相位噪聲應(yīng)該如何測(cè)量?文澤爾晶振來(lái)告訴你該怎么做
來(lái)源：http://www.element79mechanical.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(shí),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(chǎng)對(duì)低相噪石英晶振產(chǎn)品的需求會(huì)逐漸形成體系.那么問(wèn)題來(lái)了,我到底應(yīng)該怎么去測(cè)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(duì)這樣的問(wèn)題,文澤爾晶振就發(fā)布了相對(duì)應(yīng)的文章,文中明確說(shuō)到應(yīng)該采用什么樣的方式去測(cè)量相位噪聲,以及相關(guān)的注意事項(xiàng)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(cè)量相位噪聲時(shí),相比較于50歐姆電阻來(lái)說(shuō),具有更低的輸入噪聲.
低噪聲振蕩器和信號(hào)源的相位噪聲通常是通過(guò)在鎖相環(huán)中測(cè)量相位比較器輸出端的音頻噪聲電壓來(lái)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(duì)于非常低的噪聲源,這種類(lèi)型的鑒相器的低轉(zhuǎn)換增益產(chǎn)生的信號(hào)在每納赫茲納伏的納伏范圍內(nèi),該信號(hào)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(yùn)算放大器構(gòu)成.
除了噪聲電壓,對(duì)放大器的要求沒(méi)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(fù)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(shí),普通的2N4403晶體管在10Hz時(shí)的噪聲電壓低于1納伏.幾種運(yùn)算放大器的噪聲電壓低于3納伏,而少數(shù)運(yùn)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(gè)組成的簡(jiǎn)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(méi)有多余的噪聲,應(yīng)代替碳膜或碳組成類(lèi)型使用.應(yīng)避免使用大多數(shù)電位計(jì),因?yàn)楸∧ず徒饘偬沾深?lèi)型的噪聲很大.
盡管對(duì)放大器的要求很小,但是可以增加一些功能來(lái)增強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng).相位檢測(cè)器的相位斜率通常是通過(guò)觀察自由運(yùn)行振蕩器的節(jié)拍來(lái)測(cè)量的.大多數(shù)簡(jiǎn)單的放大器電路在過(guò)載時(shí)都會(huì)使該拍子失真,因此在檢查相位斜率時(shí)必須將其斷開(kāi).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(wèn)題.例如,可以省去在相位檢測(cè)器的輸出處使用的正常的低阻抗終端,以實(shí)現(xiàn)更高的相位斜率,但是這種未端接的相位檢測(cè)器可能對(duì)輸出負(fù)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(wèn)題.放大器的增益設(shè)置為1以測(cè)量相位斜率,然后切換到高增益以進(jìn)行測(cè)量.
另一個(gè)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(gè)或三個(gè)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(cè)量,而交流響應(yīng)允許對(duì)本底噪聲進(jìn)行高增益測(cè)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(shí),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?yàn)樵S多相位噪聲測(cè)量?jī)H會(huì)降低到10Hz,而高通將減少”建立時(shí)間”.直流增益應(yīng)低于40dB,因?yàn)樗饕糜诮嚯x噪聲,并且在測(cè)量噪聲振蕩器時(shí),過(guò)多的增益可能會(huì)導(dǎo)致削波.(或者,可以通過(guò)衰減相位檢測(cè)器輸入之一來(lái)減小檢測(cè)器的相位斜率,但是在放大器上進(jìn)行簡(jiǎn)單的增益開(kāi)關(guān)更為方便.)
放大器的輸入端應(yīng)進(jìn)行射頻濾波,以使相位檢測(cè)器的載波頻率和總和頻率不到達(dá)增益級(jí).一個(gè)簡(jiǎn)單的L-C濾波器通常具有足夠的諧振頻率,該諧振頻率遠(yuǎn)高于放大器的頻率響應(yīng),而遠(yuǎn)低于所測(cè)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(jìn)行更復(fù)雜的濾波.例如,要測(cè)量高達(dá)100kHz的1MHz振蕩器的相位噪聲,可能需要一個(gè)特殊的濾波器來(lái)防止放大器過(guò)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(gè)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(guò)載而干擾相位斜率測(cè)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(cè)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(huì)過(guò)度加載要測(cè)量的點(diǎn).
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(gè)2SK369JFET并聯(lián)連接,以實(shí)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(shí)噪聲僅升至1.5納伏.JFET和LM833的第一級(jí)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(jí)的削波,因此噪聲很大,可以將增益設(shè)置為0dB進(jìn)行測(cè)量!包括第二個(gè)30dB放大器,用于交流耦合設(shè)置,總交流增益為60dB.通過(guò)多極開(kāi)關(guān)選擇三個(gè)交流頻率響應(yīng).緩沖器驅(qū)動(dòng)兩個(gè)BNC連接器,一個(gè)用于頻譜分析儀,另一個(gè)用于示波器.PLL非常普通,除了在輸入端提供了一個(gè)緩沖器,并增加了一個(gè)手動(dòng)”轉(zhuǎn)換”開(kāi)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(gè)10k電位器,以手動(dòng)調(diào)整各種振蕩器的調(diào)諧靈敏度.
