《频率合成技术》课件第2章

2.1直接频率合成器的基本原理和组成

2.2直接频率合成器的几个主要组成电路

2.3直接频率合成器设计时应考虑的问题

直接频率合成技术是最早的频率合成方法，采用此技术制作的频率合成器称为直接频率合成器。其优点是频率分辨力高(可达到0.01Hz)，频率转换时间快(取决于开关的时间)；而其缺点是体积大、重量大、耗电高、可靠性差。2.1直接频率合成器的基本原理和组成

这种频率合成器原理简单，易于实现。直接频率合成器由标准的参考频率源、滤波器、倍频器、分频器、混频器组成，由一个或多个参考频率合成输出某一系列特定的频率。其中，利用混频器来实现频率的加减法，利用倍频器来实现频率的倍乘，利用分频器来实现频率的倍除，利用滤波器来提取所需要的频率信号而抑制不需要频率的信号。直接频率合成器的合成方法可分为两类，一类是所谓的非相关合成方法，另一类是所谓的相关合成方法。这两种合成方法的主要区别是所使用的参考频率源的数目不同。2.1.1非相关直接频率合成器

由多个晶体参考频率源合成某一系列特定频率的频率合成器称为非相干直接频率合成器。它的缺点在于制作具有相同频率稳定度和精度的多个晶体参考频率源既复杂又困难，而且成本很高。如图2-1所示，它是由n个石英晶体振荡器和混频器以及滤波器所构成的，每一个石英晶体振荡器的输出频率为，这意味着会输出10个频率。Δf0~9表示从基本频率Δf0=0开始的10个步进。频率合成器总的输出频率为图2-1非相干直接频率合成器结构示意图若要求输出频率为58～59MHz、频率间隔为1kHz的1000(103)个频点，则n=3。而f1、f2、f3的选择需由频率合成器对杂散的要求来确定，我们选择f1=47.0MHz，f2=6.0MHz，f3=5.0MHz。为了保证获得1kHz的频率步进，我们应该选择，即Δf1=0.1MHz。若设置(Δf0)1=(Δf0)2=(Δf0)3=0MHz，则最小输出频率为若设置(Δf9)1=(Δf9)2=(Δf9)3=0.9MHz，则最大输出频率为假若我们需要输出的频率为fout=58.539MHz，则可以进行如下设置：(Δf5)1=0.5MHz,(Δf3)2=0.3MHz,

(Δf9)3=0.9MHz,则2.1.2相关直接频率合成器

若只使用一个标准晶体参考频率源并通过分频、混频、倍频等方法合成某一系列特定频率的频率合成器，则称为相关直接频率合成器。图2-2所示的直接频率合成器是某一电子设备的参考频率源，它的基准频率为10MHz高稳定度和高精度的晶体振荡器，通过分频、混频、倍频等方法合成10MHz、20MHz、320MHz、340MHz等19个特定频率，给其他部分提供参考频率，这些输出频率与高稳定度和高精度的晶体振荡器输出频率是相关的。该频率合成器的稳定度和精度与高稳定度和高精度的晶体振荡器的稳定度和精度是一致的，因此这种直接频率合成器广泛应用在各个领域中。图2-2相干直接频率合成器2.1.3直接频率合成器的设计方法

设计直接频率合成器的方法有很多种，下面简单介绍几种。

1.混合法

混合法的基本模块是倍频器、分频器、混频器、放大器、滤波器以及一个参考频率源。图2-2所示的相干直接频率合成器就是混合法的一个范例，为了简洁起见，部分放大器和滤波器图中没有给出。输出该频率合成器的19个频率的实现方法可以有很多种，上述的方法不一定是最优的，还可以根据系统要求的指标重新组合，使其更合理、简洁，成本更低，频率合成器的性能更好。混合法也可以用模拟电路和数字电路的方法来实现。采用混合法设计直接频率合成器时，其混频、倍频、分频所产生的杂散，以及频率合成器的相位噪声必须考虑。

