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使用巴倫Balun測量相位噪聲

巴倫(平衡-不平衡轉換器)通常被用于測量差分時鐘和計時器的相位噪聲。雖然看似簡單易用,但是巴倫在測量中的作用相當復雜,不知不覺地會給測量結果引入器件誤差。本文介紹了這些器件誤差,討論了其產生的原因和消除誤差的方法。并給出了精確測量相位噪聲時所用巴倫的選型建議。

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差分時鐘信號在數據通信、無線、儀器和醫療等領域被廣泛應用。差分信號使用雙導體傳輸線,理論上每條導線上信號幅度相等但是相位相反,如LVPECL、LVDSCML。和單端信號相比,導線上的差分信號電壓波幅更小,故可工作在更高頻率。在供電電源條件相同時,差分信號的電壓波幅可以比單端信號更大,從而提高了差分信號的信噪比。

 

 

差分信號可以抑制共模噪聲,因此在嘈雜噪聲環境中表現更好。此外,差分信號計時更加精確,是因為和單端信號相比,差分信號的交叉位置更容易控制(取決于電壓超過某絕對參考電平)[1]。

 

相位噪聲量化了信號的短期相位波動[2],無疑是重要計時應用中評估時鐘和計時器件的重要參數。相位噪聲(和幅度噪聲)可以使用頻譜分析儀或者專用的相位噪聲分析儀測量,但儀器只能進行單端測量。將器件的差分信號轉為單端信號,需要有源探頭,差分到單端放大器或者是無源巴倫。因為巴倫在測量中不引入放大噪聲,適合于低噪聲情況下的測量。寬帶巴倫因為可以覆蓋較寬的頻率范圍而備受喜愛。

 

本文探討了如何使用巴倫測量差分時鐘信號的相位噪聲。首先討論了巴倫在測量中可能引入的器件誤差。給出的測量范例數據只為說明原理,并不代表典型情況或者壞的情況。實際上,巴倫對相位噪聲數據有無影響、影響多少都是很難預測的。本文分析了多種影響測量的因素,例如巴倫的選型、待測器件類型、連接待測器件和巴倫的線纜和元器件等。介紹了判斷巴倫是否影響相位噪聲測量的試驗方法。最后,給出了如何選擇巴倫,并如何用它進行準確的相位噪聲測量的建議。據筆者所知,本文是公開發表的第一篇關于巴倫如何測量相位噪聲的文章。

 

巴倫入門

 

1說明了巴倫在將平衡阻抗(即差分信號)轉換為不平衡阻抗(即單端信號)時的作用。巴倫本身很容易使用,只需要三個連接(兩個輸入和一個輸出)且無需供電。巴倫作為互易器件,兩端都可以作為輸入端。將單端信號轉換成差分信號的巴倫叫分路器。當反過來使用時,被稱為合路器。在正常模式下,理論上差分端口J2J3輸出等幅反相信號,不平衡端口J1通常和傳輸線進行阻抗匹配,一般為50歐姆。

 

 

巴倫的性能可以用幾個關鍵指標表示[3]。幅度平衡性(單位dB)是不平衡端口到一個平衡端口的差分插入損耗和不平衡端口到另一個平衡端口的差分插入損耗之間的差值。相位平衡性(單位度)是差分端口之間差分相移的差值。插入損耗(單位dB)是——刨除信號分路導致的額定損失之外的——在信號通路上增加巴倫引起的額外信號功率損失。隔離度(單位dB)是信號從一個差分端口進入(如J2),從另一個差分端口流出(J3)時,兩端口之間信號功率的比值?;夭〒p耗(單位dB)或電壓駐波比(VSWR)代表了巴倫與負載阻抗和源阻抗之間匹配的程度,一般為50歐姆。

 

最后,共模抑制比(CMRR)(單位dB)是共模增益對差模增益之比,反映了巴倫對于從平衡端口向不平衡端口傳輸的共模信號的衰減能力?;谑噶繉ο椒?,可以根據幅度和相位平衡性計算出CMRR。

 

測量設置

 

