广告

如何轻松选择合适的频率产生器件

2022-02-23 12:03:29 Anton Patyuchenko,ADI现场应用工程师 阅读:
何种频率产生器件适合我的应用?了解频率产生器件的性能特征对于为目标使用场景确定正确的解决方案至关重要。这是一个快速指南,旨在帮助RF系统工程师熟悉整个选择流程。

问题:

何种频率产生器件适合我的应用?EXXednc

EXXednc

答案:

了解频率产生器件的性能特征对于为目标使用场景确定正确的解决方案至关重要。这是一个快速指南,旨在帮助RF系统工程师熟悉整个选择流程。EXXednc

主要性能判据

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。EXXednc

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)。EXXednc

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。EXXednc

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。EXXednc

器件的主要类型

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。EXXednc

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。EXXednc

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1EXXednc

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1,2EXXednc

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1EXXednc

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1EXXednc

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1,3EXXednc

结论

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。EXXednc

EXXednc

1.(a) PLL(b) 转换环路、(c) DDS的简化框图EXXednc

ADI公司提供非常丰富的RF集成电路产品组合,支持信号链中的几乎所有功能模块。ADI产品提供一流的性能,可满足广泛RF应用——从通信和工业系统一直到测试测量设备和航空航天系统——的最苛刻要求。EXXednc

参考资料

1 Anton Patyuchenko. “RF Signal Chain Discourse—Part 2: Essential Building Blocks.” Analog Dialogue, Vol. 55, No. 3, July 2021.EXXednc

2 Ian Collins and David Mailloux. “Revolution and Evolution in Frequency Synthesis: How PLL/VCO Technology Has Increased Performance, Decreased Size, and Simplified Design Cycle.” Analog Devices, Inc., January 2020.EXXednc

3 Jim Surber and Leo McHugh. “Single-Chip Direct Digital Synthesis vs. the Analog PLL.” Analog Dialogue, Vol. 30, No. 3, July 1996.EXXednc

作者简介

Anton Patyuchenko于2007年获得慕尼黑技术大学微波工程硕士学位。毕业之后,Anton曾在德国航空航天中心(DLR)担任科学家。他于2015年加入ADI公司担任现场应用工程师,目前为ADI公司战略与重点客户提供现场应用支持,主要负责RF应用。联系方式:anton.patyuchenko@analog.comEXXednc

原文标题:How to Easily Select the Right Frequency Generation ComponentEXXednc

责编:Franklin
  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
  • 工程师更乐意在开发物联网中采用AI 根据Newark发表的最新调查报告,工程师更乐意在其设计中部署AI,以期改善产品并进而提升其系统的ROI...
  • 三星推出其最快的 GDDR6 内存!基于EUV 10nm 1z工艺 结合创新的电路设计和先进的绝缘材料,基于极紫外 (EUV) 技术的第三代 10 纳米级 (1z)1 工艺,三星的新内存将成为第一款速度高达 24Gbps 的 GDDR6。
  • 抢跑3nm制程竞赛,三星能否领先台积电? 藉由比台积电更早一点开始制造3nm芯片,是否有助于三星获得显著优势还有待观察,而这也将会是一件有趣的事...
  • 凭借智能制造掀起变革 汽车行业正在以前所未有的速度重新洗牌。技术进步正在重新定义交通运输行业,电子元器件和软件转变了发展风向,使其从传统机械转向复杂的可持续、可娱乐和可互联的移动出行。
  • 使用防火墙保护互联汽车的策略 对车辆网络安全的需求越发迫切,因为车辆系统面临着多方面的恶意威胁。白帽黑客已经证明他们可以远程侵入互联车辆的仪表板功能和变速箱。
  • 灵动微电子:MM32 MCU“星”平台,新生态 6月17日,在AspenCore举办的“全球MCU生态发展大会”上,灵动微电子应用开发总监金昭发表了“MM32 MCU‘星’平台,新生态”主题演讲。
  • 理工类专业的薪酬更高,前三名为机械工程、材料科学与工 高考刚结束,志愿填报成了考生及家长当下关注的焦点。某人力机构发布的《2022年大学生就业前景研判及高考志愿填报攻略》显示2021届应届大学生整体就业形势、不同院校及专业毕业后的薪酬情况,数据显示双一流院校毕业生具备更强的就业竞争力,首份工作月薪上也领跑。
  • 成本不到一毛钱的塑料芯片,真的能量产吗? 现在研究人员设计了一种新的塑料处理器,他们估计能够以不到一便士(约合人民币0. 082元)的价格大规模生产。根据IEEE Spectrum 的一份报告,新的 Flexicore 芯片可以开启一个世界,从绷带到香蕉,一切都可以拥有芯片。
  • 数据显示,苹果M2 GPU性能比M1高50% Apple M2的第一个 CPU 和 GPU 基准测试已经发布,数据显示,M2芯片单核和多核跑分比M1芯片有所提升,而GPU方面M2芯片优势更加明显。
  • Microchip CEO Steve Sanghi:“领导者应独出心裁” 我能给出的主要建议是,领导者应独出心裁。领导者在领导他人看问题和做事情时应与众不同,并应能变不可能为可能。我们要勇于挑战自己,多和有能力的人相处。还要为员工下放更多的权力,以便促进他们释放出自己的全部潜力。
  • 拆解前苏联VFD时钟“Elektronika 6.15M”,附原理图! 本文将会展示一款带有闹钟的“Elektronika 6.15M”(Электроника 6.15M)旧时钟的内部,它于20世纪80年代在苏联生产。此处显示的型号与Elektronika 6.15和6.14-03基本相同,不同之处在于它的背面有按钮。下文将会分析它是基于哪些系统实现的,并且也会给出其原理图。
  • 三菱电机开发出世界首个集空间光通信和空间采集于一体 高分辨率卫星图像用于评估灾害造成的损失,但由于此类图像是通过无线电波传输的,受数据容量和卫星天线尺寸的限制,很难实时传输高分辨率图像。因此,需要不需要光纤的大容量、高速空间光通信来支持灾难后快速准确的损害评估。但空间光通信使用非常窄的激光束,约为无线电波的 1/1000,因此挑战在于如何将激光束与高速运行的卫星精确对准。
广告
热门推荐
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
面包芯语
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了