放大器電路僅需進(jìn)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(gè)簡(jiǎn)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(cè)量的低噪聲放大器的詳細(xì)介紹,從該文中可看出,在測(cè)量過(guò)程中使用它會(huì)使得測(cè)量的數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn),它最大的特點(diǎn)就是輸入噪聲小,對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響微乎其微,所以這種方法相對(duì)來(lái)說(shuō)測(cè)量效果還是比較好的.
低噪聲振蕩器和信號(hào)源的相位噪聲通常是通過(guò)在鎖相環(huán)中測(cè)量相位比較器輸出端的音頻噪聲電壓來(lái)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(duì)于非常低的噪聲源,這種類(lèi)型的鑒相器的低轉(zhuǎn)換增益產(chǎn)生的信號(hào)在每納赫茲納伏的納伏范圍內(nèi),該信號(hào)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(yùn)算放大器構(gòu)成.
除了噪聲電壓,對(duì)放大器的要求沒(méi)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(fù)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(shí),普通的2N4403晶體管在10Hz時(shí)的噪聲電壓低于1納伏.幾種運(yùn)算放大器的噪聲電壓低于3納伏,而少數(shù)運(yùn)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(gè)組成的簡(jiǎn)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(méi)有多余的噪聲,應(yīng)代替碳膜或碳組成類(lèi)型使用.應(yīng)避免使用大多數(shù)電位計(jì),因?yàn)楸∧ず徒饘偬沾深?lèi)型的噪聲很大.
盡管對(duì)放大器的要求很小,但是可以增加一些功能來(lái)增強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng).相位檢測(cè)器的相位斜率通常是通過(guò)觀察自由運(yùn)行振蕩器的節(jié)拍來(lái)測(cè)量的.大多數(shù)簡(jiǎn)單的放大器電路在過(guò)載時(shí)都會(huì)使該拍子失真,因此在檢查相位斜率時(shí)必須將其斷開(kāi).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(wèn)題.例如,可以省去在相位檢測(cè)器的輸出處使用的正常的低阻抗終端,以實(shí)現(xiàn)更高的相位斜率,但是這種未端接的相位檢測(cè)器可能對(duì)輸出負(fù)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(wèn)題.放大器的增益設(shè)置為1以測(cè)量相位斜率,然后切換到高增益以進(jìn)行測(cè)量.
另一個(gè)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(gè)或三個(gè)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(cè)量,而交流響應(yīng)允許對(duì)本底噪聲進(jìn)行高增益測(cè)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(shí),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?yàn)樵S多相位噪聲測(cè)量?jī)H會(huì)降低到10Hz,而高通將減少”建立時(shí)間”.直流增益應(yīng)低于40dB,因?yàn)樗饕糜诮嚯x噪聲,并且在測(cè)量噪聲振蕩器時(shí),過(guò)多的增益可能會(huì)導(dǎo)致削波.(或者,可以通過(guò)衰減相位檢測(cè)器輸入之一來(lái)減小檢測(cè)器的相位斜率,但是在放大器上進(jìn)行簡(jiǎn)單的增益開(kāi)關(guān)更為方便.)
放大器的輸入端應(yīng)進(jìn)行射頻濾波,以使相位檢測(cè)器的載波頻率和總和頻率不到達(dá)增益級(jí).一個(gè)簡(jiǎn)單的L-C濾波器通常具有足夠的諧振頻率,該諧振頻率遠(yuǎn)高于放大器的頻率響應(yīng),而遠(yuǎn)低于所測(cè)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(jìn)行更復(fù)雜的濾波.例如,要測(cè)量高達(dá)100kHz的1MHz振蕩器的相位噪聲,可能需要一個(gè)特殊的濾波器來(lái)防止放大器過(guò)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(gè)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(guò)載而干擾相位斜率測(cè)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(cè)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(huì)過(guò)度加載要測(cè)量的點(diǎn).
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(gè)2SK369JFET并聯(lián)連接,以實(shí)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(shí)噪聲僅升至1.5納伏.JFET和LM833的第一級(jí)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(jí)的削波,因此噪聲很大,可以將增益設(shè)置為0dB進(jìn)行測(cè)量!包括第二個(gè)30dB放大器,用于交流耦合設(shè)置,總交流增益為60dB.通過(guò)多極開(kāi)關(guān)選擇三個(gè)交流頻率響應(yīng).緩沖器驅(qū)動(dòng)兩個(gè)BNC連接器,一個(gè)用于頻譜分析儀,另一個(gè)用于示波器.PLL非常普通,除了在輸入端提供了一個(gè)緩沖器,并增加了一個(gè)手動(dòng)”轉(zhuǎn)換”開(kāi)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(gè)10k電位器,以手動(dòng)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(cè)量的低噪聲放大器的詳細(xì)介紹,從該文中可看出,在測(cè)量過(guò)程中使用它會(huì)使得測(cè)量的數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn),它最大的特點(diǎn)就是輸入噪聲小,對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響微乎其微,所以這種方法相對(duì)來(lái)說(shuō)測(cè)量效果還是比較好的.
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