锁相回路概略与爱普生产品线

近年，伴随影像传输等普及，主要网路系统中流过的通信量有增无减，通信的高速、大容量化进展迅速。在这种情况下，高速化通信基础设施对于高频且输出信号稳定的基准讯号源的需求十分强烈。通常，以MHz频段的AT型石英晶体获得高频振荡时需要将石英晶片加工得很非常薄（晶片厚度决定输出频率高、低），此部分易造成加工方法、机械强度和起振等方面局限。虽然受限加工精度的影响，但石英晶体以基本波起振，高频的上限一般为60MHz左右。因此，爱普生以60MHz以上定为高频领域。稳定输出高频基准信号并不简单，爱普生拥有四种技术实现高频振荡电路设计领域：

一.  采用较易生产制造，内建通用型的20MHz频段起振频率的AT型石英晶体，利用倍频电路或锁相环电路(PLL)输出稳定的高频基准信号。

二.  采用表面声波SAW谐振器输出高频基准信好，表面声波SAW谐振器利用弹性表面声波(SAW/Surface Acoustic Wave)以基本波，直接起振产生高频讯号。

三.  运用爱普生所持有的QMEMS技术，制造出仅将振动部分加工变薄的反向台型AT型石英

晶体(Inverted MESA) ，以此产品能够获得高品质稳定的高频基准波时脉信号。

四.  采用AT型石英晶体的高频振动的振动模式(谐波)输出稳定的高频基准信号。

本文采用倍频电路和锁相电路进行解说。

 【1 】输出n倍倍频的高频电路

倍频电路是指把某一个频率的电器信号转换为n倍高频的电路。一般的振荡电路输出信号具有一定的Tr 、Tf 、Voh和Vol时，其波形中将包含高谐波成份。倍频电路利用这些高谐波产生有意加强了n次成份的信号，并用滤波器抽出n次成份。由于使用高谐波，因此可以获得抖动小于锁相环电路的输出频率。然而，若欲只取出n次高谐波，则要求在选择石英晶体和设计起振电路时需特别注意。例如需要使用频带窄、高衰减的带通滤波器(BPF) ，把n/2次以下的分谐波衰减掉，以便抑制抖动；还要使输入信号在n次高谐波附近不带噪音(失真)等。因此，为了得到高频，产品中大多使用锁相环电路。

【2 】锁相环电路

伴随搭载无线通信仪器的设备的普及，用于无线通信的半导体集成电路技术有了飞越性的进展。其中，锁相环电路技术的进步尤为突出。锁相环电路产生与输入的基准信号相同步的输出信号。该电路的基本组成是相位检测器、环路滤波器和压控振荡器(VCO) 。它将正确地产生与输入信号相同步的信号。与倍频电路不同的是，锁相环电路不直接使用输入信号制作输出信号。在锁相环电路中，由压控振荡器(VCO)产生与输入信号相同频率的同步信号。

图一.锁相环频率合成器基本组成

 图二.输入、输出连接分频器

在锁相环电路的压控振荡器输出和相位检测器的输入之间连接分频器，通过使输入信号与分频后的信号相同步，从而将压控振荡器的输出频率控制在分频倍数的频率。使用石英晶体振荡器等能够产生稳定频率，并转换分频器的分频数，就能使压控振荡器输出达到石英晶体振荡器同等精度且等于分频倍数频率的信号。此为频率合成器的原理。应用该原理，把AT型石英体输出的MHz频带频率输入到锁相环频率合成器，就能够产生用于无线通信的GHz频带载波信号。

使用锁相环频率合成器获得大于输入频率几倍的频率时，分频器的使用方法是关键。获得输入频率的N倍输出的电路结构(如图一.所示) 。为了对输出频率进行精密设定，还可以如图二所示，在锁相环频率合成器的输入前及输出后设置分频电路。为了提高锁相环频率合成器的频率设定分辨率，通常把分频器直接连接在石英晶体振荡器之后。但是，若为了提高频率设定分辨率而取较大的分频数，则将造成用于比较相位的频率变小，引发锁相环响应慢、环路增益下降的情况，并对于输出波形的抖动和相位噪音特性造成不良影响。为了解决上述问题，也可使用小数分频锁相环。

 【3 】整数分频锁相环，与分数分频锁相环(除法器/乘法器)特征

锁相环电路可分为整数分频和分数分频的两大类。双方均利用波源输出高频，在此说明大特性。整数分频锁相环可以名副其实地产生输入频率整数倍的输出频率。例如:希望从1MHz的波源获得100MHz的输出时，分频器的计数器设定值为100 。与此相对，分数分频锁相环可以产生输入频率分数倍的输出频率。这事实上意味着可以任意选择频率，即能够获得微小的频率设定分辨率。它可以获得微小的频率分辨率，发挥这个特征可以对初始频率公差进行精密控制。然而，与上述优点相反，分数分频除法器的电路设计复杂，集成电路面积也比整数分频大，因此容易产生特有的失真，致使分数分频的相位噪音与整数分频相比较差。随着近几年技术的发展，分数分频锁相环的缺点被不断改进，失真逐渐减少。

【4 】爱普生现行产品线与特点

以上说明了为获得高频输出而采用的锁相环电路。锁相环电路的最大特征是能够获得任意的频率，即可以获得包括高频在内的所需频率。爱普生SG-8101与SG-8018系列(图三所示)采用先前介绍的整数分频锁相环电路，为了使用者准备各种尺吋:7050 、5032 、3225 、2520 。同时我们也准备了特定可烧录程式的烧录工具― ROM Writer (Epson SG-Writer II)，用于特定指定频率或输出特性，所需对应资料封包写入于内建的非挥发性记忆体单元中（如图四所示）。

图三.爱普生SG-8101系列(高阶)与SG-8018系列(标准型) ，可烧录式石英振荡器系列

图四. Epson SG-Writer II专用烧录器(右) ，和一次可烧录石英振荡器空白片(左)