獲得高頻輸出的方法（第一部：鎖相環(huán)電路）

鎖相環(huán)電路概略與愛普生產(chǎn)品陣容

【序文】

近年，伴隨影像傳輸?shù)绕占埃歉删W(wǎng)中流過的通信量有增無減，通信的高速、大容量化進(jìn)展迅速。在這種情況下，高速化通信基礎(chǔ)設(shè)施對高頻且輸出信號穩(wěn)定的基準(zhǔn)信號源的需求十分強(qiáng)烈。

通常，從 MHz 頻帶的 AT 型石英晶體獲得高頻振蕩時(shí)需要將石英片加工得很薄（理由是 AT 型石英晶體的頻率因其厚度而定），這造成在加工方法、機(jī)械性強(qiáng)度和容易起振等方面存在局限。雖然將受加工精度的影響，但石英晶體以基波起振高頻時(shí)的上限一般為 60MHz 左右。因此，本公司把 60MHz 以上定為高頻領(lǐng)域。穩(wěn)定輸出高頻基準(zhǔn)信號并不簡單，愛普生擁有四種方法（技術(shù)）實(shí)現(xiàn)高頻領(lǐng)域：第一種方法是使用有較易處理的 20MHz 頻帶起振頻率的AT 型石英晶體單元，利用倍頻電路或鎖相環(huán)（PLL）電路輸出穩(wěn)定的高頻基準(zhǔn)信號；第二種方法是使用表面聲波SAW 諧振器輸出高頻基準(zhǔn)信號，表面聲波 SAW 諧振器利用彈性表面聲波（SAW/Surface Acoustic Wave）以基波直接起振高頻；第三種方法是應(yīng)用愛普生所持有的 QMEMS 技術(shù)，制造出僅將振動部分加工變薄的反向臺型 AT 型石英晶體單元，以此產(chǎn)生穩(wěn)定的高頻基準(zhǔn)信號；第四種方法是使用 AT 型石英晶體單元的高頻振動的振動模式（諧波）輸出穩(wěn)定的高頻基準(zhǔn)信號。本次就第一種方法、即倍頻電路（這里所稱的倍頻電路是指抽出高次諧波的模擬倍頻）和鎖相環(huán)電路的概略進(jìn)行解說。

【1】輸出 n 倍高頻的倍頻電路

倍頻電路是指把某一頻率的電氣信號轉(zhuǎn)換為 n 倍高頻的電路。一般的振蕩電路輸出信號具有一定的 Tr、Tf、Voh和 Vol 時(shí)，其波形中將包含高諧波成份。倍頻電路利用這些高諧波產(chǎn)生有意加強(qiáng)了 n 次成份的信號，并用濾波器抽出 n 次成份。由于使用高諧波，因此可以獲得抖動小于鎖相環(huán)電路的輸出頻率。然而，若欲只抽出 n 次高諧波，則要求在選擇石英晶體單元和設(shè)計(jì)起振電路時(shí)加以注意。例如需要使用頻帶窄、高衰減的帶通濾波器（BPF），把n/2 次以下的分諧波衰減掉，以便抑制抖動；還要使輸入信號在 n 次高諧波附近不帶噪音（失真）等。因此，為了得到高頻，產(chǎn)品中大多使用鎖相環(huán)電路。在下一章中，我們將說明鎖相環(huán)電路。

【2】鎖相環(huán)電路

這里說明產(chǎn)生穩(wěn)定高頻的另一項(xiàng)技術(shù)――鎖相環(huán)電路。

伴隨搭載無線通信儀器的設(shè)備的普及，用于無線通信的半導(dǎo)體集成電路技術(shù)有了飛躍性的進(jìn)展。其中，鎖相環(huán)電路技術(shù)的進(jìn)步尤為突出。鎖相環(huán)電路產(chǎn)生與輸入的基準(zhǔn)信號相同步的輸出信號。該電路的基本組成是鑒相器、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器（VCO）。它將正確地產(chǎn)生與輸入信號相同步的信號。與倍頻電路不同的是，鎖相環(huán)電路不直接使用輸入信號制作輸出信號。在鎖相環(huán)電路中，由壓控振蕩器（VCO）產(chǎn)生與輸入信號相同頻率的同步信號。

在鎖相環(huán)電路的壓控振蕩器輸出和鑒相器的輸入之間連接分頻器，通過使輸入信號與分頻后的信號相同步，從而將壓控振蕩器的輸出頻率控制在分頻倍數(shù)的頻率。使用石英晶體振蕩器等能夠產(chǎn)生穩(wěn)定頻率，并轉(zhuǎn)換分頻器的分頻數(shù)，就能使壓控振蕩器的輸出達(dá)到石英晶體振蕩器同等精度且等于分頻倍數(shù)頻率的信號。這就是頻率合成器的原理。

