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使用巴伦测量相位噪声
录入时间:2016/12/30 15:07:12

使用巴伦测量相位噪声

Measuring Phase Noise with Baluns

Gary Giust,JitterLabs,美国加利福尼亚州米尔皮塔斯

Doug Jorgesen,Marki Microwave,美国加利福尼亚州摩根希尔

巴伦(平衡-不平衡转换器)通常被用于测量差分时钟和计时器的相位噪声。虽然看似简单易用,但是巴伦在测量中的作用相当复杂,不知不觉地会给测量结果引入器件误差。本文介绍了这些器件误差,讨论了其产生的原因和消除误差的方法。并给出了精确测量相位噪声时所用巴伦的选型建议。

差分时钟信号在数据通信、无线、仪器和医疗等领域被广泛应用。差分信号使用双导体传输线,理论上每条导线上信号幅度相等但是相位相反,如LVPECL、LVDS和CML。和单端信号相比,导线上的差分信号电压波幅更小,故可工作在更高频率。在供电电源条件相同时,差分信号的电压波幅可以比单端信号更大,从而提高了差分信号的信噪比。

差分信号可以抑制共模噪声,因此在嘈杂噪声环境中表现更好。此外,差分信号计时更加精确,是因为和单端信号相比,差分信号的交叉位置更容易控制(取决于电压超过某绝对参考电平)[1]。

相位噪声量化了信号的短期相位波动[2],无疑是重要计时应用中评估时钟和计时器件的最重要参数。相位噪声(和幅度噪声)可以使用频谱分析仪或者专用的相位噪声分析仪测量,但仪器只能进行单端测量。将器件的差分信号转为单端信号,需要有源探头,差分到单端放大器或者是无源巴伦。因为巴伦在测量中不引入放大噪声,适合于低噪声情况下的测量。宽带巴伦因为可以覆盖较宽的频率范围而备受喜爱。

本文探讨了如何使用巴伦测量差分时钟信号的相位噪声。首先讨论了巴伦在测量中可能引入的器件误差。给出的测量范例数据只为说明原理,并不代表典型情况或者最坏情况。实际上,巴伦对相位噪声数据有无影响、影响多少都是很难预测的。本文分析了多种影响测量的因素,例如巴伦的选型、待测器件类型、连接待测器件和巴伦的线缆和元器件等。介绍了判断巴伦是否影响相位噪声测量的试验方法。最后,给出了如何选择巴伦,并如何用它进行准确的相位噪声测量的建议。据笔者所知,本文是公开发表的第一篇关于巴伦如何测量相位噪声的文章。

巴伦入门

图1说明了巴伦在将平衡阻抗(即差分信号)转换为不平衡阻抗(即单端信号)时的作用。巴伦本身很容易使用,只需要三个连接(两个输入和一个输出)且无需供电。巴伦作为互易器件,两端都可以作为输入端。将单端信号转换成差分信号的巴伦叫分路器。当反过来使用时,被称为合路器。在正常模式下,理论上差分端口J2和J3输出等幅反相信号,不平衡端口J1通常和传输线进行阻抗匹配,一般为50欧姆。

 

1:巴伦信号的流动和性能参数

巴伦的性能可以用几个关键指标表示[3]。幅度平衡性(单位dB)是不平衡端口到一个平衡端口的差分插入损耗和不平衡端口到另一个平衡端口的差分插入损耗之间的差值。相位平衡性(单位度)是差分端口之间差分相移的差值。插入损耗(单位dB)是——刨除信号分路导致的额定损失之外的——在信号通路上增加巴伦引起的额外信号功率损失。隔离度(单位dB)是信号从一个差分端口进入(如J2),从另一个差分端口流出(J3)时,两端口之间信号功率的比值。回波损耗(单位dB)或电压驻波比(VSWR)代表了巴伦与负载阻抗和源阻抗之间匹配的程度,一般为50欧姆。

最后,共模抑制比(CMRR)(单位dB)是共模增益对差模增益之比,反映了巴伦对于从平衡端口向不平衡端口传输的共模信号的衰减能力。基于矢量对消方法,可以根据幅度和相位平衡性计算出CMRR。

