相位噪声的度量是个技术活,但似乎也没想象中那么难

相位噪声的度量是个技术活,但似乎也没想象中那么难

针对如何测量相位噪声这样的问题,文泽尔晶振就发布了相对应的文章,文中明确说到应该采用什么样的方式去测量相位噪声,以及相关的注意事项和逻辑分析.在该文中文泽尔晶振采用的低噪声放大器,当测量相位噪声时,相比较于50欧姆电阻来说,具有更低的输入噪声.

低噪声振荡器和信号源的相位噪声通常是通过在锁相环中测量相位比较器输出端的音频噪声电压来确定的.相位比较器通常是低噪声双平衡混频器,其相位斜率从每弧度的十分之几伏到每弧度的几伏.对于非常低的噪声源,这种类型的鉴相器的低转换增益产生的信号在每纳赫兹纳伏的纳伏范围内,该信号低于大多数频谱分析仪的本底噪声.合适的低噪声前置放大器很容易由分立元件或现代低噪声运算放大器构成.

除了噪声电压,对放大器的要求没有特别要求.由于鉴相器的输出阻抗低,因此大多数放大器电路的输入阻抗就足够了.从几赫兹到100kHz的频率响应通常就足够了,输出负载通常是高阻抗频谱分析仪和示波器.鉴相器输出阻抗非常低,因此普通双极晶体管的噪声电流足够低.例如,当源为典型的肖特基二极管混频器时,普通的2N4403晶体管在10Hz时的噪声电压低于1纳伏.几种运算放大器的噪声电压低于3纳伏,而少数运算放大器的噪声电压低于1纳伏.由这些部件中的任何一个组成的简单放大器在大多数应用中都将表现良好.大块金属电阻,绕线电阻和金属膜电阻器几乎没有多余的噪声,应代替碳膜或碳组成类型使用.应避免使用大多数电位计,因为薄膜和金属陶瓷类型的噪声很大.

尽管对放大器的要求很小,但是可以增加一些功能来增强测量系统.相位检测器的相位斜率通常是通过观察自由运行振荡器的节拍来测量的.大多数简单的放大器电路在过载时都会使该拍子失真,因此在检查相位斜率时必须将其断开.在某些情况下,将出现重新连接放大器是否改变相位斜率的问题.例如,可以省去在相位检测器的输出处使用的正常的低阻抗终端,以实现更高的相位斜率,但是这种未端接的相位检测器可能对输出负载的变化敏感.可调增益放大器保持连接至输入可避免该问题.放大器的增益设置为1以测量相位斜率,然后切换到高增益以进行测量.

另一个理想的特征是可调的低频衰减.放大器应具有直流响应能力,两个或三个交流高通选择将很有帮助.直流响应允许非常近距离的相位噪声测量,而交流响应允许对本底噪声进行高增益测量,即使存在高电平的近距离噪声也是如此.当观察示波器上的”跳跃”振荡器时,较高的高频高通响应也很有用.还建议采用2.5Hz的高通衰减,因为许多相位噪声测量仅会降低到10Hz,而高通将减少”建立时间”.直流增益应低于40dB,因为它主要用于近距离噪声,并且在测量噪声振荡器时,过多的增益可能会导致削波.(或者,可以通过衰减相位检测器输入之一来减小检测器的相位斜率,但是在放大器上进行简单的增益开关更为方便.)

放大器的输入端应进行射频滤波,以使相位检测器的载波频率和总和频率不到达增益级.一个简单的L-C滤波器通常具有足够的谐振频率,该谐振频率远高于放大器的频率响应,而远低于所测量的有源贴片晶振频率.如果放大器的响应必须接近振荡器的频率,则必须进行更复杂的滤波.例如,要测量高达100kHz的1MHz振荡器的相位噪声,可能需要一个特殊的滤波器来防止放大器过载.可以在放大器上放置特定的频率陷阱以降低特定的频率.

另一个方便之处是鉴相器和PLL放大器之间的单位增益缓冲放大器.该缓冲器可防止PLL电路由于PLL放大器过载而干扰相位斜率测量.高阻抗缓冲器还防止PLL电路元件限制低噪声放大器的效用.例如,放大器可用于测量原型电路中的音频噪声,但是低电阻的PLL输入电阻可能会过度加载要测量的点.

图1显示了具有上述功能的完整超低噪声放大器.输入电路包括两个2SK369JFET并联连接,以实现极低的噪声电压.这些令人惊讶的低噪声晶体管的本底噪声接近0.7纳伏,而在10Hz时噪声仅升至1.5纳伏.JFET和LM833的第一级提供30dB的直流耦合增益.有源晶振显示的噪声足以引起该级的削波,因此噪声很大,可以将增益设置为0dB进行测量!包括第二个30dB放大器,用于交流耦合设置,总交流增益为60dB.通过多极开关选择三个交流频率响应.缓冲器驱动两个BNC连接器,一个用于频谱分析仪,另一个用于示波器.PLL非常普通,除了在输入端提供了一个缓冲器,并增加了一个手动”转换”开关以加快锁相速度.R1,R2和C1可以与接线柱连接,以方便修改.可以在PLL输出上添加一个10k电位器,以手动调整各种振荡器的调谐灵敏度.

放大器电路仅需进行一次调整.必须选择2N5639的源电阻,以使放大器的输出在输入短路的情况下接近零伏.该FET是一个简单的电流源,它吸收的电流足够使2SK369s的漏极电压降至LM833的正输入端上的电压(由电阻分压器设置).只要Idss高于约25mA,其他FET即可代替2N5639.