相位噪聲應該如何測量?文澤爾晶振來告訴你該怎么做
來源：http://eitherspanlaw.com 作者：億金電子 2020年04月28
相位噪聲是石英晶振產品的性能之一,同時,它也是石英晶振產品性能優(yōu)越的決定性因素之一,這通常是由諧波分量而造成的,所以諧波分量的多少也決定著相位噪聲的高低程度,而隨著行業(yè)的發(fā)展,現(xiàn)在的應用市場對低相噪石英晶振產品的需求會逐漸形成體系.那么問題來了,我到底應該怎么去測量相位噪聲呢?怎樣拿到確切的標準以判斷相位噪聲的高低呢?
針對這樣的問題,文澤爾晶振就發(fā)布了相對應的文章,文中明確說到應該采用什么樣的方式去測量相位噪聲,以及相關的注意事項和邏輯分析.在該文中文澤爾晶振采用的低噪聲放大器,當測量相位噪聲時,相比較于50歐姆電阻來說,具有更低的輸入噪聲.
低噪聲振蕩器和信號源的相位噪聲通常是通過在鎖相環(huán)中測量相位比較器輸出端的音頻噪聲電壓來確定的.相位比較器通常是低噪聲雙平衡混頻器,其相位斜率從每弧度的十分之幾伏到每弧度的幾伏.對于非常低的噪聲源,這種類型的鑒相器的低轉換增益產生的信號在每納赫茲納伏的納伏范圍內,該信號低于大多數(shù)頻譜分析儀的本底噪聲.合適的低噪聲前置放大器很容易由分立元件或現(xiàn)代低噪聲運算放大器構成.
除了噪聲電壓,對放大器的要求沒有特別要求.由于鑒相器的輸出阻抗低,因此大多數(shù)放大器電路的輸入阻抗就足夠了.從幾赫茲到100kHz的頻率響應通常就足夠了,輸出負載通常是高阻抗頻譜分析儀和示波器.鑒相器輸出阻抗非常低,因此普通雙極晶體管的噪聲電流足夠低.例如,當源為典型的肖特基二極管混頻器時,普通的2N4403晶體管在10Hz時的噪聲電壓低于1納伏.幾種運算放大器的噪聲電壓低于3納伏,而少數(shù)運算放大器的噪聲電壓低于1納伏.由這些部件中的任何一個組成的簡單放大器在大多數(shù)應用中都將表現(xiàn)良好.大塊金屬電阻,繞線電阻和金屬膜電阻器幾乎沒有多余的噪聲,應代替碳膜或碳組成類型使用.應避免使用大多數(shù)電位計,因為薄膜和金屬陶瓷類型的噪聲很大.
盡管對放大器的要求很小,但是可以增加一些功能來增強測量系統(tǒng).相位檢測器的相位斜率通常是通過觀察自由運行振蕩器的節(jié)拍來測量的.大多數(shù)簡單的放大器電路在過載時都會使該拍子失真,因此在檢查相位斜率時必須將其斷開.在某些情況下,將出現(xiàn)重新連接放大器是否改變相位斜率的問題.例如,可以省去在相位檢測器的輸出處使用的正常的低阻抗終端,以實現(xiàn)更高的相位斜率,但是這種未端接的相位檢測器可能對輸出負載的變化敏感.可調增益放大器保持連接至輸入可避免該問題.放大器的增益設置為1以測量相位斜率,然后切換到高增益以進行測量.
另一個理想的特征是可調的低頻衰減.放大器應具有直流響應能力,兩個或三個交流高通選擇將很有幫助.直流響應允許非常近距離的相位噪聲測量,而交流響應允許對本底噪聲進行高增益測量,即使存在高電平的近距離噪聲也是如此.當觀察示波器上的”跳躍”振蕩器時,較高的高頻高通響應也很有用.還建議采用2.5Hz的高通衰減,因為許多相位噪聲測量僅會降低到10Hz,而高通將減少”建立時間”.直流增益應低于40dB,因為它主要用于近距離噪聲,并且在測量噪聲振蕩器時,過多的增益可能會導致削波.(或者,可以通過衰減相位檢測器輸入之一來減小檢測器的相位斜率,但是在放大器上進行簡單的增益開關更為方便.)
