众所周知，频率产生器芯片为各种数字电子装置提供运作所需的「心跳」讯号；以个人计算机为例，每套系统都会使用一或两套频率产生器提供十多组参考讯号，用来控制与调节处理速度、内存存取、串流媒体、网络传输，以及无线通信等作业。频率产生器的应用现已超脱计算机的范畴，为绝大多数的电子设备提供参考频率计时，包括由局端的电信交换器，一直涵盖到住家的电视游乐器与数字相机。

锁相回路

频率产生器的基础就是锁相回路（PLL）技术。在PLL核心中有一套相位－频率侦测器。PLL有两组输入：参考输入及反馈输入（feedback input），如(图一)。相位－频率侦测器能辨识参考输入与反馈输入之间的相位与频率差异，并利用电压－控制器振荡器（VCO）提供补偿，让系统达到稳定状态：〈公式:Fout = P/Q ×Fin〉

透过选择合适的P与Q除数，PLL可根据输入源产生大量的输出频率。选择不同的二次除数（R1, R2, ...），PLL可产生许多相关的输出频率。例如，若Fin 为10 MHz，P 为20 ，Q 为 3，频率产生器就能从10 MHz的输入讯号产生66.67MHz、33.33 MHz、以及22.2 MHz的频率讯号。

《图一 锁相回路（PLL）图解 》

以PLL取代晶体振荡器，最主要考虑因素就是成本。PLL能在高频率下产生极高功率的讯号，如果改用晶体振荡器来产生同样质量的讯号，其成本将会十分惊人。更重要的是，PLL能在预先设定的相位关系下产生参考频率讯号。透过这种模式，频率产生器可刻意改变内存组件的参考频率再供处理器使用，将处理器在存取内存时的运算延迟降至最低程度。

可设定的频率产生器

PLL的另一项优势价值就是可透过变更缓存器的数值来设定输出频率。举例来说，PLL能以相同的输出为PCI总线提供33 MHz或66 MHz的参考讯号，这种弹性设定可以说非常有用。

频率产生器的其它方面亦可进行设定。有时业者甚至可以设定输出讯号的标准，让同一套PC频率产生器能同时支持二个需要不同输入讯号规格的英特尔与AMD处理器。其它的频率产生器，例如像RoboClock，则让用户能调整输出讯号间的相位关系。

频率产生器的设定是透过软件接口来进行控制，让组件经由在线（in-system）模式或透过像是EEPROM的芯片内（on-chip）可编程序非挥发内存组件，来变更组件的参数。由于非挥发可编程频率组件在电源关闭后不需要透过处理器即可启动，故可排除系统启动方面的技术问题。

抑制EMI电磁干扰

频率产生器能运用各种展频技术（spectrum technology）降低电子系统的尖峰电磁干扰（EMI）。由于任何电子系统所幅射出的电磁能源都会干扰电台与电视广播、移动电话，以及各种精密仪器，因此，各国都设有严格的标准，规范系统在各频率下的尖峰幅射上限。

展频频率产生器所运用的原理，是电子系统不需要维持绝对固定的频率，而能以缓慢的速度调节其输出频率。例如，个人计算机内1GHz处理器在995 MHz到1 GHz的频率范围内上下波动时，用户也不会察觉到有任何差异。由于系统运作是在某个范围内，而非仅在单一频率的频率下，故所发射出的能源也会散布在一个较宽的频率范围。若系统在1 GHz的频率频率运作时，在任何单一频率下的尖峰幅射量就会大幅降低。

频率产生器的应用与考虑因素

频率产生器在PC上的功用在于提供参考频率并抑制电磁干扰。此外，大多数的频率产生器也提供一定程度的设定弹性。而除了PC之外，频率产生器亦支持其它范围的广大应用。

比如嵌入式运算装置就必须采用频率产生器。嵌入式运算装置意指运算功能较PC少的各种电子系统，但内部仍有一套运算程序负责控制这些功能。嵌入式运算装置包括打印机、家庭游乐器、缆线与DSL调制解调器、视频转换器，以及汽车导航装置。一如PC设计，在开发嵌入式运算装置时，成本同样是一项重要的考虑因素。而设计业者可发掘卓越的展频频率产生器不但能降低14至20 dB的尖峰EMI，节省许多屏蔽零组件外，并能将系统缩减为四层电路板的设计。

频率产生器亦应用在许多掌上型装置，例如像数字相机。数字相机需要一套极精准的参考讯号作为传感器的样本频率。设计业者必须确保所使用的频率产生器能提供零ppm错误率、降低长时间讯号抖动，以及提供较低的旁带噪声（sideband noise）。除了效能的考虑因素外，掌上型装置的频率组件亦需具备低耗电的特性。设计业者还必须选择具备低待机电流与低电压波动输出等特性的频率产生器。

在服务器与数据通讯设备方面，频率产生器则负责产生多组的参考频率频率。在系统检验方面，设备通常加入一定的频率缓冲幅度，刻意让系统在高出正常频率的环境下运作，以找出在系统频率缓冲幅度中的系统弱点。透过这种模式，处理器在缓慢提升输入频率下，可持续更新频率产生器的缓存器数值。频率产生器中的PLL必须拥有充裕的低回路带宽，以避免输出端产生忽然的频率变化。这种技术亦被应用在许多PC频率组件上，让终端用户能对处理器进行「超频」。

由于这些大型的复杂系统中，许多组件在相同的频率下运作，因此同步的切换噪声常影响电源的纯净度、造成频率效能不彰。频率产生器容易受到电源供应器噪声的干扰，以致产生讯号抖动。但若电源供应器串连至模拟核心，并加上过滤器以提供保护时，频率产生器的运作就较顺利。许多频率组件厂商在设计时考虑噪声因素，并为设计业者提供有力的协助以降低讯号抖动程度，并改进系统频率的波动幅度。

技术趋势

由于频率产生器通常与处理器、ASIC及内存相互串连，因此亦会受相同的技术趋势所影响。随着这些组件朝向更小的规格发展，它们亦需要较低的输入与核心供电电压。频率产生器朝向愈来愈低的输出电压发展，以支持1.8V LVCMOS、LVDS或是HSTL技术；然而大多数的频率产生器目前仍是使用2.5伏特或更高的核心电压。

随着业界朝向低输出电压发展，频率产器亦转移至差动讯号技术领域。差动讯号较之单端式讯号而言，更不易受供电电源（通用模式）噪声所影响，因此能提供较优越的抗抖动噪声能力。此外，更有别于单端讯号技术，差动讯号的接收器并不需等待输入端达到指定的门坎才能侦测出逻辑变化，所以差动讯号适合用于支持各种高速系统。

然而，在设计上使用差动讯号技术时，须面临更严苛的电路配置条件。差动讯号必须由一对等长电路负责传输。阻抗的不匹配或终端器配置不良都会造成异常的讯号反射，而这种反射讯号会取代单端讯号，进而让差动讯号的交叉点产生偏移。

市面上已出现许多低廉的硅锗（SiGe）制程方案，使频率产生器能在1 GHz以上的时钟速率下运作，并提供更高的效能。这样的技术将有助于业者持续扩展出许多新应用，例如像Gigabit以太网络、光纤信道、Infiniband，以及各种新世代的频率芯片等。

（本文作者为Cypress频率技术部门经理）