如圖2ad所示四種基本測量設置,使用高速實時示波器分析時鐘信號的信號完整性,使用信號源分析儀測量其相位噪聲[4]。雖然本研究分析了很多制造商的時鐘器件,本文只列舉兩種待測器件(DUT)的結果以便說明關鍵發現。兩種待測器件都是市售5mm*7mm表貼晶振(XO)。第一個待測器件是基于模擬乘法器的156.25MHz LVPECL XO。第二個待測器件是輸出頻率可根據內部鎖相環(PPL)調節的LVDS XO,其輸出頻率為78.125MHz312.5MHz。兩種待測器件的端口用于驅動50歐姆測量設備,如圖2ef所示。除非另作說明,圖2測量設置中使用0.1μF AC耦合電容和0歐姆串聯終端電阻。

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2:使用示波器(a)、巴倫合路器(b)、巴倫分路器(c)和單端相位噪聲分析儀(d)的測量設置,測量待測器件LVPECL(e)和LVDS(f)的輸出。


部分測量設置使用的巴倫連接或不連接同軸固定衰減器(即衰減器)。雖然研究了多個供應商的巴倫,為了說明關鍵發現,在此只舉出2個寬帶巴倫。兩個巴倫都來自Marki Microwave公司測試和測量產品線[5],即BAL0006 (200kHz6GHz)BAL0036 (300kHz36GHz)。

 

選擇這兩個巴倫是因為兩者的隔離度不同。BAL0006在待測器件工作頻點上有6dB的隔離度,而BAL0036隔離度提高至10dB,且在較高頻率隔離度提高更多。為清晰起見,本文簡稱BAL0036為有隔離巴倫,BAL0006為無(額外)隔離巴倫。

 

由于相位噪聲分析儀輸入端口只能接收交流信號,待測器件和此設備之間必須要加直流隔離器。一般來說,在巴倫的兩端都可以加直流隔離器。然而如果巴倫的端口對地直流短路(參考其數據手冊),當巴倫被用作合路器時,在巴倫的輸入端口必須設置直流隔離器。因此,最好養成將直流隔離器加在巴倫的輸入端(即差分端口)的習慣,如圖2所示。

 

信號完整性

 

示波器通常有不止一個輸入端口,所以測量時不需要巴倫。盡管如此,從時域觀測巴倫的輸出可以增加了解其工作原理。圖3為兩個不同的晶振和兩種不同巴倫產生的波形。圖3左側是LVPECL 156.25MHz晶振波形,右側是LVDS 312.5MHz晶振波形。底部是有隔離巴倫的情況,頂部是無(額外)隔離巴倫的情況。無隔離巴倫產生的波形噪聲更大,其外部衰減器則會降低噪聲。每張圖都包含一條使用兩通道示波器測量的不帶巴倫的曲線以供參考(圖2a),將兩個通道的信號相減,從而得到差分信號。

 

 

3:使用有隔離巴倫(下)和無隔離巴倫(上)測量156.25MHz 


LVPECL(左)和312.5MHz LVDS(右)晶體振蕩器波形。

巴倫的插入損耗顯然是有巴倫情況下信號峰值小于無巴倫情況下參考波形的原因。不帶隔離的巴倫降低了LVPECLLVDS波形的信號完整性。邏輯電平波形的不平坦表明了巴倫差分端口影響待測器件導致信號失真。相比之下,帶隔離的巴倫輸出明顯更干凈的波形。在巴倫的差分端口增加外部衰減器(圖2b),信號波形的完整性隨衰減增加而改善。在本例中,不帶隔離的巴倫輸入端口需要9dB的外部衰減,以恢復無巴倫時的波形(即歸一化每條曲線,使峰值相互重疊)。

 

有趣的是,圖4表明巴倫作為分路器比其作為合路器輸出的波形更干凈。圖4中的信號根據圖2ac所示設置測得,使用不帶隔離巴倫、LVPECL晶振、且沒有外部衰減。

 

