振荡器与频率合成器的基础知识

振荡器基础知识

振荡器为一种可在受激时产生可重复可预测频率响应的材料和结构，并且是很多模拟、数字和射频电路中的关键部件。某些类型的振荡器由通过相互作用而产生振荡的电气元件组成，而另外一些振荡器采用可在受激时生成谐振信号的材料。为了提高振荡器针对长时间工作、温度、材料及元件退化以及其他因素的电气性能和稳定性，某些类型的振荡器还采用数字或模拟控制电路。

图为药物振荡器

LC电路振荡器

某些最早的振荡器利用电感和电容电路产生谐振和振荡信号。早期的无线电系统通过以旋钮和开关调节电感值和电容值的方式，实现改变谐振特性的目的。此类系统通常比采用其他的技术的振荡器体积更大，而且必须持续调谐，才能保持所需的振荡性能。LC电路振荡器已大部分被集成电路中的晶体振荡器及其他电路类型振荡器所取代。

同轴谐振振荡器

同轴元件也可用于在与其本身的几何结构及腔体几何结构相符合的特定频率下产生电感和电容特性。此类器件虽然因所需工作频率而在小型化方面受到限制，但是其通常非常稳定，而且可在数百兆赫兹至数千兆赫兹范围内提供优异的相位噪声性能。

晶体振荡器

晶体振荡器由在受到电激励时产生谐振特性的晶体结构组成。此类振荡器通常非常稳定，具有优异的相位噪声，而且可制成相对小巧的结构。在具有更高要求的应用中，晶体振荡器通常集成至更为复杂的模拟或数字电路中，这些电路利用一个或多个振荡器及环境控制系统实现更加可靠的性能，以对频率和相位的经时变化进行限制。晶体振荡器的振荡频率与晶体尺寸成正比，而且晶体振荡器可制造成在数赫兹至千兆赫兹以上范围内产生谐振特性。

介质谐振振荡器（DRO）

介质谐振振荡器为一类利用介质谐振器产生非常稳定且颤噪效应极低的高Q谐振特性的微波和毫米波频率振荡器。介质谐振振荡器通常采用具有高介电常数和低损耗因子的介质块作为其谐振元件，而且与其他谐振结构类似，介质谐振振荡器的工作频率与介质块的物理尺寸相关。虽然介质谐振振荡器与同轴谐振振荡器的腔体谐振器类似，但是其在高频下的电阻性损耗并不增大。

锁相振荡器（PLO）

锁相振荡器为由振荡器和用于提高该振荡器稳定性的模拟或数字辅助控制电路组成的复合结构。锁相振荡器利用对所需频率特性进行校正和“锁定”的反馈网络实现对谐振特性或振荡器激励的调整。锁相振荡器电路的要求取决于振荡器类型，频率要求，频谱质量要求，功率输出以及其他环境因素。

压控振荡器（VCO）

压控振荡器为一种可由输入电压信号（通常为直流信号）控制的振荡器。压控振荡器分为带可变电容（变容）二极管器件的压控晶体振荡器（VCXO），钇铁石榴石（YIG）调谐振荡器等多种类型。

频率合成器基础知识

频率合成器为一种可从单个基准频率生成多个频率的电路。频率合成器通常利用倍频/分频、混频或锁相环等不同技术，生成信号或对来自振荡器的进行修饰。最新的一种技术称为直接数字合成法，其采用查找表等数字编程方法生成所需的输出频率。

图为频率合成器

锁相环（PLL）频率合成器

锁相环频率合成器与锁相振荡器类似，其不同点在于，锁相环频率合成器的反馈控制电路还可进一步以可预测的方式对输出频率进行调节。与锁相振荡器类似，锁相环频率合成器反馈电路的目的也在于将该电路的输出相位与输入相位锁定，然而锁相环频率合成器所生成的控制信号还用作压控振荡器的激励。某些锁相环合成器结构为采用整数N或分数N设计的间接数字合成器。

整数N锁相环频率合成器

此类型的锁相环合成器采用带负反馈的倍频功能产生基准频率整数倍的输出频率。通常，此控制功能由输出压控振荡器控制模拟电压的数字电路实现。整数N锁相环的一项无可避免的缺点在于，信号的相位噪声随倍频倍数的增加而增加。

分数N锁相环频率合成器

此类型锁相环合成器比整数N合成器的改进之处在于，其允许输出频率为操作数的分数信道与分数模数的比数。因此，其所得频率分辨率为鉴相器频率的一部分，从而与整数N合成器相比，有效降低了相位噪声。然而，此类型的锁相环合成器必须精确设计，因此其复杂度高于其他锁相环合成器。

直接数字合成（DDS）频率合成器
最新的数字合成射频信号生成技术已发展至可直接从数字基准信号生成射频信号。这一过程通常涉及创建数字波形，然后通过数模（D/A）转换器将其转换成射频信号。DDS频率合成器通常封装成集成电路，而且仅需要使用一个能够提供足以生成目标信号的余量和精确度的时钟。