如何輕鬆選擇合適的頻率產生元件

作者:ADI 現場應用工程師Anton Patyuchenko


問題:

何種頻率產生元件適合我的應用?

RAQ Issue 196: How to Easily Select the Right Frequency Generation Component

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。這是一個快速指南,目的在協助RF系統工程師熟悉整個選擇流程。

主要性能判據

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,人們設計了各種各樣的元件,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。

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,現在我們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1000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1

鎖相迴路(PLL) 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1

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1

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1,3

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。

Figure 1. Simplified block diagrams of the (a) PLL, (b) translation loop, and (c) DDS.
圖1.(a) PLL、(b) 轉換迴路、(c) DDS的簡化框圖

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參考資料

1 Anton Patyuchenko。 「RF 解密RF訊號鏈—第2部分:基本建構模組」《類比對話》,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週期」 。ADI,2020年1月。

3 Jim Surber和Leo McHugh。 「單晶片直接數位頻率合成與類比PLL」《類比對話》,第30卷第3期,1996年7月。