如何选择合适的频率产生器件？

我们首先定义表征频率产生器件性能通常使用的判据。选择流程一般从最基本的判据开始，那就是输出频率范围。为了生成整个频谱范围内的频率，人们设计了各种各样的器件，支持从单音到跨越多个倍频程的频率。然而，当根据输出频率选择器件时，必须注意到，宽带和高频能力常被用来交换其他基本特性，包括频率稳定性、输出频谱纯度和开关速度。

频率稳定性代表输出信号的短期和长期变化。短期稳定性与远小于一个完整信号周期的变化有关。这些变化以相位抖动和相位噪声表示。相位抖动定义时域中信号相位的微小波动，相位噪声是其频谱表示，由相对于载波频率的不同偏移频率下1 Hz带宽中包含的相对噪声功率水平来描述。如果频率变化发生在较长时间段内，我们通常会使用长期稳定性来描述，它是指由于温度、负载条件、老化等各方面导致的输出频率漂移（通常用ppm表示）。

频谱纯度是器件选择流程中要考虑的另一个重要特性。它由器件输出频谱中存在的杂散成分来描述，通常用相对于基频水平表示的谐波水平和馈通分量来量化。

除了输出信号的稳定性和频谱纯度之外，开关速度（也称为建立时间或锁定时间）是又一个典型的权衡参数，选择最优频率产生器方案时需要予以考虑。它描述器件从一个频率切换到另一个频率所需的时间，此要求可能会因最终应用而有很大差异。

上面定义了用于表征频率产生器件的主要性能判据，现在我们简要说明其主要类型，这些类型旨在提供与这些判据相关的不同特性组合。此概述最终应作为选择正确类型器件以满足目标应用需求的指南。

晶体(XTAL)振荡器(XO)使用压电谐振器（通常为石英）产生几千赫兹至几百兆赫兹的固定输出频率。有一种特殊类型的XO，称为压控晶体振荡器(VCXO)，它允许改变频率，但只能改变很小的量以支持微调。XO是具有极高Q因子（可超过100,000）的机电换能器，可产生非常稳定且相位噪声非常低的输出频率。XO的最大输出频率和调谐能力有限，但是，当需要为其他类型的器件提供单一精确参考以获得更高频率时，它是出色的选择。

压控振荡器(VCO)是一种不同类型的频率产生器件，依赖于LC谐振电路。与晶体相比，电气电路元件的Q因子要低得多（通常低1000倍），但它可以实现高得多的输出频率和宽调谐范围。VCO产生的输出信号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可在有限频率范围内提供低相位噪声性能，而较低Q因子的振荡器以宽带操作为目标，噪声特性很一般。使用多个切换式高Q谐振器电路的多频段VCO是一种折衷解决方案，既支持宽带操作，又能提供低相位噪声性能，但其代价是调谐速度较慢，因为切换不同的核需要时间。VCO是一种出色的全方位解决方案，但它一般不能提供稳定的输出信号，这就是为什么VCO经常与锁相环(PLL)配合使用以提高输出频率稳定性的原因。

锁相环(PLL) 或 PLL频率合成器可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。如图1a所示，PLL包含鉴相器，其将VCO频率的N分频与参考频率进行比较，并使用该差值输出信号调节施加于VCO调谐线路的DC控制电压。这使得任何频率漂移都能得到即时校正，因而振荡器能够保持稳定工作。典型的PLL IC包含误差检测器（带电荷泵的鉴频鉴相器或PFD）和反馈分频器（参见图1a中的虚线区域），另外还需要外部环路滤波器、精密参考频率和VCO以构成一个完整的反馈系统，从而产生稳定的频率。使用集成VCO的频率合成器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组合在单个封装中，只需要外部参考和环路滤波器就能实现所需的功能。集成式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，支持产生精确频率。它常常包含集成功分器、倍频器、分频器和跟踪滤波器，频率覆盖范围超越了VCO的基频范围，达到数个倍频程。所有这些元件的内在参数决定了输出频率范围、相位噪声、抖动、锁定时间和其他表示频率合成电路总体性能的特性。

转换环路是基于PLL概念的另一类频率合成器，但采用不同的方法实现。如图1b所示，其反馈环路中使用的是集成下变频混频级，而不是N分频器，环路增益设置为1，带内相位噪声极小。转换环路IC（参见图1b中的虚线区域）专为对抖动高度敏感的应用而设计，并与外部PFD和LO组合使用，以紧凑的尺寸实现完整的频率合成解决方案，提供仪表级性能。

直接数字频率合成器(DDS)是集成PLL频率合成器的替代方案，采用不同的原理实现。基本DDS架构的原理图如图1c所示。它是一种数字控制系统，包括表示时钟信号的高精度参考频率、创建目标波形数字版本的数字控制振荡器(NCO)以及提供最终模拟输出的数模转换器(DAC)。DDS IC提供非常快的开关速度、精细的频率和相位分辨率以及低输出失真，因此特别适合于出色噪声性能和高频率捷变性至关重要的应用。

频率产生器件应用广泛，可实现各种功能，包括变频、波形合成、信号调制和时钟信号产生。针对最终应用施加的不同要求，需要设计不同类型的频率产生器件，本文简要说明了这些器件的主要类型。例如，通信系统需要低带内噪声以维持低误差矢量幅度(EVM)，频谱分析仪依赖于具有快速锁定时间的本振来实现快速频率扫描，高速转换器需要低抖动时钟以确保高SNR性能。

图1.(a) PLL、(b) 转换环路、(c) DDS的简化框图