應(yīng)用該原理，把 AT 型石英晶體單元輸出的 MHz 頻帶頻率輸入到鎖相環(huán)頻率合成器，就能夠產(chǎn)生用于無線通信的 GHz 頻帶載波信號。

使用鎖相環(huán)頻率合成器獲得大于輸入頻率幾倍的頻率時(shí)，分頻器的使用方法是關(guān)鍵。獲得輸入頻率的 N 倍輸出的電路結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。為了對輸出頻率進(jìn)行精密設(shè)定，還可以如圖 2 所示，在鎖相環(huán)頻率合成器的輸入前及輸出后設(shè)置分頻電路。

為了提高鎖相環(huán)頻率合成器的頻率設(shè)定分辨率，通常把分頻器直接連接在石英晶體振蕩單元之后。但是，若為了提高頻率設(shè)定分辨率而取較大的分頻數(shù)，則將造成用于比較相位的頻率變小，引發(fā)鎖相環(huán)響應(yīng)慢、環(huán)路增益下降的情況，并對輸出波形的抖動和相位噪音特性造成不良影響。為解決上述問題，也可使用小數(shù)分頻鎖相環(huán)。

【3】整數(shù)分頻鎖相環(huán)與小數(shù)分頻鎖相環(huán)的特征

鎖相環(huán)電路可分為整數(shù)分頻和小數(shù)分頻的兩大類。雙方均利用波源輸出高頻，在此說明大特征。

整數(shù)分頻鎖相環(huán)可以名副其實(shí)地產(chǎn)生輸入頻率整數(shù)倍的輸出頻率。例如，希望從 1MHz 的波源獲得 100MHz 的輸出時(shí)，分頻器的計(jì)數(shù)器設(shè)定值為 100。

與此相對，小數(shù)分頻鎖相環(huán)可以產(chǎn)生輸入頻率小數(shù)倍的輸出頻率。這事實(shí)上意味著可以任意選擇頻率，即能夠獲得微小的頻率設(shè)定分辨率。它可以獲得微小的頻率分辨率，發(fā)揮這個(gè)特征可以對初始頻率公差進(jìn)行精密控制。

然而，與上述優(yōu)點(diǎn)相反，小數(shù)分頻的電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，集成電路面積也比整數(shù)分頻大，因此容易產(chǎn)生特有的失真，致使小數(shù)分頻的相位噪音與整數(shù)分頻相比較差。隨著近幾年技術(shù)的發(fā)展，小數(shù)分頻鎖相環(huán)的缺點(diǎn)被不斷改進(jìn)，失真逐漸減少。

【4】愛普生的產(chǎn)品陣容與特征

以上說明了為獲得高頻輸出而采用的鎖相環(huán)電路。鎖相環(huán)電路的最大特征是能夠獲得任意的頻率，即可以獲得包括高頻在內(nèi)的所需頻率。

愛普生 SG-8000 系列采用先前介紹的整數(shù)分頻鎖相環(huán)電路，為用戶準(zhǔn)備了尺寸及形狀極為豐富的產(chǎn)品陣容(表 1)。我們還為用戶準(zhǔn)備了 SG-8000 系列的編程工具――ROM Writer(SG-Writer II)，用于寫入頻率（表 2）。

SG-8000系列使用AT型石英晶體單元。AT型石英晶體單元具有呈三次曲線的溫度特性，能夠保持一定的溫度穩(wěn)定度。因此，SG-8000系列在常溫條件下不需要溫度補(bǔ)償電路就能夠?qū)崿F(xiàn)針對溫度變化而相對穩(wěn)定的溫度特性，即不出現(xiàn)頻率間斷性跳動的情況。溫度特性呈線形的全硅MEMS等振蕩器需要使用溫度補(bǔ)償電路使溫度保持穩(wěn)定，導(dǎo)致有可能出現(xiàn)頻率的間斷性跳動。

這些石英晶體所具有的高精度特性以及通過鎖相環(huán)電路技術(shù)而實(shí)現(xiàn)的可獲得任意頻率的方便性，希望能夠得到多方惠顧。

最后說明上述獲得高頻輸出的倍頻和鎖相環(huán)電路的注意之處。

倍頻電路：應(yīng)注意分諧波混入電路以及因 n/2 以下成份而引起的抖動。

鎖相環(huán)電路：應(yīng)注意環(huán)路頻帶，在鎖相環(huán)電路之后串聯(lián)其它鎖相環(huán)電路時(shí)應(yīng)注意抖動增幅和跟蹤。

表 1：程控石英晶體振蕩器的產(chǎn)品陣容

表 2：SG-8000 系列用編程工具