獲得高頻輸出的方法（第一部：鎖相環電路）

鎖相環電路概略與愛普生產品陣容

【序文】

近年，伴隨影像傳輸等普及，骨干網中流過的通信量有增無減，通信的高速、大容量化進展迅速。在這種情況下，高速化通信基礎設施對高頻且輸出信號穩定的基準信號源的需求十分強烈。

通常，從 MHz 頻帶的 AT 型石英晶體獲得高頻振蕩時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、機械性強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的上限一般為 60MHz 左右。因此，本公司把 60MHz 以上定為高頻領域。穩定輸出高頻基準信號并不簡單，愛普生擁有四種方法（技術）實現高頻領域：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（PLL）電路輸出穩定的高頻基準信號；第二種方法是使用表面聲波SAW 諧振器輸出高頻基準信號，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；第三種方法是應用愛普生所持有的 QMEMS 技術，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，以此產生穩定的高頻基準信號；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）輸出穩定的高頻基準信號。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）和鎖相環電路的概略進行解說。

【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，其波形中將包含高諧波成份。倍頻電路利用這些高諧波產生有意加強了 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計起振電路時加以注意。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，產品中大多使用鎖相環電路。在下一章中，我們將說明鎖相環電路。

【2】鎖相環電路

這里說明產生穩定高頻的另一項技術――鎖相環電路。

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

在鎖相環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的頻率。使用石英晶體振蕩器等能夠產生穩定頻率，并轉換分頻器的分頻數，就能使壓控振蕩器的輸出達到石英晶體振蕩器同等精度且等于分頻倍數頻率的信號。這就是頻率合成器的原理。

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

使用鎖相環頻率合成器獲得大于輸入頻率幾倍的頻率時，分頻器的使用方法是關鍵。獲得輸入頻率的 N 倍輸出的電路結構如圖 1 所示。為了對輸出頻率進行精密設定，還可以如圖 2 所示，在鎖相環頻率合成器的輸入前及輸出后設置分頻電路。

為了提高鎖相環頻率合成器的頻率設定分辨率，通常把分頻器直接連接在石英晶體振蕩單元之后。但是，若為了提高頻率設定分辨率而取較大的分頻數，則將造成用于比較相位的頻率變小，引發鎖相環響應慢、環路增益下降的情況，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，也可使用小數分頻鎖相環。

【3】整數分頻鎖相環與小數分頻鎖相環的特征

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

整數分頻鎖相環可以名副其實地產生輸入頻率整數倍的輸出頻率。例如，希望從 1MHz 的波源獲得 100MHz 的輸出時，分頻器的計數器設定值為 100。

與此相對，小數分頻鎖相環可以產生輸入頻率小數倍的輸出頻率。這事實上意味著可以任意選擇頻率，即能夠獲得微小的頻率設定分辨率。它可以獲得微小的頻率分辨率，發揮這個特征可以對初始頻率公差進行精密控制。

然而，與上述優點相反，小數分頻的電路設計復雜，集成電路面積也比整數分頻大，因此容易產生特有的失真，致使小數分頻的相位噪音與整數分頻相比較差。隨著近幾年技術的發展，小數分頻鎖相環的缺點被不斷改進，失真逐漸減少。

【4】愛普生的產品陣容與特征

以上說明了為獲得高頻輸出而采用的鎖相環電路。鎖相環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的所需頻率。

愛普生 SG-8000 系列采用先前介紹的整數分頻鎖相環電路，為用戶準備了尺寸及形狀極為豐富的產品陣容(表 1)。我們還為用戶準備了 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定度。因此，SG-8000系列在常溫條件下不需要溫度補償電路就能夠實現針對溫度變化而相對穩定的溫度特性，即不出現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償電路使溫度保持穩定，導致有可能出現頻率的間斷性跳動。

這些石英晶體所具有的高精度特性以及通過鎖相環電路技術而實現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電路的注意之處。

倍頻電路：應注意分諧波混入電路以及因 n/2 以下成份而引起的抖動。

鎖相環電路：應注意環路頻帶，在鎖相環電路之后串聯其它鎖相環電路時應注意抖動增幅和跟蹤。

表 1：程控石英晶體振蕩器的產品陣容

表 2：SG-8000 系列用編程工具