测量设置

如图2中a到d所示四种基本测量设置,使用高速实时示波器分析时钟信号的信号完整性,使用信号源分析仪测量其相位噪声[4]。虽然本研究分析了很多制造商的时钟器件,本文只列举两种待测器件(DUT)的结果以便说明关键发现。两种待测器件都是市售5mm*7mm表贴晶振(XO)。第一个待测器件是基于模拟乘法器的156.25MHz LVPECL XO。第二个待测器件是输出频率可根据内部锁相环(PPL)调节的LVDS XO,其输出频率为78.125MHz或312.5MHz。两种待测器件的端口用于驱动50欧姆测量设备,如图2中e和f所示。除非另作说明,图2测量设置中使用0.1μF AC耦合电容和0欧姆串联终端电阻。

 

2:使用示波器(a)、巴伦合路器(b)、巴伦分路器(c)和单端相位噪声分析仪(d)的测量设置,测量待测器件LVPECLe)和LVDSf)的输出。

部分测量设置使用的巴伦连接或不连接同轴固定衰减器(即衰减器)。虽然研究了多个供应商的巴伦,为了说明关键发现,在此只举出2个宽带巴伦。两个巴伦都来自Marki Microwave公司测试和测量产品线[5],即BAL0006 (200kHz到6GHz)和BAL0036 (300kHz到36GHz)。

选择这两个巴伦是因为两者的隔离度不同。BAL0006在待测器件工作频点上有6dB的隔离度,而BAL0036隔离度提高至10dB,且在较高频率隔离度提高更多。为清晰起见,本文简称BAL0036为有隔离巴伦,BAL0006为无(额外)隔离巴伦。

由于相位噪声分析仪输入端口只能接收交流信号,待测器件和此设备之间必须要加直流隔离器。一般来说,在巴伦的两端都可以加直流隔离器。然而如果巴伦的端口对地直流短路(参考其数据手册),当巴伦被用作合路器时,在巴伦的输入端口必须设置直流隔离器。因此,最好养成将直流隔离器加在巴伦的输入端(即差分端口)的习惯,如图2所示。

信号完整性

示波器通常有不止一个输入端口,所以测量时不需要巴伦。尽管如此,从时域观测巴伦的输出可以增加了解其工作原理。图3为两个不同的晶振和两种不同巴伦产生的波形。图3左侧是LVPECL 156.25MHz晶振波形,右侧是LVDS 312.5MHz晶振波形。底部是有隔离巴伦的情况,顶部是无(额外)隔离巴伦的情况。无隔离巴伦产生的波形噪声更大,其外部衰减器则会降低噪声。每张图都包含一条使用两通道示波器测量的不带巴伦的曲线以供参考(图2a),将两个通道的信号相减,从而得到差分信号。

 

3:使用有隔离巴伦(下)和无隔离巴伦(上)测量156.25MHz LVPECL(左)和312.5MHz LVDS(右)晶体振荡器波形。

巴伦的插入损耗显然是有巴伦情况下信号峰值小于无巴伦情况下参考波形的原因。不带隔离的巴伦降低了LVPECL和LVDS波形的信号完整性。逻辑电平波形的不平坦表明了巴伦差分端口影响待测器件导致信号失真。相比之下,带隔离的巴伦输出明显更干净的波形。在巴伦的差分端口增加外部衰减器(图2b),信号波形的完整性随衰减增加而改善。在本例中,不带隔离的巴伦输入端口需要9dB的外部衰减,以恢复“无巴伦”时的波形(即归一化每条曲线,使峰值相互重叠)。

有趣的是,图4表明巴伦作为分路器比其作为合路器输出的波形更干净。图4中的信号根据图2中a和c所示设置测得,使用不带隔离巴伦、LVPECL晶振、且没有外部衰减。

 

4:巴伦作为分路器得到的差分信号比作为合路器更干净。

以上信号完整性降低的原因,可以大部分归因于巴伦隔离度不够。图5a说明了没有隔离的巴伦在其差分端口之间的信号泄露非常可观。来自一个差分端口的泄露信号干扰了另一个差分端口前向传输信号。取决于驱动器的架构,在待测器件输出驱动器处也会出现信号泄露并会影响其正常工作。