2.谐波法

当在整个输出频率范围内，任意两个相邻频率之间的间隔均为一个常数时，谐波法比混合法更好。当输出频率与间隔成倍数关系时，此时可采用梳状波发生器来产生一系列谐波分量，若在某一时刻只有一个频率输出，则可以采用电调滤波器来提取所需的频率信号，若同时输出几个频率信号，则可以采用几个滤波器同时提取所需的频率信号，如图

2-3所示，这种方法在频率合成器中广泛用于产生辅助频率。图2-3谐波法直接相干频率合成器

3.三混频法

在直接频率合成器的设计中，能不能利用标准模块的重复使用来构造频率，这是一个关键的问题。这种方法有许多优点，既可以减少设计的成本和时间，也可以降低生产

费用，还可以简化频率合成器的操作、校准和维护。图2-4是一个典型的十进制直接频率合成模块方框图，该十进制功能模块由一个差频混频器、两个和频混频器和带通滤波器组成，该单元可以重复使用以产生所希望的频率步进。图2-4典型的十进制直接频率合成模块由图2-4(a)可以看出，输出频率中发生了频率偏移，如果在实际的电路中不希望出现这种频率偏移，只要在输出端加上如图2-4(b)所示电路，就可以消除这个频率偏移了。

4.双混频—分频法

采用双混频—分频法同样可以满足重复利用的问题。如图2-5所示，该十进制功能模块由两个和频混频器、一个10分频器和带通滤波器组成。该十进制功能模块输入的参考频率要满足10fin=fin+f1+f2的关系。图2-5双混频—分频法直接频率合成器模块下面给出一个十进制功能模块的应用例子。如某一个频率合成器要求输出频率范围为30~31MHz，频率间隔(频率分辨力)为1Hz，可以用十进制组件来组合。图2-6是一个十进制功能模块M，用此模块M来组合满足上述要求的直接频率合成器，如图2-7所示。图2-6双混频—分频法直接频率合成器模块M图2-7双混频—分频法直接频率合成器直接频率合成器是由混频器、倍频器、分频器、压控振荡器(VCO)以及滤波器组成的。直接频率合成器的性能指标取决于这些电路的性能，所以有必要将直接频率合成器所采用的主要电路作以简单介绍，对我们理解和设计频率合成器有重要的参考价值。

2.2直接频率合成器的几个主要组成电路

2.2.1混频器

混频器的作用是获得两个输入信号频率的和频分量或差频分量，如图2-8所示。图2-8混频器混频器本身就是一个非线性器件，其输入和输出的响应可以表示为

若令vi=A1cosω1t+A2cosω2t,并将其代入上式。为了方便分析，可令A=A1=A2，则可得(2-1)(2-2)由上述分析可以看出：当激励信号是双频激励时，则非线性网络输出信号除了基波(ω0)和直流分量外，还产生一系列组合频率分量，即

ωm,n=mω1±nω2(2-3)

式中,m,n＝…-3，-2，-1，0，1，2，3…；ωm,n称为组合频率；m和n的绝对值称为组合频率分量的阶。由上式还可以看出，幂级数的奇次项只产生奇阶组合频率分量，幂级数的偶次项只产生偶阶组合频率分量。

若频率合成器通过混频器取差频输出，即ωout=ω1-ω2，也就是m=1，n=-1，那么m和n的其他取值均为干扰频率，高阶的干扰频率的信号很弱，但是低阶的干扰频率信号必须要加以考虑。抑制这些干扰频率的信号主要有两种方法：其一是设计适合的滤波器在保证所需要的频率信号无衰减地通过外，同时抑制混频器所产生的干扰频率信号；另一种方法是适当选择混频器的本振频率(如ω2)，使得不产生(或少产生)在滤波器通带内的干扰频率信号。大多数频率合成器中都要使用混频器，目的是为了提供低频带的工作频率范围，把微波信号向下混频，直到几兆赫兹或者更低。这对混频器的要求很高，所以电路就比较复杂，通常采用的是二极管平衡混频器和差分对有源乘法混频器，过去采用分离元件构成的，现在常常使用单片集成电路，因而可以保证性能的一致性。平衡混频器的特点是：信号的偶次谐波可以被抵消，特别是二次谐波被抵消，这就大大降低了输出组合频率的干扰；平衡混频器的工作频带很宽，适合宽带应用。经相位噪声分析，混频器相位噪声对频率合成器的相位噪声的贡献为

