差分时钟和计时装置通常使用平衡子来处理相位噪声。虽然balun使用起来看似简单，但它执行了一个相当复杂的过程，可以在不知不觉中将工件引入测量结果中。本文描述了这种工件，讨论了它们为什么会出现以及如何消除它们。建议提供了选择巴伦和使用它来准确地表征设备的相位噪声。

差分时钟信号广泛应用于数据通信、无线、仪器仪表和医疗等领域。差分信号使用一对导体;理想情况下，每一个都携带相同大小但相位相反的信号。例如LVPECL, LVDS和CML。与单端信号相比，差分信号在每个导体上的电压波动较小，这使它们能够在更高的频率下工作。然而，在相同的电源供应下，复合(差分)摆动可以比单端摆动更大，这增加了其信噪比。

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差分信号通过拒绝共模噪声在噪声环境中也表现得更好。此外，它们提供更精确的定时，因为差分信号的交叉位置比单端信号更容易控制(单端信号依赖于电压穿过绝对参考电平)。¹

相位噪声量化信号的短期相位波动²并且可以说是评估用于关键计时应用的时钟和计时设备的最重要参数。相位噪声(以及振幅噪声)可以使用频谱分析仪或专用相位噪声分析仪测量。然而，这些仪器只能分析单端信号。要将器件的差分信号转换为单端信号，需要有源探头、差分-单端放大器或无源巴伦。对于低噪声测量，巴伦是首选，因为他们不会增加放大器噪声的测量。宽带平衡器特别有吸引力，因为单个设备可以支持在很宽的频率范围内进行测量。

本文探讨了如何利用平衡子来表征差分时钟信号中的相位噪声。首先讨论了巴伦可以引入测量数据的工件。示例测试结果用于说明，而不是代表典型的或最坏的情况。在实践中，一个巴伦是否损害相位噪声数据，以及损害多少，是很难预测的。本文分析了所涉及的因素，如巴伦的选择，被测量的设备，电缆和连接到巴伦的元件。实验技术提出，以确定是否巴伦是影响相位噪声测量。最后，提出了如何选择巴伦，并使用它来准确地表征器件的相位噪声的建议。据作者所知，这是第一篇研究平衡子对相位噪声测量影响的发表文章。

变压器引物

图1说明了巴伦在将平衡阻抗(或微分信号)转换为不平衡阻抗(或单端信号)中的作用。balun本身使用起来很简单，只需要三个连接(两个输入和一个输出)，而且不需要电源。作为一个互向装置，巴伦可以向任何一个方向转动。将单端信号转换为差分信号的巴伦管称为分路器。当反向操作时，称为合成器。在正常工作中，差动端口J2和J3理想地提供相等和相反的信号。不平衡端口J1与传输线阻抗匹配，一般为50 Ω。

balun的性能可以用几个关键指标来概括。^3.振幅平衡(以dB为单位)是从不平衡端口到一个差动端口相对于另一个差动端口的差动插入损失。相平衡(以度为单位)是差分端口上的差分相移。插入损耗(以dB为单位)是在信号路径中插入balun所带来的信号功率的额外损耗-超出分裂信号所引起的标称损耗。隔离(dB)是进入一个差分端口(如J2)的信号功率与出现在另一个差分端口(如J3)的信号功率之比。返回损耗(以dB为单位)或电压驻波比(VSWR)表示设备与特定负载和源阻抗匹配的程度，通常为50 Ω。最后，共模抑制比(CMRR)(以dB为单位)是共模增益与差模增益的比值，反映了巴伦对从平衡端口传递到非平衡端口的共模信号的衰减情况。CMRR可以根据矢量抵消的振幅和相位平衡来计算。

测试设置

测试数据是使用如下所示的四种基本设置之一来测量的图2一个通过d．使用高速实时示波器分析时钟信号的完整性，同时使用信号源分析仪测量相位噪声。⁴虽然本研究分析了许多制造商的时钟设备，但这里介绍了两个正在测试的设备(DUT)，以说明主要发现。两种dut都是市售的5毫米× 7毫米表面贴装晶体振荡器(XO)。第一个DUT是基于模拟乘法的156.25 MHz LVPECL XO。第二个DUT是LVDS XO，其输出频率可以通过修改内部锁相环(PPL)反馈分压器来改变，以提供78.125 MHz或312.5 MHz。每个DUT的终止显示在图2 e而且f，其中适当驱动50 Ω测试设备。除非另有说明，图2设置使用0.1 μ F交流耦合电容器和0 Ω系列终端电阻。