5:具有较差隔离度的巴伦(a)导致信号在巴伦内部泄露。通过增加隔离度(b)或者增加外部衰减器(c)可以降低信号泄露。巴伦作为分路器(d)时不存在信号泄露,所以输出波形也更加干净。

图3中带隔离巴伦的波形信号完整性较好,是因为巴伦内部的额外隔离衰减了此泄露电流(图5b)。给不带隔离的巴伦增加外部衰减器,如图5c,并不能防止差分端口之间的信号泄露,但是和没有外部衰减器的情况相比,泄露的信号的确被衰减了。此外,外部衰减器减少了待测器件输出驱动器端出现的信号泄露。当此泄露信号从一个输出驱动器通过巴伦传导到另一个输出驱动器的过程中其实被衰减了两次(每个衰减器衰减一次)。比较图3中无隔离巴伦曲线中‘巴伦’和‘巴伦+9dB衰减’两组曲线,两者之间非常相似(在将两者最大值归一化之后),在待测器件输出驱动器电路端出现的信号泄露现象,是巴伦输出信号噪声的主要来源。

最后,如图4和图5d所示,巴伦作为分路器比作为合路器时波形更干净,因为待测器件输出驱动器并没有获得来自巴伦的泄露信号。

随机相位噪声

如图2b中的设置,使用合路器巴伦进行相位噪声测量。相位噪声是在频域测量信号相位的变化。通过处理相位噪声测量数据,可以得到相位抖动值,其均方根值用秒表示。相位噪声积分曲线,以-10dB每格的速度下降至初始交汇点[6]。

图6a反映了外部衰减器如何大幅度改变测得的LVPECL晶振的相位噪声。没有衰减的情况下,不带隔离巴伦相位噪声测量,距中心频点约600KHz以下结果较好,600KHz以上结果较差。增加3dB的衰减可以大幅度降低巴伦在相位噪声测量中引起的器件误差。随着衰减的增加,改善的幅度减小甚至最终消失。使用6dB衰减器(本文未给出)和9dB衰减器的相位噪声曲线是重叠的。

6:使用无隔离巴伦(a)和有隔离巴伦(b)对LVPECL 156.25MHz晶振相位噪声的测量结果,说明了外部衰减对测量的影响。

图6b反映了有隔离的巴伦相位噪声测量结果和外部衰减器的衰减量无关,说明在巴伦内部增加隔离度大幅度消除了巴伦在测量中引入的器件误差。因此为无隔离巴伦增加外部衰减和在巴伦内部增加隔离的效果同样好。

为减小巴伦在相位噪声测量中的器件误差而增加外部衰减的缺点是降低了进入相位噪声分析仪的信号功率,从而可能降低测量数据的准确性。Keysight相位噪声分析仪在其PLL内部集成了基于二极管的需要直流偏置的相位探测器。因此推荐输入信号的功率范围为0-5dBm。增加外部衰减实际上将待测信号降低到仪器的噪声本底之下。打开仪器中的互相关功能有助于提取待测信号,然而互相关功能需要增加测量时间,且不见得管用:取决于待测信号比仪器的噪声本底低多少。仪器的噪声本底对相位噪声测量的影响可参见图6,和较低衰减对应的曲线相比,其中9dB的外部衰减对应曲线在最低相位噪声水平反而高(如偏离中心频点2MHz以外)。

因此在差分端口使用高隔离度的巴伦是非常重要的。如果需要外部衰减,要使用能获得稳定数据的最小衰减量。确定最优的衰减值可以小幅度增加衰减,直到噪声数据不再变化为止。然后选择可以得到此测量数据的最小衰减值。在图6a中,最优的衰减值为6dB(本文未给出)。在图6b中,不需要外部衰减。

除了巴伦端口之间较差的隔离度带来的信号损失,在特征阻抗(通常是50欧姆)失配的传输线接口处也会造成反射。这些反射和前向传播信号合并形成驻波。此时线缆两端待测器件和巴伦端口处的电压幅度(和电流)是线缆长度的函数,会影响待测器件和巴伦的正常工作。VSWR测量的是驻波最大值和最小值之间的比例。具有理想负载的元器件的VSWR值为1,表明线缆中任意位置的电压(和电流)是恒定的。实际上元器件的VSWR都是大于1的。待测器件驱动器阻抗是看向巴伦的,因此是连接待测器件和巴伦的线缆长度的函数。图7说明改变线缆长度会影响信号完整性和相位噪声特征。