Sθ(ω)=Sθ1(ω)+Sθ2(ω)

式中，Sθ(ω)、Sθ1(ω)、Sθ2(ω)分别为总的相位噪声单边带功率谱密度、输入的相位噪声单边带功率谱密度、混频器的相位噪声单边带功率谱密度。图2-9给出了典型的双平衡混频器原理图。该混频器不论在国内还是在国外均有商品出售。它由两个巴伦(不平衡到平衡的转换)和一个二极管桥组成，在频率较低时(3GHz

以下)由传输线变压器构成，频率高于3GHz时一般都是由平行耦合线构成的。这种混频器工作带宽非常宽，可达到几个乃至十几个倍频程。随着半导体技术的发展，出现了各种各样的混频器芯片，这为频率合成器的发展提供了有力的支持。图2-9典型的双平衡混频器原理图

2.2.2倍频器

倍频器和混频器一样广泛应用在各种频率合成器中。倍频器的主要功能是把参考源频率倍乘到所需要的频率，通常比直接产生这些频率容易、方便，而且不需要多个参考频率源。倍频器是频率的倍乘，必须采用非线性器件来完成。倍频器根据其工作原理可分为两种：一种是非线性电抗型，如变容二极管、阶跃恢复二极管(SRD)；另一种为非线性电导型，如肖特基势垒二极管、晶体三极管、场效应晶体管等。前者应用于较高的频率，但由于载流子储存效应和较高的AM-PM变换，使得相位噪声较高。后者应用于较低的频率，由于几乎不存在载流子储存效应，所以相位噪声较低，一般应用于低相位噪声的倍频器。根据相位噪声的理论分析得知，倍频器使得相位噪声恶化的理论值为20lgn(n为倍频器的倍频次数)。在实际的应用中，要把参考源的频率倍乘到射频或微波范围，最关键的问题是选择什么样的方法和电路。倍频的方法基本上有两种：一种采用高次倍频器直接把频率倍乘到所需要的频率上；另一种是通过倍频链把频率倍乘到所需要的频率上，并在合适的频率上加上窄带晶体滤波器，如图2-10所示。图2-10

64次倍频器图2-10(a)表示将10MHz的高稳定度的参考频率直接进行64倍频倍乘到640MHz，显然相位噪声将要恶化20lg64=36.12dB。图2-10(b)表示将10MHz的高稳定度的参考频率通过6级二倍频器倍乘到所需要的频率上去，并在第二级倍频器后面加上一个窄带晶体滤波器(带宽为6kHz)和在第四级倍频器后再加上一个晶体滤波器(带宽为18kHz)，此时倍频器的相位噪声比没有加滤波器的倍频器提高了15dB，这种改进是相当可观的。图2-11给出了微带型变容二极管三倍频器电路图，由图可知，微带型变容二极管三倍频器由隔直电容、低通阻抗变换器、变容二极管、输出阻抗匹配器、空闲电路、输出带通滤波器、直流偏置电路等组成。空闲电路的作用是将倍频器产生的二次谐波送回变容二极管，使其与基波再次混频产生三次谐波，从而提高倍频效率。图2-12给出了阶跃恢复二极管七倍频器原理图，它由隔直电容Cd、切比雪夫低通阻抗变换器(由C1、L2、C3、L4构成)、偏置电阻Rb、调谐电容CT、激励电感L、阶跃恢复二极管、谐振电路以及输出滤波器等组成。对于高次倍频来说，阶跃恢复二极管倍频器的倍频效率要比变容二极管倍频器的高，因此阶跃恢复二极管倍频器多用于高次倍频。阶跃恢复二极管还可以用来设计梳状波发生器，以产生十几个到几十个谐波频率，供频率合成器使用。图2-11微带型变容二极管三倍频器电路图图2-12阶跃恢复二极管七倍频器原理图分频器主要的功能是把某一频率倍除到所需要的频率，通常比直接产生这些频率容易、方便。能实现分频功能的电路有很多种，目前使用最多的分频器有两种，一种是再生式分频器，另一种是数字分频器。2.2.3分频器