放大器的輸入端應進行射頻濾波,以使相位檢測器的載波頻率和總和頻率不到達增益級.一個簡單的L-C濾波器通常具有足夠的諧振頻率,該諧振頻率遠高于放大器的頻率響應,而遠低于所測量的有源貼片晶振頻率.如果放大器的響應必須接近振蕩器的頻率,則必須進行更復雜的濾波.例如,要測量高達100kHz的1MHz振蕩器的相位噪聲,可能需要一個特殊的濾波器來防止放大器過載.可以在放大器上放置特定的頻率陷阱以降低特定的頻率.
另一個方便之處是鑒相器和PLL放大器之間的單位增益緩沖放大器.該緩沖器可防止PLL電路由于PLL放大器過載而干擾相位斜率測量.高阻抗緩沖器還防止PLL電路元件限制低噪聲放大器的效用.例如,放大器可用于測量原型電路中的音頻噪聲,但是低電阻的PLL輸入電阻可能會過度加載要測量的點.
圖1顯示了具有上述功能的完整超低噪聲放大器.輸入電路包括兩個2SK369JFET并聯(lián)連接,以實現(xiàn)極低的噪聲電壓.這些令人驚訝的低噪聲晶體管的本底噪聲接近0.7納伏,而在10Hz時噪聲僅升至1.5納伏.JFET和LM833的第一級提供30dB的直流耦合增益.有源晶振顯示的噪聲足以引起該級的削波,因此噪聲很大,可以將增益設置為0dB進行測量!包括第二個30dB放大器,用于交流耦合設置,總交流增益為60dB.通過多極開關選擇三個交流頻率響應.緩沖器驅動兩個BNC連接器,一個用于頻譜分析儀,另一個用于示波器.PLL非常普通,除了在輸入端提供了一個緩沖器,并增加了一個手動”轉換”開關以加快鎖相速度.R1,R2和C1可以與接線柱連接,以方便修改.可以在PLL輸出上添加一個10k電位器,以手動調整各種振蕩器的調諧靈敏度.
放大器電路僅需進行一次調整.必須選擇2N5639的源電阻,以使放大器的輸出在輸入短路的情況下接近零伏.該FET是一個簡單的電流源,它吸收的電流足夠使2SK369s的漏極電壓降至LM833的正輸入端上的電壓(由電阻分壓器設置).只要Idss高于約25mA,其他FET即可代替2N5639.
以上就是文澤爾關于用于石英晶體振蕩器產品相位噪聲測量的低噪聲放大器的詳細介紹,從該文中可看出,在測量過程中使用它會使得測量的數(shù)據(jù)更加精準,它最大的特點就是輸入噪聲小,對測量結果的影響微乎其微,所以這種方法相對來說測量效果還是比較好的.
低噪聲振蕩器和信號源的相位噪聲通常是通過在鎖相環(huán)中測量相位比較器輸出端的音頻噪聲電壓來確定的.相位比較器通常是低噪聲雙平衡混頻器,其相位斜率從每弧度的十分之幾伏到每弧度的幾伏.對于非常低的噪聲源,這種類型的鑒相器的低轉換增益產生的信號在每納赫茲納伏的納伏范圍內,該信號低于大多數(shù)頻譜分析儀的本底噪聲.合適的低噪聲前置放大器很容易由分立元件或現(xiàn)代低噪聲運算放大器構成.
除了噪聲電壓,對放大器的要求沒有特別要求.由于鑒相器的輸出阻抗低,因此大多數(shù)放大器電路的輸入阻抗就足夠了.從幾赫茲到100kHz的頻率響應通常就足夠了,輸出負載通常是高阻抗頻譜分析儀和示波器.鑒相器輸出阻抗非常低,因此普通雙極晶體管的噪聲電流足夠低.例如,當源為典型的肖特基二極管混頻器時,普通的2N4403晶體管在10Hz時的噪聲電壓低于1納伏.幾種運算放大器的噪聲電壓低于3納伏,而少數(shù)運算放大器的噪聲電壓低于1納伏.由這些部件中的任何一個組成的簡單放大器在大多數(shù)應用中都將表現(xiàn)良好.大塊金屬電阻,繞線電阻和金屬膜電阻器幾乎沒有多余的噪聲,應代替碳膜或碳組成類型使用.應避免使用大多數(shù)電位計,因為薄膜和金屬陶瓷類型的噪聲很大.