7:使用无隔离巴伦、6英寸同轴线(a)和18英寸同轴线(b)测得的LVPECL 156.25MHz晶振波形和相位噪声。

理论上,线缆长度越长,所述传输线效应越明显。较短的传输线中,待测器件到巴伦的时延比信号转换时间短,反射在影响信号之前就完成了。从频域角度分析,较长的传输线相位延迟随频率变化更多。从时域角度分析,较长的传输线时延较长,当发生反射时,造成的驻波和干扰的效果也越大。通过选用回波损耗性能优秀的巴伦(防止最初的反射)和待测器件(防止次生反射)可以减小这些效应。

杂散相位噪声

虽然相位噪声分析仪可以测得原始相位噪声(单位dBc/Hz),它也能通过数据后处理来检测杂散相位噪声。相位噪声数据dBc/Hz可以和杂散数据以幅度比的形式绘制,杂散数据可以使用不同的颜色以便区分其单位变化(因为两者共用Y轴刻度)。图8 a和b是按此方法绘制的312.5MHz LVDS XO的两个杂散相位噪声曲线。按照图2d中设置测量,图8 c和d使用水平线量化单端信号杂散的幅度。单端杂散幅度用水平线表示,差分杂散幅度是衰减量的函数,用柱状图表示。这些线对应OUT+和OUT-。对于此待测器件来说,其两个输出端口杂散幅度是不同的。图8 c和d表明按照图2b中设置,使用无隔离巴伦测得的杂散幅度。可见,通过增加外部衰减的幅度,基本上可以将杂散的幅度降低至单端杂散幅度(用dBc表示)平均值水平。

8LVDS 312.5MHz晶振的相位噪声(a),其中监测到39MHz78MHz杂散(b),并测得杂散的相对幅度(c)和(d)。

串联端接

为了进一步分析元件反射效应和巴伦隔离度对相位噪声测量的影响,待测器件输出端通过串联端接和传输线进行阻抗匹配后,再连接到无隔离的巴伦。确切的说,测得LVPECL XO输出阻抗在156MHz为35欧姆,所以图2e中串联电阻Rs的阻值为15欧姆。同理可得,LVDS XO输出阻抗在78MHz和312MHz分别为3欧姆和13欧姆,所以图2f中串联电阻Rs分别为47欧姆和37欧姆。这两种情况下,使用串联端接的相位噪声测量结果都更加准确。

图9总结了以上两种情况的测量结果。红色曲线是原始的相位噪声数据,测量使用无隔离巴伦、无串联端接、且无外部衰减。绿色曲线除使用串联端接以外,其余和红色曲线测量条件相同。蓝色曲线和绿色曲线条件相似,但在得到稳定相位噪声曲线的基础上增加了更多的衰减(即减少3dB衰减也能测得和图9中相同的蓝色曲线数据)。蓝色曲线和使用带隔离的巴伦测得的数据相同,因此代表了此待测器件相位噪声测量的最准确结果。串联端接(绿色曲线)可以改善相位噪声测量。

 

9156.25MHz LVPECL XOa)和78.125MHz LVDS XOb)使用无隔离巴伦测得输出驱动器不同的阻值及衰减情况下待测器件的相位噪声曲线。

由于巴伦、线缆和待测器件输出端都没有完美匹配到50欧姆,也没有互相匹配,导致驻波和震荡的反射就会发生。这些反射和巴伦隔离度较低导致的信号泄露,共同形成了从巴伦传导至待测器件的反向信号。如果待测器件输出缓冲放大器和其内部的VCO、震荡电路或其他器件之间隔离度较差的话,就会影响待测器件输出信号的相位噪声。使用串联端接将待测器件和传输线阻抗进行匹配,可以吸收反射信号,防止其在待测器件和巴伦之间往复传播。端接阻抗对相位噪声的影响和增加外部衰减相似(比较图9a和图6a)。在待测器件和巴伦之间增加衰减,以2倍于衰减值的方式,有效地改善了负载的回波损耗。