4:巴倫作為分路器得到的差分信號比作為合路器更干凈


以上信號完整性降低的原因,可以大部分歸因于巴倫隔離度不夠。圖5a說明了沒有隔離的巴倫在其差分端口之間的信號泄露非??捎^。來自一個差分端口的泄露信號干擾了另一個差分端口前向傳輸信號。取決于驅動器的架構,在待測器件輸出驅動器處也會出現信號泄露并會影響其正常工作。

 


 

5:具有較差隔離度的巴倫(a)導致信號在巴倫內部泄露。通過增加隔離度(b)或者增加外部衰減器(c)可以降低信號泄露。巴倫作為分路器(d)時不存在信號泄露,所以輸出波形也更加干凈。


3中帶隔離巴倫的波形信號完整性較好,是因為巴倫內部的額外隔離衰減了此泄露電流(圖5b)。給不帶隔離的巴倫增加外部衰減器,如圖5c,并不能防止差分端口之間的信號泄露,但是和沒有外部衰減器的情況相比,泄露的信號的確被衰減了。此外,外部衰減器減少了待測器件輸出驅動器端出現的信號泄露。當此泄露信號從一個輸出驅動器通過巴倫傳導到另一個輸出驅動器的過程中其實被衰減了兩次(每個衰減器衰減一次)。比較圖3中無隔離巴倫曲線中巴倫巴倫+9dB衰減兩組曲線,兩者之間非常相似(在將兩者最大值歸一化之后),在待測器件輸出驅動器電路端出現的信號泄露現象,是巴倫輸出信號噪聲的主要來源。

 

最后,如圖4和圖5d所示,巴倫作為分路器比作為合路器時波形更干凈,因為待測器件輸出驅動器并沒有獲得來自巴倫的泄露信號。

 

隨機相位噪聲

 

如圖2b中的設置,使用合路器巴倫進行相位噪聲測量。相位噪聲是在頻域測量信號相位的變化。通過處理相位噪聲測量數據,可以得到相位抖動值,其均方根值用秒表示。相位噪聲積分曲線,以-10dB每格的速度下降至初始交匯點[6]。

6a反映了外部衰減器如何大幅度改變測得的LVPECL晶振的相位噪聲。沒有衰減的情況下,不帶隔離巴倫相位噪聲測量,距中心頻點約600KHz以下結果較好,600KHz以上結果較差。增加3dB的衰減可以大幅度降低巴倫在相位噪聲測量中引起的器件誤差。隨著衰減的增加,改善的幅度減小甚至最終消失。使用6dB衰減器(本文未給出)和9dB衰減器的相位噪聲曲線是重疊的。

 

 

6:使用無隔離巴倫(a)和有隔離巴倫(b)對LVPECL 156.25MHz晶振相位噪聲的測量結果,說明了外部衰減對測量的影響。

 

6b反映了有隔離的巴倫相位噪聲測量結果和外部衰減器的衰減量無關,說明在巴倫內部增加隔離度大幅度消除了巴倫在測量中引入的器件誤差。因此為無隔離巴倫增加外部衰減和在巴倫內部增加隔離的效果同樣好。

 

為減小巴倫在相位噪聲測量中的器件誤差而增加外部衰減的缺點是降低了進入相位噪聲分析儀的信號功率,從而可能降低測量數據的準確性。Keysight相位噪聲分析儀在其PLL內部集成了基于二極管的需要直流偏置的相位探測器。因此推薦輸入信號的功率范圍為0-5dBm。增加外部衰減實際上將待測信號降低到儀器的噪聲本底之下。打開儀器中的互相關功能有助于提取待測信號,然而互相關功能需要增加測量時間,且不見得管用:取決于待測信號比儀器的噪聲本底低多少。儀器的噪聲本底對相位噪聲測量的影響可參見圖6,和較低衰減對應的曲線相比,其中9dB的外部衰減對應曲線在最低相位噪聲水平反而高(如偏離中心頻點2MHz以外)。

 