一些装置使用带或不带固定同轴衰减器(即填充)的连接均衡。虽然本研究分析了几家制造商的均衡器，但这里介绍了两个宽带均衡器来说明主要发现。这两款baluns都来自Marki微波测试和测量产品线，⁵即BAL0006 (200 kHz至6 GHz)和BAL0036 (300 kHz至36 GHz)。他们被挑选出来是因为他们被隔离的程度不同。对于所分析的DUT频率，BAL0006的标准隔离为6 dB;BAL0036具有改进的10 dB隔离，在更高的频率下更多。为清楚起见，本文将BAL0036和BAL0006分别称为balun“有”和“没有”(添加)隔离。

由于相位噪声分析仪的射频输入端口只能接受交流信号，因此必须在DUT和仪器之间的信号路径中插入一个直流块。一般来说，DC可以被阻挡在巴伦的任何一侧。然而，如果balun有其端口DC短路到地(参考其数据表)，那么当balun用作合成器时，DC块必须放置在balun的输入端口。出于这个原因，最好养成在balun的输入(差分)端口放置DC块的习惯，如图2所示。

信号的完整性

示波器通常有多个输入，因此不需要巴伦来进行测量。然而，在时域中观察巴伦的输出信号可以深入了解它的运行情况。图3显示了两种不同xo和两种不同balun的波形。的左右两边图3分别对应于lvvpecl 156.25 MHz和LVDS 312.5 MHz波形。底部和顶部分别对应有和没有(添加)隔离的平衡子。没有隔离的巴伦提供了一个更嘈杂的波形，外部衰减倾向于清理。作为参考，每个图都包含“无巴伦”曲线，该曲线由两个示波器通道测量(如图2a所示)，其中一个通道的数据从另一个通道的数据中减去，以计算差分信号。开云体育官网登录平台网址

巴伦的插入损失是明显的，因为所有的信号获得巴伦摆动小于“无巴伦”参考波形。观察到没有隔离的balun会降低LVPECL和LVDS波形的信号完整性。波形逻辑电平的凸起表明信号失真是由巴伦差分端口反馈回DUT引起的。相比之下，具有隔离功能的balun提供了明显更清晰的波形。在balun的差动端口插入外部衰减器(如图2b所示)可以根据衰减水平的比例提高波形的信号完整性。在本例中，在没有隔离输入的balun处，需要9 dB的外部衰减来恢复“无balun”波形形状(即，根据其峰值振幅归一化每条曲线会产生重叠曲线)。

有趣的是,图4说明操作一个巴伦作为一个分路器提供了更干净的波形相比操作它作为一个合成器。图4中所示信号采用无隔离的balun、无外部衰减的LVPECL XO进行测量，如图2a和c所示。

上述信号完整性受损在很大程度上可归因于巴伦的隔离程度有限。图5一个说明了没有隔离的balun在其差动端口之间有明显的信号泄漏。一个差动端口的泄漏信号会干扰另一个差动端口的正向信号。泄漏信号也出现在DUT输出驱动器上，这取决于驱动器架构，可以影响其操作。

图3所示的带有隔离波形的巴伦具有更好的信号完整性，因为巴伦内部的额外隔离衰减了泄漏电流(如图所示)图5 b)．向balun添加外部衰减而不进行隔离，如图所示图5 c，不能防止差分端口之间的泄漏，但与不使用外部衰减时相比，确实泄漏的信号会被衰减。此外，外部衰减降低了出现在DUT输出驱动器上的泄漏信号。这个泄漏信号实际上衰减了两次(每个衰减器一次)，因为它从一个输出驱动器通过balun到另一个输出驱动器。从图3中“balun”和“balun + 9 dB衰减”的balun-无隔离曲线来看，它们的形状很匹配(通过峰值振幅归一化后)，出现在DUT输出驱动电路上的泄漏信号的影响是balun输出信号中的主要噪声源。

最后，一个巴伦作为一个分离器，如图所示数据4和5 d提供更清洁的波形比用作合成器时，因为DUT输出驱动器不观察泄漏信号从巴伦。

随机相位噪声

相位噪声是使用图2b中的合成器巴伦装置测量的。相位噪声是频域内相位变化的度量。相位噪声数据可以集成，以秒RMS为单位获得相位抖动值。相位噪声曲线支配这个积分的区域是通过降低-10 dB/decade的线到它第一次与曲线相交的地方来定位的