再生式分频器是早期频率合成器常使用的一种分频器，如图2-13所示。再生式分频器由混频器、倍频器、放大器以及带通滤波器组成。可以证明要保证再生式分频器正常工作，必须满足以下两个条件：一是再生式分频器电路必须为正反馈电路，总的环路增益大于1；二是环路的相位移必须为零，即输入信号和输出信号的相位满足如下关系

jout=(jin+jn-jb)/n，此时输出频率为fout=fin/n。由于混频器、倍频器、放大器以及带通滤波器可以在很高的频率下实现，因此再生式分频器可以工作在毫米波波段。在没有信号输入时，倍频器没有输出，所以在没有输入信号的情况下，再生式分频器没有射频输出。其缺点是电路复杂而且成本较高。

图2-13再生式分频器数字分频器是利用数字技术完成频率倍除功能的数字电路，由于数字电路速度的提高，固定分频比的数字分频器其使用频率可达几十吉赫兹，因此利用吞吐脉冲技术实现的多模可变分频比的分频器其使用频率可达几十兆赫兹。随着数字电路技术的发展，数字分频器的使用频率还可以更高。经相位噪声的分析，混频器相位噪声对频率合成器的相位噪声的贡献为

式中,Sθ1(ω)和N分别为输入的相位噪声单边带功率谱密度和分频比。2.2.4压控振荡器

压控振荡器(VCO)的主要功能是产生并输出具有一定频率的正弦信号，其振荡频率由外加电压控制。目前应用的绝大多数压控振荡器都属于负阻型振荡器，其工作原理如图2-14所示。振荡器的起振条件和平衡条件如下：起振条件：

Zout=Rout+jXout(Rout为负阻)

平衡条件：

ZL=RL+jXL=Rout+jXout

或

起振条件：

Zin=Rin+jXin(Rin为负阻)

平衡条件：

Zg=Rg+jXg=Rin+jXin图2-14振荡器原理图由于在谐振电路中含有变容二极管，当外加控制电压改变时，谐振电路的电抗发生变化，从而使得振荡频率发生改变，因此压控振荡器输出信号的频率发生变化，以达到电压控制的目的。压控振荡器所使用的晶体管一般选择为双极晶体管或异质结晶体管，这两种晶体管闪烁噪声比较低，因此可以获得低相位噪声的振荡器。压控振荡器频率调谐范围可达到一个倍频程，频率调谐范围若再宽的话，压控振荡器就很难实现了。目前压控振荡器大多数采用混合集成电路或单片集成电路来实现。图2-15给出了分离元件组成的压控振荡器(VCO)的典型电路。此电路采用了共发射极负阻电路结构。谐振电路中的调谐元件采用了两只背靠背连接的变容二极管，这可以在一定程度上提高调谐灵敏度，扩展调谐频带。此外还可以有效地减少变容二极管引入的调制噪声，降低压控振荡器的输出相位噪声。谐振电路是通过电容C2和C3耦合到晶体管的基极上，电容C2和C3决定了耦合的强弱，它影响着调谐带宽。电感L4主要决定振荡频率的高低。图2-15低噪声压控振荡器的典型电路2.2.5石英晶体振荡器

