用平衡器测量相位噪声

差分时钟和定时设备通常以使用平衡器的相位噪声为特征。虽然表面上使用起来很简单，但平衡执行一个相当复杂的过程，可能会在不知情的情况下将工件引入测量结果中。本文描述了这些工件，讨论了它们出现的原因以及如何消除它们。提供了选择平衡器和使用平衡器准确表征器件相位噪声的建议。

差分时钟信号广泛应用于数据通信、无线、仪器和医疗等领域。差分信号使用一对导体;理想情况下，每个都携带相同幅度但相反相位的信号。例子包括LVPECL、LVDS和CML。与单端信号相比，差分信号在每根导体上的电压波动较小，这使它们能够在更高的频率上工作。然而，在相同的电源下，复合(差分)摆幅可以比单端摆幅大，这增加了信噪比。

差分信号通过抑制共模噪声在噪声环境中表现更好。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(这取决于穿过绝对参考电平的电压)。¹

相位噪声量化了信号中的短期相位波动²并且可以说是评估在关键定时应用中使用的时钟和定时设备的最重要参数。相位噪声(以及幅度噪声)可以使用频谱分析仪或专用相位噪声分析仪来测量。然而，这些仪器只能分析单端信号。为了将器件的差分信号转换为单端信号，需要有源探头、差分到单端放大器或无源平衡器。对于低噪声测量，平衡器是首选，因为它们不会给测量增加放大器噪声。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器来表征差分时钟信号中的相位噪声。本文首先讨论了平衡可以引入测量数据的工件。示例测试结果的显示是为了说明，并不打算代表典型的或最坏的情况。在实际应用中，平衡是否会影响相位噪声数据，以及影响程度如何，很难预测。本文分析了所涉及的因素，如平衡的选择，被测设备和连接设备到平衡的电缆和元件。实验技术，以确定是否平衡影响相位噪声测量。最后，提出了如何选择平衡器并使用平衡器准确表征器件相位噪声的建议。据作者所知，这是研究平衡器对相位噪声测量影响的第一篇发表的文章。

变压器引物

图1说明平衡器在将平衡阻抗(或差分信号)转换为不平衡阻抗(或单端信号)中的作用。平衡器本身看起来很容易使用，只需要三个连接(两个输入和一个输出)，不需要电源。作为一个相互作用的装置，平衡器可以向任何一个方向驱动。将信号从单端转换为差分的平衡器称为分路器。当反向操作时，它被称为组合器。在正常工作中，差分端口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，通常为50 Ω。

平衡机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分端口相对于另一个差分端口的差分插入损耗。相位平衡(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)是指在信号路径中插入平衡器所带来的信号功率的额外损耗——超出了分裂信号所造成的标称损耗。隔离(dB)是进入一个差分端口(例如，J2)的信号功率在另一个差分端口(例如，J3)出现的比率。回波损耗(以dB为单位)或电压驻波比(VSWR)表示器件与特定负载和源阻抗的匹配程度，通常为50 Ω。最后，共模抑制比(CMRR)(以dB为单位)是共模与差模增益的比值，反映了平衡器对从平衡端口到不平衡端口传递的共模信号的衰减程度。CMRR可以从振幅和相位平衡计算，基于矢量抵消。

测试设置

测试数据使用如下所示的四种基本设置之一进行测量图2一个通过d．采用高速实时示波器对时钟信号进行完整性分析，采用信号源分析仪对相位噪声进行测量。⁴虽然本研究分析了许多制造商的时钟设备，但这里提出了两个被测设备(DUT)来说明主要发现。这两种dut都是市售的5mm × 7mm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，提供78.125 MHz或312.5 MHz。每个DUT的终止显示在图2 e和f，其中适合驱动50台Ω试验设备。除非另有说明，图2设置使用0.1µF交流耦合电容和0 Ω串联端接电阻。

一些设置使用带或不带固定同轴衰减器(即填充)的连接平衡器。虽然本研究分析了来自几个制造商的平衡器，但这里提供了两个宽带平衡器来说明主要发现。这两个天平都来自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)。选择他们是因为他们的隔离程度不同。对于所分析的DUT频率，BAL0006的标准隔离度为6db;BAL0036提高了10 dB的隔离度，在更高的频率下隔离度更高。为清楚起见，本文将BAL0036和BAL0006分别称为“有”和“没有”(添加的)隔离的平衡器。

由于相位噪声分析仪的射频输入端口只能接受交流信号，因此必须在被测件和仪器之间的信号路径中插入直流模块。一般来说，DC可以在平衡器的任何一侧被阻挡。但是，如果balun的端口DC短路到地(参见其数据表)，那么当balun用作组合器时，必须将DC块放置在balun的输入端口上。出于这个原因，最好养成在平衡器的输入(差分)端口放置直流模块的习惯，如图2所示。

