相位噪聲應(yīng)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(chǎn)品的性能之一,同時,它也是石英晶振產(chǎn)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(yīng)用市場對低相噪石英晶振產(chǎn)品的需求會逐漸形成體系.那么問題來了,我到底應(yīng)該怎么去測量相位噪聲呢?怎樣拿到確切的標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)的文章,文中明確說到應(yīng)該采用什么樣的方式去測量相位噪聲,以及相關(guān)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(dāng)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(zhuǎn)換增益產(chǎn)生的信號在每納赫茲納伏的納伏范圍內(nèi),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(gòu)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(yīng)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(dāng)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(yīng)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(yīng)代替碳膜或碳組成類型使用.應(yīng)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(diào)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(shè)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(diào)的低頻衰減.放大器應(yīng)具有直流響應(yīng)能力,兩個或三個交流高通選擇將很有幫助.直流響應(yīng)允許非常近距離的相位噪聲測量,而交流響應(yīng)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(dāng)觀察示波器上的”跳躍”振蕩器時,較高的高頻高通響應(yīng)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(yīng)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(dǎo)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(guān)更為方便.)
放大器的輸入端應(yīng)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(yīng),而遠低于所測量的有源貼片晶振頻率.如果放大器的響應(yīng)必須接近振蕩器的頻率,則必須進行更復(fù)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(shè)置為0dB進行測量!包括第二個30dB放大器,用于交流耦合設(shè)置,總交流增益為60dB.通過多極開關(guān)選擇三個交流頻率響應(yīng).緩沖器驅(qū)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(zhuǎn)換”開關(guān)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(diào)整各種振蕩器的調(diào)諧靈敏度.
放大器電路僅需進行一次調(diào)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(shè)置).只要Idss高于約25mA,其他FET即可代替2N5639.
以上就是文澤爾關(guān)于用于石英晶體振蕩器產(chǎn)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(zhǔn),它最大的特點就是輸入噪聲小,對測量結(jié)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(zhuǎn)換增益產(chǎn)生的信號在每納赫茲納伏的納伏范圍內(nèi),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(gòu)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(yīng)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(dāng)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(yīng)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(yīng)代替碳膜或碳組成類型使用.應(yīng)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(diào)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(shè)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(diào)的低頻衰減.放大器應(yīng)具有直流響應(yīng)能力,兩個或三個交流高通選擇將很有幫助.直流響應(yīng)允許非常近距離的相位噪聲測量,而交流響應(yīng)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(dāng)觀察示波器上的”跳躍”振蕩器時,較高的高頻高通響應(yīng)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(yīng)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(dǎo)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(guān)更為方便.)
放大器的輸入端應(yīng)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(yīng),而遠低于所測量的有源貼片晶振頻率.如果放大器的響應(yīng)必須接近振蕩器的頻率,則必須進行更復(fù)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(shè)置為0dB進行測量!包括第二個30dB放大器,用于交流耦合設(shè)置,總交流增益為60dB.通過多極開關(guān)選擇三個交流頻率響應(yīng).緩沖器驅(qū)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(zhuǎn)換”開關(guān)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(diào)整各種振蕩器的調(diào)諧靈敏度.
以上就是文澤爾關(guān)于用于石英晶體振蕩器產(chǎn)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(zhǔn),它最大的特點就是輸入噪聲小,對測量結(jié)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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