石英晶体振荡器的作用是产生频率合成器各部分所需要的标准频率参考信号或所需的时钟信号(时间基准)。标准频率(时间基准)信号来源于标准频率源所产生的信号。目前标准频率源有两种：一是原子频标，它包括铯原子频标、铷气泡型原子频标、氢原子频标，这些频率标准的技术指标都非常高，在频率合成源中几乎没有应用到；二是石英晶体振荡器，也是当前应用数量最多的标准频率源，这种标准频率源是基于石英晶体谐振器的无载Q值，可达十万到一两百万，这也就是它能够获得高的稳频效果，并获得高的频率准确度和稳定度的原因。

石英晶体振荡器目前可分为以下三种。

1.普通石英晶体振荡器

普通石英晶体振荡器的频率稳定度在一般条件下很容易达到10-4～10-5。当采用AT切割的晶体谐振器时选择适当的晶体材料和电路时，在-20～70℃的环境温度下，频率稳定度还可以保持5×10-6。普通石英晶体振荡器的电路形式主要有如图2-16所示的三种。图2-16普通石英晶体振荡器的电路形式(a)共发射极电路；(b)共基极电路；(c)共集电极电路

2.温度补偿石英晶体振荡器

温度补偿石英晶体振荡器是由压控调节频率的石英晶体振荡器(VCXO)和含有温度敏感器件的温度补偿网络所组成的。由于温度补偿网络是工作在模拟方式，所以也称为模拟温度补偿石英晶体振荡器。其工作原理如图2-17所示。图2-17模拟温度补偿石英晶体振荡器工作原理图该电路的工作过程是：改变石英晶体振荡器的振荡频率是由一只变容二极管来完成的，该二极管两端的电压取自热敏电阻补偿网络，该补偿网络的输出电压随外界环境温度的变化而变化，使得该电压对温度的变化规律与所用晶体管的频率-温度变化规律相对应，通过变容二极管对石英晶体振荡器的振荡频率进行调节，补偿了石英晶体振荡器振荡频率随温度的变化，使得石英晶体振荡器的振荡频率受温度的影响被改善，提高了频率稳定性。随着数字电路和计算机技术的发展，出现了数字温度补偿石英晶体振荡器(DTCXO)、单片机温度补偿石英晶体振荡器(MCXO)。它们都是采用数字的方式产生对压控石英晶体振荡器的补偿电压。在DTCXO中利用存储器建立了温度传感器输出电压和对VCXO控制电压之间的关系，因此所实现的补偿是逐点进行的。正是这个原因，数字方式温度补偿石英晶体振荡器比模拟方式温度补偿石英晶体振荡器具有更高的补偿精度，但是这种补偿方式需要一个大容量的存储器。单片机温度补偿石英晶体振荡器是由大量的实验找出一个石英晶体振荡器的温度-频率控制电压之间的关系式，并通过一定的算法来实现温度的补偿。其结果有利于提高补偿精度和减小对存储器容量的要求。数字方式的温度补偿都是采用量化方法来进行补偿的，因此这对于石英晶体振荡器所附加产生的量化噪声是不容忽视的，必须采取一定的措施来加以克服。该振荡器的频率稳定度在-55~85℃范围内可达±2×10-8。

图2-18给出了数字方式温度补偿的工作原理框图。图2-18数字方式温度补偿石英晶体振荡器工作原理框图

3.恒温石英晶体振荡器(OCXO)

绝大多数高稳定度的石英晶体振荡器都采用了将晶体恒温的方法，即使用精密的恒温控制槽，将槽内温度调节到石英晶体谐振器的零温度系数点上，这样能最大限度地克服温度对石英晶体振荡器振荡频率的影响。恒温石英晶体振荡器的频率稳定度可以实现在-25~70℃的环境温度范围内达到1×10-10。图2-19所示为恒温石英晶体振荡器工作原理图。图2-19恒温石英晶体振荡器工作原理图设计一个高性能