振蕩器與頻率合成器的基礎(chǔ)知識

振蕩器基礎(chǔ)知識

振蕩器為一種可在受激時(shí)產(chǎn)生可重復(fù)可預(yù)測頻率響應(yīng)的材料和結(jié)構(gòu)，并且是很多模擬、數(shù)字和射頻電路中的關(guān)鍵部件。某些類型的振蕩器由通過相互作用而產(chǎn)生振蕩的電氣元件組成，而另外一些振蕩器采用可在受激時(shí)生成諧振信號的材料。為了提高振蕩器針對長時(shí)間工作、溫度、材料及元件退化以及其他因素的電氣性能和穩(wěn)定性，某些類型的振蕩器還采用數(shù)字或模擬控制電路。

圖為藥物振蕩器

LC電路振蕩器

某些最早的振蕩器利用電感和電容電路產(chǎn)生諧振和振蕩信號。早期的無線電系統(tǒng)通過以旋鈕和開關(guān)調(diào)節(jié)電感值和電容值的方式，實(shí)現(xiàn)改變諧振特性的目的。此類系統(tǒng)通常比采用其他的技術(shù)的振蕩器體積更大，而且必須持續(xù)調(diào)諧，才能保持所需的振蕩性能。LC電路振蕩器已大部分被集成電路中的晶體振蕩器及其他電路類型振蕩器所取代。

同軸諧振振蕩器

同軸元件也可用于在與其本身的幾何結(jié)構(gòu)及腔體幾何結(jié)構(gòu)相符合的特定頻率下產(chǎn)生電感和電容特性。此類器件雖然因所需工作頻率而在小型化方面受到限制，但是其通常非常穩(wěn)定，而且可在數(shù)百兆赫茲至數(shù)千兆赫茲范圍內(nèi)提供優(yōu)異的相位噪聲性能。

晶體振蕩器

晶體振蕩器由在受到電激勵(lì)時(shí)產(chǎn)生諧振特性的晶體結(jié)構(gòu)組成。此類振蕩器通常非常穩(wěn)定，具有優(yōu)異的相位噪聲，而且可制成相對小巧的結(jié)構(gòu)。在具有更高要求的應(yīng)用中，晶體振蕩器通常集成至更為復(fù)雜的模擬或數(shù)字電路中，這些電路利用一個(gè)或多個(gè)振蕩器及環(huán)境控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更加可靠的性能，以對頻率和相位的經(jīng)時(shí)變化進(jìn)行限制。晶體振蕩器的振蕩頻率與晶體尺寸成正比，而且晶體振蕩器可制造成在數(shù)赫茲至千兆赫茲以上范圍內(nèi)產(chǎn)生諧振特性。

介質(zhì)諧振振蕩器（DRO）

介質(zhì)諧振振蕩器為一類利用介質(zhì)諧振器產(chǎn)生非常穩(wěn)定且顫噪效應(yīng)極低的高Q諧振特性的微波和毫米波頻率振蕩器。介質(zhì)諧振振蕩器通常采用具有高介電常數(shù)和低損耗因子的介質(zhì)塊作為其諧振元件，而且與其他諧振結(jié)構(gòu)類似，介質(zhì)諧振振蕩器的工作頻率與介質(zhì)塊的物理尺寸相關(guān)。雖然介質(zhì)諧振振蕩器與同軸諧振振蕩器的腔體諧振器類似，但是其在高頻下的電阻性損耗并不增大。

鎖相振蕩器（PLO）

鎖相振蕩器為由振蕩器和用于提高該振蕩器穩(wěn)定性的模擬或數(shù)字輔助控制電路組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。鎖相振蕩器利用對所需頻率特性進(jìn)行校正和“鎖定”的反饋網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對諧振特性或振蕩器激勵(lì)的調(diào)整。鎖相振蕩器電路的要求取決于振蕩器類型，頻率要求，頻譜質(zhì)量要求，功率輸出以及其他環(huán)境因素。

壓控振蕩器（VCO）

壓控振蕩器為一種可由輸入電壓信號（通常為直流信號）控制的振蕩器。壓控振蕩器分為帶可變電容（變?nèi)荩?a target="_blank">二極管器件的壓控晶體振蕩器（VCXO），釔鐵石榴石（YIG）調(diào)諧振蕩器等多種類型。

頻率合成器基礎(chǔ)知識

頻率合成器為一種可從單個(gè)基準(zhǔn)頻率生成多個(gè)頻率的電路。頻率合成器通常利用倍頻/分頻、混頻或鎖相環(huán)等不同技術(shù)，生成信號或?qū)碜哉袷幤鞯倪M(jìn)行修飾。最新的一種技術(shù)稱為直接數(shù)字合成法，其采用查找表等數(shù)字編程方法生成所需的輸出頻率。

圖為頻率合成器

鎖相環(huán)（PLL）頻率合成器

鎖相環(huán)頻率合成器與鎖相振蕩器類似，其不同點(diǎn)在于，鎖相環(huán)頻率合成器的反饋控制電路還可進(jìn)一步以可預(yù)測的方式對輸出頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。與鎖相振蕩器類似，鎖相環(huán)頻率合成器反饋電路的目的也在于將該電路的輸出相位與輸入相位鎖定，然而鎖相環(huán)頻率合成器所生成的控制信號還用作壓控振蕩器的激勵(lì)。某些鎖相環(huán)合成器結(jié)構(gòu)為采用整數(shù)N或分?jǐn)?shù)N設(shè)計(jì)的間接數(shù)字合成器。

整數(shù)N鎖相環(huán)頻率合成器

此類型的鎖相環(huán)合成器采用帶負(fù)反饋的倍頻功能產(chǎn)生基準(zhǔn)頻率整數(shù)倍的輸出頻率。通常，此控制功能由輸出壓控振蕩器控制模擬電壓的數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)。整數(shù)N鎖相環(huán)的一項(xiàng)無可避免的缺點(diǎn)在于，信號的相位噪聲隨倍頻倍數(shù)的增加而增加。

分?jǐn)?shù)N鎖相環(huán)頻率合成器

此類型鎖相環(huán)合成器比整數(shù)N合成器的改進(jìn)之處在于，其允許輸出頻率為操作數(shù)的分?jǐn)?shù)信道與分?jǐn)?shù)模數(shù)的比數(shù)。因此，其所得頻率分辨率為鑒相器頻率的一部分，從而與整數(shù)N合成器相比，有效降低了相位噪聲。然而，此類型的鎖相環(huán)合成器必須精確設(shè)計(jì)，因此其復(fù)雜度高于其他鎖相環(huán)合成器。

直接數(shù)字合成（DDS）頻率合成器
最新的數(shù)字合成射頻信號生成技術(shù)已發(fā)展至可直接從數(shù)字基準(zhǔn)信號生成射頻信號。這一過程通常涉及創(chuàng)建數(shù)字波形，然后通過數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成射頻信號。DDS頻率合成器通常封裝成集成電路，而且僅需要使用一個(gè)能夠提供足以生成目標(biāo)信號的余量和精確度的時(shí)鐘。