訊功率水準來描述。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、老化等各方面導致的輸出頻率漂移(通常用ppm表示)。

頻譜純度是元件選擇流程中要考慮的另一個重要特性。它由元件輸出頻譜中存在的雜散成分來描述，通常用相對於基頻水準表示的諧波水準和饋通分量來量化。

除了輸出訊號的穩定性和頻譜純度之外，切換速度(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。它描述元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。

元件的主要類型

上面定義了用於表徵頻率產生元件的主要性能標準，現在簡要說明其主要類型，這些類型目的在提供與這些標準相關的不同特性組合。此概述最終應作為選擇正確類型元件以滿足目標應用需求的指南。

晶體(XTAL)振盪器(XO)使用壓電諧振器(通常為石英)產生幾千Hz至幾百兆Hz固定輸出頻率。有一種特殊類型的XO，稱為壓控晶體振盪器(VCXO)，它允許改變頻率，但只能改變很小的量以支援微調。XO是具有極高Q因數(可超過 100,000)的機電換能器，可產生非常穩定且相位雜訊非常低的輸出頻率。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元件提供單一精準參考以獲得更高頻率時，它是出色的選擇。

壓控振盪器(VCO) 是一種不同類型的頻率產生元件，依賴於LC諧振電路。與晶體相比，電氣電路元件的Q因數要低得許多(通常低1,000倍)，但它可以實現高得更多的輸出頻率和寬調諧範圍。VCO產生的輸出訊號頻率由外部輸入電壓控制。VCO的核心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雜訊性能，而較低Q因數的振盪器以寬頻操作為目標，雜訊特性很一般。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，既支援寬頻操作，又能提供低相位雜訊性能，但其代價是調諧速度較慢，因為切換不同的核心需要時間。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訊號，這就是為什麼VCO經常與鎖相迴路(PLL)配合使用以提高輸出頻率穩定性的原因。

鎖相迴路(PLL) 或 PLL頻率合成器 可確保許多頻率合成和時脈恢復應用所需的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，並使用該差值輸出訊號調節施加於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，因而振盪器能夠保持穩定工作。典型的PLL IC包含誤差檢測器(具有電荷泵的鑒頻鑒相器或PFD)和回饋分頻器(參見圖1a中的虛線區域)，另外還需要外部迴路濾波器、精密參考頻率和VCO以構成一個完整的回饋系統，從而產生穩定的頻率。使用整合VCO的頻率合成器IC可以大幅簡化該系統的實現1,2。

整合VCO的頻率合成器 將PLL和VCO組合在單一封裝中，只需要外部參考和迴路濾波器就能實現所需的功能。整合式PLL頻率合成器是一種多功能解決方案，具有廣泛的數位控制設定，支援產生精準頻率。它常常包含整合功分器、倍頻器、分頻器和追蹤濾波器，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、相位雜訊、抖動、鎖定時間和其他表示頻率合成電路總體性能的特性。

轉換迴路 是基於PLL概念的另一類頻率合成器，但採用不同的方法實現。如圖1b所示，其回饋迴路中使用的是整合下變頻混頻級，而不是N分頻器，迴路增益設定為1，帶內相位雜訊極小。轉換迴路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，以精巧的尺寸實現完整的頻率合成解決方案，提供儀錶級性能。

直接數位頻率合成器(DDS) 是整合PLL頻率合成器的替代方案，採用不同的原理實現。基本DDS架構的原理圖如圖1c所示。它是一種數位控制系統，包括表示時脈訊號的高精度參考頻率、創建目標波形數位版本的數位控制振盪器(NCO)以及提供最終類比輸出的數位類比轉換器(DAC)。DDS IC提供非常快的切換速度、精細的頻率和相位解析度以及低輸出失真，因此特別適合於出色雜訊性能和高頻率捷變性非常重要的應用。

結論

頻率產生元件的應用相當廣泛，可實現各種功能，包括變頻、波形合成、訊號調變和時脈訊號產生。針對最終應用的不同要求，需要設計不同類型的頻率產生元件，本文簡要說明了這些元件的主要類型。例如，通訊系統需要低帶內雜訊以維持低誤差向量幅度(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脈以確保高SNR性能。