如何轻松选择合适的频率发生组件

Anton Patyuchenko　　

了解频率发生组件的性能特征对于确定目标用例的正确解决方案至关重要。这是一个快速指南，旨在帮助RF系统工程师完成选择过程。

关键绩效标准

我们首先定义通常用于表征频率发生组件性能的标准。我们通常开始选择过程的最基本的是输出频率范围。有各种各样的组件设计用于在整个频谱上产生频率，支持仅限于单个音调或跨越多个八度音程的范围。然而，在根据输出频率选择元件时，重要的是要考虑宽带和高频能力通常会牺牲其他基本特性，包括频率稳定性、输出频谱纯度和开关速度。

频率稳定性表示输出信号的短期和长期变化。短期稳定性与远小于信号一个完整周期的变化有关。这些变化用相位抖动和相位噪声表示。相位抖动定义了时域中信号相位的微小波动，相位噪声是其频谱表示形式，由1 Hz带宽中包含的相对噪声功率电平在与载波频率发生各种偏移时描述。如果频率变化发生在较长时间内，我们通常谈论长期稳定性，它描述了由于温度、负载条件和老化等各个方面而导致的输出频率漂移（通常以百万分之一或ppm表示）。

光谱纯度是组件选择过程中要考虑的另一个重要特征。它由器件输出频谱中存在的杂散成分描述，该杂散成分通常由相对于基频电平表示的谐波和馈通分量的电平来量化。

除了输出信号的稳定性和频谱纯度外，开关速度（也称为建立时间或锁定时间）是选择最佳频率生成解决方案时需要考虑的另一个典型权衡参数。它描述了组件从一个频率切换到另一个频率所需的时间，并且此要求可能在很大程度上因最终应用而异。

组件的主要类型

现在我们已经定义了用于表征频率发生组件的关键性能标准，让我们简要概述一下它们的主要类型，这些类型旨在提供与这些标准相关的不同特性集。此概述最终应作为选择正确类型设备的指南，该类型应满足目标应用程序的需求。

晶体 （XTAL） 振荡器 （XO） 是一种使用压电谐振器（通常是石英）产生从几千赫兹到几百兆赫兹的固定输出频率的组件。一种称为压控晶体振荡器（VCXO）的特殊类型的XO允许改变频率，但只能改变非常小的量来实现微调。XO是机电换能器，具有极高的Q因数，可超过100，000，从而产生非常稳定的输出频率，其特点是相位噪声非常低。XO的最大输出频率和调谐能力受到限制;然而，当需要为其他类型的组件提供单个精确参考以获得更高的频率时，它们是完美的选择。

压控振荡器（VCO）是一种不同类型的频率发生组件，依赖于LC谐振电路。与晶体相比，电路元件的Q因数显着降低（通常少1000倍）;但是，它们可实现更高的输出频率和宽调谐范围。VCO产生输出信号，其频率由外部输入电压控制。VCO的内核可以使用不同的谐振电路。使用高Q谐振器的单核VCO在有限的频率范围内提供低相位噪声性能，而为较低Q因数设计的振荡器则针对具有中等噪声特性的宽带操作。使用多个开关高Q谐振器电路的多频段VCO提供了一种折衷解决方案，可提供宽带操作和低相位噪声性能，但代价是调谐速度较慢，受在不同内核之间切换所需时间的限制。VCO是一个很好的全方位解决方案，但它们通常不提供稳定的输出信号，这就是为什么VCO经常与锁相环（PLL）结合使用以提高输出频率稳定性的原因。

锁相环（PLL）或PLL频率合成器是确保许多频率合成和时钟恢复应用所需的VCO输出频率稳定性的电路。如图1a所示，PLL集成了一个鉴相器，该鉴相器将VCO频率的N分频版本与参考频率进行比较，并使用该差分输出信号来调整施加到VCO调谐线的直流控制电压。这允许对任何频率漂移进行瞬时校正，从而保持振荡器的稳定运行。典型的PLL芯片包括一个误差检测器（带电荷泵的鉴频鉴相器或PFD）和一个反馈分频器（参见图1a中的虚线区域），它仍然需要一个额外的外部环路滤波器、一个精确的基准频率和一个VCO，以形成一个完整的反馈系统，以实现稳定的频率生成。通过使用具有集成VCO的合成器IC，可以大大简化该系统的实现。

集成VCO的频率合成器将PLL和VCO集成在单个封装中，仅需一个外部基准和一个环路滤波器即可实现所需的功能。集成PLL频率合成器是一种多功能解决方案，具有广泛的数字控制设置，可实现精确的频率生成。它通常可能包括集成功率分配器、倍频器、分频器和跟踪滤波器，以允许在集成VCO的基本范围之外实现多达几个倍频程的频率覆盖范围。所有这些元件的固有参数决定了输出频率范围、相位噪声、抖动、锁定时间以及代表频率合成器电路整体性能的其他特性。

转换环路是基于PLL概念的另一种频率合成器解决方案，但使用不同的方法实现。如图1b所示，它在反馈环路中使用集成下变频混频级而不是N分压器，将环路增益设置为1，并将带内相位噪声降至最低。转换环路IC（参见图1b中的虚线区域）专为高抖动敏感型应用而设计，与外部PFD和LO结合使用，可实现完整的频率合成解决方案，以紧凑的外形尺寸提供仪器级性能。

直接数字频率合成器（DDS）是使用不同概念实现的集成PLL频率合成器的替代方案。基本DDS架构如图1c所示。它是一个数字控制系统，包括一个代表时钟信号的高精度参考频率、一个创建目标波形数字版本的数控振荡器 （NCO） 和一个提供最终模拟输出的数模转换器 （DAC）。DDS IC具有快速开关速度、频率和相位微调分辨率以及低输出失真等特点，是卓越噪声性能和高频捷变性至关重要的应用的理想解决方案。

结论

频率发生组件广泛用于各种应用，实现各种功能，包括频率转换、波形合成、信号调制和时钟信号生成。本文简要概述了这些组件的主要类型，旨在满足最终应用施加的不同要求。例如，通信系统需要低带内噪声以保持低误差矢量幅度（EVM），频谱分析仪依靠具有快速锁定时间的本地振荡器来实现快速频率扫描，高速转换器需要低抖动时钟来确保高SNR性能。

图1.（a） PLL、（b） 转换回路和 （c） DDS 的简化框图。

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审核编辑：郭婷