因此在差分端口使用高隔離度的巴倫是非常重要的。如果需要外部衰減,要使用能獲得穩定數據的最小衰減量。確定最優的衰減值可以小幅度增加衰減,直到噪聲數據不再變化為止。然后選擇可以得到此測量數據的最小衰減值。在圖6a中,最優的衰減值為6dB(本文未給出)。在圖6b中,不需要外部衰減。

除了巴倫端口之間較差的隔離度帶來的信號損失,在特征阻抗(通常是50歐姆)失配的傳輸線接口處也會造成反射。這些反射和前向傳播信號合并形成駐波。此時線纜兩端待測器件和巴倫端口處的電壓幅度(和電流)是線纜長度的函數,會影響待測器件和巴倫的正常工作。VSWR測量的是駐波最大值和最小值之間的比例。具有理想負載的元器件的VSWR值為1,表明線纜中任意位置的電壓(和電流)是恒定的。實際上元器件的VSWR都是大于1的。待測器件驅動器阻抗是看向巴倫的,因此是連接待測器件和巴倫的線纜長度的函數。圖7說明改變線纜長度會影響信號完整性和相位噪聲特征。

 

 

 

理論上,線纜長度越長,所述傳輸線效應越明顯。較短的傳輸線中,待測器件到巴倫的時延比信號轉換時間短,反射在影響信號之前就完成了。從頻域角度分析,較長的傳輸線相位延遲隨頻率變化更多。從時域角度分析,較長的傳輸線時延較長,當發生反射時,造成的駐波和干擾的效果也越大。通過選用回波損耗性能優秀的巴倫(防止最初的反射)和待測器件(防止次生反射)可以減小這些效應。

 

雜散相位噪聲

 

雖然相位噪聲分析儀可以測得原始相位噪聲(單位dBc/Hz),它也能通過數據后處理來檢測雜散相位噪聲。相位噪聲數據dBc/Hz可以和雜散數據以幅度比的形式繪制,雜散數據可以使用不同的顏色以便區分其單位變化(因為兩者共用Y軸刻度)。圖8 ab是按此方法繪制的312.5MHz LVDS XO的兩個雜散相位噪聲曲線。按照圖2d中設置測量,圖8 cd使用水平線量化單端信號雜散的幅度。單端雜散幅度用水平線表示,差分雜散幅度是衰減量的函數,用柱狀圖表示。這些線對應OUT+OUT-。對于此待測器件來說,其兩個輸出端口雜散幅度是不同的。圖8 cd表明按照圖2b中設置,使用無隔離巴倫測得的雜散幅度??梢?,通過增加外部衰減的幅度,基本上可以將雜散的幅度降低至單端雜散幅度(dBc表示)平均值水平。

 

 

8:LVDS 312.5MHz晶振的相位噪聲(a),其中監測到39MHz和78MHz雜散(b),并測得雜散的相對幅度(c)和(d)。


串聯端接

 

為了進一步分析元件反射效應和巴倫隔離度對相位噪聲測量的影響,待測器件輸出端通過串聯端接和傳輸線進行阻抗匹配后,再連接到無隔離的巴倫。確切的說,測得LVPECL XO輸出阻抗在156MHz35歐姆,所以圖2e中串聯電阻Rs的阻值為15歐姆。同理可得,LVDS XO輸出阻抗在78MHz312MHz分別為3歐姆和13歐姆,所以圖2f中串聯電阻Rs分別為47歐姆和37歐姆。這兩種情況下,使用串聯端接的相位噪聲測量結果都更加準確。

 

9總結了以上兩種情況的測量結果。紅色曲線是原始的相位噪聲數據,測量使用無隔離巴倫、無串聯端接、且無外部衰減。綠色曲線除使用串聯端接以外,其余和紅色曲線測量條件相同。藍色曲線和綠色曲線條件相似,但在得到穩定相位噪聲曲線的基礎上增加了更多的衰減(即減少3dB衰減也能測得和圖9中相同的藍色曲線數據)。藍色曲線和使用帶隔離的巴倫測得的數據相同,因此代表了此待測器件相位噪聲測量的最準確結果。串聯端接(綠色曲線)可以改善相位噪聲測量。