虽然差分时钟输出缓冲放大器被设计成用于驱动50欧姆负载,但是其输出阻抗往往不是50欧姆。使用50欧姆终端负载的测量仪器时,这个问题并不明显,但是当遇到非理想负载的情况就麻烦了。虽然一般普通相位噪声测量时,将待测器件进行串联端接并不实际,选用高回波损耗的器件(低VSWR)依然可以最小化反射波。此外通过使用尽可能短的线缆(巴伦和待测器件之间的线尽量短以防止信号震荡)以降低反射和低隔离导致的驻波。

结论

由巴伦较差的隔离度和阻抗不理想的元件反射共同引起的反向泄露信号会从巴伦传导至待测器件。由于待测器件本身输出阻抗并没有和传输线匹配,反向信号在待测器件输出缓冲放大器处再次反射并在待测器件和巴伦之间往复传播。这最终形成了震荡的驻波,并可能会影响待测器件的工作。如果待测器件的输出缓冲放大器与其内部的VCO、振荡器以及其他器件之间的隔离度较差,此器件产生的相位噪声就会改变。

在相位噪声测量中,增加巴伦对特定的待测器件的影响难以预测。能否测得巴伦的影响取决于很多复杂的因素。这些影响会导致相位噪声测量数据和真实值相比变好或变差。以下是按照优先级罗列了减小测量误差的一些建议。

1、优先选择高隔离度(平衡端口到另一平衡端口之间的隔离度)和高回波损耗的巴伦。所选巴伦应该具有高共模抑制比和较好的幅度相位平衡性。如果其它参数都相同的情况下,选择低插入损耗的巴伦。

2、在巴伦和待测器件之间使用短的相位匹配的同轴线缆。

3、在巴伦和待测器件之间使用最少的外部衰减量,从高衰减逐步降低衰减量,直至信号波形开始变化时的衰减量就是最小必须衰减量。

4、如果巴伦的端口对地直流短路,在巴伦的差分端口使用直流隔离器。

从相位噪声测量的角度看,市场上的巴伦可以分为通用产品和高性能产品。通用的巴伦一般具有±1dB的幅度平衡性和±10度的相位平衡性、6dB的隔离度、10dB的回波损耗和20dB的共模抑制比,有的巴伦的指标比这些还低。高性能巴伦通常具有±0.5dB的幅度平衡性和±5度的相位平衡性、15dB的隔离度、15dB的回波损耗和25dB的共模抑制比,有的巴伦的指标比这些还高。只有少数高性能巴伦具有高隔离度,具有高隔离度的巴伦通常被称作180度混合合路器/分路器。抛开这些专业词汇,用于相位噪声测量的巴伦要注重以上高性能参数,尤其是注重隔离度和回波损耗。低插入损耗的巴伦也能改善相位噪声测量,根据架构不同,改善程度一般在3.5dB到6.5dB之间。(译者:于斌)

鸣谢

作者特此感谢前Agilent公司Bob Temple博士、Keysight 公司Tony Wade、CTS公司Dan Nehring、Valon公司Stuart Rumley和Microchip公司 Pierre Guebels 和 Boris Drakhlis的意见和建议。

参考文献

1.    D. Brooks, "Differential Signals: Rules to Live By," Printed Circuit Design, CMP Media Inc., October 2001, https://www.ieee.li/pdf/essay/differential_signals.pdf.

2.    T. H. Lee and A. Hajimiri, "Oscillator Phase Noise: A Tutorial," IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 35, No. 3, March 2000, pp. 326–336.

3.    D. Jorgesen and C. Marki, "A Tutorial on Baluns, Balun Transformers, Magic-Ts, and 180°Hybrids," Marki Microwave, Application Note, 2014, https://www.markimicrowave.com/Assets/appnotes/balun_basics_primer.pdf.

4.    "E5052B Signal Source Analyzer," Keysight Technologies, Product Brochure 5989-6389EN, 2009.

5.    "Product Catalog for Broadband Test and Measurement Baluns," Marki Microwave, www.markimicrowave.com/3595/Baluns_/_Inverters.aspx?ShowTab=32.

6.    G. Giust, “Determine the Dominant Source of Phase Noise By Inspection,” JitterLabs, NOTE-4, Technical Note, 2016, www.jitterlabs.com/support/publications.


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