图6展示了外部衰减如何显著改变LVPECL XO的测量相位噪声。在没有衰减的情况下，无隔离相位噪声测量的巴伦分别在600 kHz偏置频率以下和以上给出了过度乐观和悲观的结果。增加3 dB的衰减显著降低了测量相位噪声中的巴伦伪影。随着衰减的增加，改进的水平最终会降低。用6db衰减(未显示)测量的相位噪声与9db衰减曲线重叠。

带隔离相位噪声的巴伦图6 b与外部衰减水平无关，表明在巴伦内部增加的隔离消除了测量中巴伦诱导伪影的重要来源。因此，在没有隔离的balun中添加外部衰减可以提供与在有隔离的balun中进行隔离类似的好处。

添加外部衰减来去除相位噪声数据中的巴伦伪影的一个缺点是，它降低了进入相位噪声分析仪的信号功率，这可能导致数据不太准确。用于这些测量的Keysight相位噪声分析仪在其锁相环内具有基于二极管的相位检波器，必须随电流偏置。建议输入信号功率为0 ~ 5dbm。添加外部衰减实质上是将信号进一步推入仪器的噪声底。在测量中启用互相关可以帮助恢复信号;然而，相互关联增加了测试时间，并且，取决于信号在仪器噪声底限以下的深度，可能并不总是有帮助。仪器的噪声底对测量的相位噪声数据的影响可以在图6中看到，其中9 dB外部衰减曲线在最低相位噪声水平(即2 MHz偏置频率以上)与外部衰减曲线相比有更多的噪声。

因此，使用差动端口之间具有高隔离的均衡是很重要的。如果需要外部衰减，则使用最少的衰减量来稳定数据。最佳衰减可以通过小增量增加衰减来确定，直到相位噪声数据不再变化。然后，选择产生此数据的最小衰减量。在图6a中，最佳衰减为6 dB(未显示)。在图6b中，不需要外部衰减。

除了由于balun中端口到端口隔离不良造成的信号损害外，反射也可能发生在未终止于传输线特征阻抗的接口上(通常为50 Ω)。这些反射与前向波是同步的，它们可以结合形成驻波。在这里，电缆DUT和balun两端的电压(和电流)水平是电缆长度的函数，这可以影响DUT和/或balun的运行。驻波比测量的是最大驻波振幅与最小驻波振幅的比值。完美端接组件的VSWR为1，表明电缆中任何位置的电压(和电流)保持不变。实际上，组件的VSWR大于1。因此，DUT驱动器观察到的朝向巴伦的阻抗是连接DUT到巴伦的电缆长度的函数。图7显示如何改变电缆长度可以影响信号完整性和相位噪声特性。

理论上，电缆长度越长，所讨论的传输线效应越明显。在短电缆中，从DUT到balun的延迟小于信号的转换时间，反射在被注意到之前就已经沉淀下来了。在频域，电缆越长，随着频率的变化，相位变化越大。在时域上，电缆越长，反射发生的时间间隔越长，反射越多，产生驻波和干扰效应。这些影响可以通过使用具有良好回波损耗(防止初始反射)的平衡子和测量具有良好回波损耗(防止后续反射)的器件来最小化。

伪相位噪声

虽然相位噪声分析仪以dBc/Hz为单位测量原始相位噪声，但它可以对这些数据进行后期处理，以检测dBc的伪相位噪声。dBc/Hz的相位噪声数据可以与dBc的伪数据一起绘制，其中伪数据使用不同的颜色绘制以区分其单位变化(因为两者共享y轴刻度)。数字8而且b说明这一过程的两个马刺在312.5 MHz LVDS XO。

数字8 c而且d使用水平线对单端信号量化激振幅度，如图2d所示。单端激振幅度用水平线表示，差分激振幅度用条表示，作为衰减的函数。这两条线分别对应OUT+和OUT−。对于该DUT，输出之间的杂散水平是不同的。图8c和d中的柱状图表示使用无隔离的巴伦测量的杂散星等，如图2b所示。在这里，增加外部衰减水平将杂散幅度降低到大约单端(即OUT+和OUT−)激振幅度的平均dBc值。

系列终止

为了进一步分析组件反射和巴伦隔离对测量相位噪声数据的影响，使用串联终端将DUT输出与它们的传输线匹配，并用没有隔离的巴伦重新表征。具体来说，LVPECL XO输出阻抗在156 MHz时测量到35 Ω，因此图2e中的Rs值为15 Ω。同样，LVDS XO输出阻抗分别在78和312 MHz下测量3和13 Ω，因此图2f中的Rs分别使用47和37 Ω。在每种情况下，使用串联终止得到的相位噪声数据更准确。