 

9:156.25MHz LVPECL XO(a)和78.125MHz LVDS XO(b)使用無隔離

 

巴倫測得輸出驅動器不同的阻值及衰減情況下待測器件的相位噪聲曲線。

由于巴倫、線纜和待測器件輸出端都沒有完美匹配到50歐姆,也沒有互相匹配,導致駐波和震蕩的反射就會發生。這些反射和巴倫隔離度較低導致的信號泄露,共同形成了從巴倫傳導至待測器件的反向信號。如果待測器件輸出緩沖放大器和其內部的VCO、震蕩電路或其他器件之間隔離度較差的話,就會影響待測器件輸出信號的相位噪聲。使用串聯端接將待測器件和傳輸線阻抗進行匹配,可以吸收反射信號,防止其在待測器件和巴倫之間往復傳播。端接阻抗對相位噪聲的影響和增加外部衰減相似(比較圖9a和圖6a)。在待測器件和巴倫之間增加衰減,以2倍于衰減值的方式,有效地改善了負載的回波損耗。

 

雖然差分時鐘輸出緩沖放大器被設計成用于驅動50歐姆負載,但是其輸出阻抗往往不是50歐姆。使用50歐姆終端負載的測量儀器時,這個問題并不明顯,但是當遇到非理想負載的情況就麻煩了。雖然一般普通相位噪聲測量時,將待測器件進行串聯端接并不實際,選用高回波損耗的器件(低VSWR)依然可以最小化反射波。此外通過使用盡可能短的線纜(巴倫和待測器件之間的線盡量短以防止信號震蕩)以降低反射和低隔離導致的駐波。

 

結論

 

由巴倫較差的隔離度和阻抗不理想的元件反射共同引起的反向泄露信號會從巴倫傳導至待測器件。由于待測器件本身輸出阻抗并沒有和傳輸線匹配,反向信號在待測器件輸出緩沖放大器處再次反射并在待測器件和巴倫之間往復傳播。這最終形成了震蕩的駐波,并可能會影響待測器件的工作。如果待測器件的輸出緩沖放大器與其內部的VCO、振蕩器以及其他器件之間的隔離度較差,此器件產生的相位噪聲就會改變。

 

在相位噪聲測量中,增加巴倫對特定的待測器件的影響難以預測。能否測得巴倫的影響取決于很多復雜的因素。這些影響會導致相位噪聲測量數據和真實值相比變好或變差。以下是按照優先級羅列了減小測量誤差的一些建議。

 

1、優先選擇高隔離度(平衡端口到另一平衡端口之間的隔離度)和高回波損耗的巴倫。所選巴倫應該具有高共模抑制比和較好的幅度相位平衡性。如果其它參數都相同的情況下,選擇低插入損耗的巴倫。

 

2、在巴倫和待測器件之間使用短的相位匹配的同軸線纜。

 

3、在巴倫和待測器件之間使用少的外部衰減量,從高衰減逐步降低衰減量,直至信號波形開始變化時的衰減量就是最小必須衰減量。

 

4、如果巴倫的端口對地直流短路,在巴倫的差分端口使用直流隔離器。

 

從相位噪聲測量的角度看,市場上的巴倫可以分為通用產品和高性能產品。通用的巴倫一般具有±1dB的幅度平衡性和±10度的相位平衡性、6dB的隔離度、10dB的回波損耗和20dB的共模抑制比,有的巴倫的指標比這些還低。高性能巴倫通常具有±0.5dB的幅度平衡性和±5度的相位平衡性、15dB的隔離度、15dB的回波損耗和25dB的共模抑制比,有的巴倫的指標比這些還高。只有少數高性能巴倫具有高隔離度,具有高隔離度的巴倫通常被稱作180度混合合路器/分路器。拋開這些專業詞匯,用于相位噪聲測量的巴倫要注重以上高性能參數,尤其是注重隔離度和回波損耗。低插入損耗的巴倫也能改善相位噪聲測量,根據架構不同,改善程度一般在3.5dB6.5dB之間。


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