盡管對放大器的要求很小,但是可以增加一些功能來增強測量系統(tǒng).相位檢測器的相位斜率通常是通過觀察自由運行振蕩器的節(jié)拍來測量的.大多數(shù)簡單的放大器電路在過載時都會使該拍子失真,因此在檢查相位斜率時必須將其斷開.在某些情況下,將出現(xiàn)重新連接放大器是否改變相位斜率的問題.例如,可以省去在相位檢測器的輸出處使用的正常的低阻抗終端,以實現(xiàn)更高的相位斜率,但是這種未端接的相位檢測器可能對輸出負載的變化敏感.可調增益放大器保持連接至輸入可避免該問題.放大器的增益設置為1以測量相位斜率,然后切換到高增益以進行測量.
另一個理想的特征是可調的低頻衰減.放大器應具有直流響應能力,兩個或三個交流高通選擇將很有幫助.直流響應允許非常近距離的相位噪聲測量,而交流響應允許對本底噪聲進行高增益測量,即使存在高電平的近距離噪聲也是如此.當觀察示波器上的”跳躍”振蕩器時,較高的高頻高通響應也很有用.還建議采用2.5Hz的高通衰減,因為許多相位噪聲測量僅會降低到10Hz,而高通將減少”建立時間”.直流增益應低于40dB,因為它主要用于近距離噪聲,并且在測量噪聲振蕩器時,過多的增益可能會導致削波.(或者,可以通過衰減相位檢測器輸入之一來減小檢測器的相位斜率,但是在放大器上進行簡單的增益開關更為方便.)
放大器的輸入端應進行射頻濾波,以使相位檢測器的載波頻率和總和頻率不到達增益級.一個簡單的L-C濾波器通常具有足夠的諧振頻率,該諧振頻率遠高于放大器的頻率響應,而遠低于所測量的有源貼片晶振頻率.如果放大器的響應必須接近振蕩器的頻率,則必須進行更復雜的濾波.例如,要測量高達100kHz的1MHz振蕩器的相位噪聲,可能需要一個特殊的濾波器來防止放大器過載.可以在放大器上放置特定的頻率陷阱以降低特定的頻率.
另一個方便之處是鑒相器和PLL放大器之間的單位增益緩沖放大器.該緩沖器可防止PLL電路由于PLL放大器過載而干擾相位斜率測量.高阻抗緩沖器還防止PLL電路元件限制低噪聲放大器的效用.例如,放大器可用于測量原型電路中的音頻噪聲,但是低電阻的PLL輸入電阻可能會過度加載要測量的點.
圖1顯示了具有上述功能的完整超低噪聲放大器.輸入電路包括兩個2SK369JFET并聯(lián)連接,以實現(xiàn)極低的噪聲電壓.這些令人驚訝的低噪聲晶體管的本底噪聲接近0.7納伏,而在10Hz時噪聲僅升至1.5納伏.JFET和LM833的第一級提供30dB的直流耦合增益.有源晶振顯示的噪聲足以引起該級的削波,因此噪聲很大,可以將增益設置為0dB進行測量!包括第二個30dB放大器,用于交流耦合設置,總交流增益為60dB.通過多極開關選擇三個交流頻率響應.緩沖器驅動兩個BNC連接器,一個用于頻譜分析儀,另一個用于示波器.PLL非常普通,除了在輸入端提供了一個緩沖器,并增加了一個手動”轉換”開關以加快鎖相速度.R1,R2和C1可以與接線柱連接,以方便修改.可以在PLL輸出上添加一個10k電位器,以手動調整各種振蕩器的調諧靈敏度.
以上就是文澤爾關于用于石英晶體振蕩器產品相位噪聲測量的低噪聲放大器的詳細介紹,從該文中可看出,在測量過程中使用它會使得測量的數(shù)據(jù)更加精準,它最大的特點就是輸入噪聲小,對測量結果的影響微乎其微,所以這種方法相對來說測量效果還是比較好的.
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