图9总结了两个案例的测试结果。红色曲线是原始相位噪声数据，使用无隔离、无串联终止和无外部衰减的巴伦测量。绿色曲线使用与红色曲线类似的设置，但包括一个串联终止。蓝色曲线使用了与绿色曲线类似的设置，但添加了比稳定相位噪声曲线所需的更多的外部衰减(例如，衰减减少3 dB产生相同的蓝色曲线数据，如图9所示)。蓝色曲线也是使用带隔离的巴伦测量的相同数据，因此代表了该设备最准确的相位噪声数据。串联终止(绿色曲线)改善了相位噪声测量。

由于balun、电缆和DUT输出电路都不能完美匹配到50 Ω或彼此匹配，因此会发生反射，从而导致驻波和共振。这些反射，加上由于差的巴伦隔离而产生的任何泄漏信号，形成一个反向信号，从巴伦传播到DUT。如果DUT的输出缓冲区与其内部VCO、振荡器电路或其他组件之间隔离不良，则DUT输出的相位噪声会受到影响。使用串联终端将DUT与传输线阻抗匹配，以吸收反向信号，防止它在DUT和balun之间来回传播。观察到串联终止对相位噪声的影响与添加外部衰减类似(比较图9a与图6a)。在DUT和balun之间引入衰减，有效地将负载回波损失提高了一倍。

虽然差分时钟输出缓冲器被设计为驱动50 Ω负载，但它通常没有50 Ω输出阻抗。当将设备连接到以50 Ω终止的测试设备时，这不是问题，但当组件使用非理想负载时，这就成为一个问题。虽然用于常规测量相位噪声的串联终止器件可能不实用，但可以通过选择具有较高回波损失(较低驻波比)值的组件来最大限度地减少反射。此外，通过使用尽可能短的电缆(在DUT和balun之间防止共振)，可以减少反射或隔离不良造成的驻波的影响。

结论

反向泄漏信号可以从巴伦传输到设备，这是由于巴伦隔离差和具有非理想负载的组件反射造成的。由于器件的输出阻抗本身与传输线不匹配，这个反向信号再次反射到器件的输出缓冲区，并在器件和balun之间来回传播。这会导致驻波产生共振，并可能影响设备的运行。如果器件的输出缓冲区与内部VCO、振荡器和/或其他组件之间的隔离性较差，则器件产生的相位噪声也可能发生变化。

一个给定的巴伦对测量特定设备相位噪声的影响是很难预测的。巴伦损伤可能很少或经常被观察到，这取决于许多复杂的因素。这些损伤会导致相位噪声数据比实际系统观察到的数据更好或更差。以下是最小化测量工件的优先级建议列表:

1. 选择balun主要用于高隔离(平衡端口到平衡端口)和高返回损失。巴伦还应具有较高的共模抑制和良好的振幅和相位平衡。在其他条件相同的情况下，选择插入损耗低的巴伦。
2. 在设备和balun之间使用短的、相位匹配的电缆。
3. 与衰减较大的测量相比，在设备和balun之间使用最小的外部衰减，以使测量的相位噪声数据保持不变。
4. 如果balun的直流短接地，在balun的差动端口处放置DC块。

从相位噪声测量的角度来看，balun市场可分为通用产品和高性能产品。一般均衡一般具有±1db振幅平衡，±10º相位平衡，6db隔离，10db回波损失和20db CMRR -或更糟。高性能平衡管通常具有±0.5 dB振幅平衡，±5º相位平衡，15 dB隔离，15 dB回波损失和25 dB CMRR -或更好。虽然一些高性能巴伦包括隔离，术语“180º混合组合器/分压器”通常用于描述具有高隔离的巴伦。无论术语如何，用于测量相位噪声的均衡应针对上述高性能指标，特别是隔离和回波损失。相位噪声测量也将受益于低插入损耗平衡，根据架构的不同，它可以在3.5到6.5 dB之间变化。

鸣谢

作者希望感谢与Bob Temple博士的有益讨论，他曾任职于安捷伦科技公司;Keysight Technologies的Tony Wade;CTS Corp.的Dan Nehring;Valon Technology的Stuart Rumley;以及微芯片技术公司的皮埃尔·格贝尔和鲍里斯·德拉克利斯。

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