信号的完整性

示波器通常有多个输入，因此不需要平衡器来进行测量。然而，在时域中观察平衡器的输出信号可以深入了解它的操作。图3显示了两个不同xo和两个不同平衡器的波形。的左右两边图3分别对应LVPECL 156.25 MHz和LVDS 312.5 MHz波形。底部和顶部分别对应于有和没有(添加)隔离的平衡。没有隔离的平衡器提供了一个嘈杂的波形，外部衰减倾向于清理。作为参考，每个图都包含一条“无平衡”曲线，使用两个示波器通道(如图2a所示)进行测量，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

平衡器的插入损耗很明显，因为使用平衡器获得的所有信号的摆动都小于“无平衡器”参考波形。没有隔离的平衡被观察到降低LVPECL和LVDS波形的信号完整性。波形逻辑电平中的凸起表示由平衡差分端口反馈回DUT引起的信号失真。相比之下，带隔离的平衡提供了明显更清晰的波形。在平衡器的差分端口插入外部衰减器(如图2b所示)，与衰减程度成比例地提高了波形的信号完整性。在本例中，在没有隔离输入的平衡处需要9 dB的外部衰减来恢复“无平衡”波形形状(即通过峰值幅度将每个曲线归一化产生重叠曲线)。

有趣的是,图4结果表明，将平衡器作为分配器使用比将其作为合成器使用提供了更清晰的波形。如图2a和c所示，使用无隔离的平衡器、LVPECL XO和无外部衰减来测量图4所示的信号。

上述信号完整性的损害很大程度上可归因于平衡器中有限的隔离。图5一个说明没有隔离的平衡器在其差分端口之间有明显的信号泄漏。来自一个差分端口的泄漏信号干扰另一个差分端口的正向信号。泄漏信号也出现在被测设备的输出驱动器上，这取决于驱动器的结构，可能会影响其运行。

图3中所示的带隔离的平衡器波形具有更好的信号完整性，因为平衡器内部的额外隔离衰减了泄漏电流(如图3所示)图5 b）.在不隔离的情况下向平衡器添加外部衰减，如图图5 c，不能防止差分端口之间的泄漏，但是与不使用外部衰减相比，泄漏的信号被衰减了。此外，外部衰减减少了在被测件输出驱动器处出现的泄漏信号。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平衡器传播到另一个输出驱动器。从图3中“balun”和“balun + 9db衰减”的无隔离平衡曲线来看，其形状匹配良好(按峰值幅度归一化后)，被测件输出驱动电路中出现的泄漏信号的影响是balun输出信号中的主要噪声源。

最后，平衡器作为分离器运行，如图所示数据4和5 d提供比用作合成器时更清晰的波形，因为被测件输出驱动器不会观察到来自平衡器的泄漏信号。

随机相位噪声

相位噪声是使用图2b中的合成器平衡装置测量的。相位噪声是频域中相位变化的度量。对相位噪声数据进行积分，得到以秒为单位的相位抖动值。通过将-10 dB/decade线降低到与曲线首次相交的位置，可以定位主导该积分的相位噪声曲线区域

图6显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平衡器分别在约600 kHz偏移频率以下和以上提供过于乐观和悲观的结果。增加3db的衰减显著降低了测量相位噪声中的平衡伪影。随着衰减的增加，改进的水平最终会降低。以6db衰减测量的相位噪声(未示出)与9db衰减曲线重叠。

带隔离相位噪声的平衡器如图图6 b独立于外部衰减的水平，表明平衡器内部增加的隔离消除了测量中平衡器引起的伪像的重要来源。因此，在不带隔离的平衡器中添加外部衰减可以提供与带隔离的平衡器中的隔离相似的好处。

添加外部衰减以消除相位噪声数据中的平衡伪影的一个缺点是，它会降低进入相位噪声分析仪的信号功率，从而导致数据准确性降低。用于这些测量的是德科技相位噪声分析仪在其锁相环内具有基于二极管的相位检测器，其必须与电流偏置。建议输入信号功率为0 ~ 5dbm。增加外部衰减本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，互相关增加了测试时间，而且取决于信号在仪器噪声底下的深度，可能并不总是有用。仪器的本底噪声对所测相位噪声数据的影响如图6所示，与外部衰减较小的曲线相比，9db外部衰减曲线在最低相位噪声电平(即高于2 MHz偏移频率)处的噪声更大。

因此，在差分端口之间使用高度隔离的平衡器是很重要的。如果需要外部衰减，则使用所需的最小量来稳定数据。最佳衰减可以通过以小的增量增加衰减来确定，直到相位噪声数据不再变化。然后，选择产生该数据的最小衰减量。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。

除了由平衡器中端口对端口隔离不良引起的信号损伤外，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)。这些反射与正向波是同步的，它们可以组合成驻波。在这里，电缆的被测设备和平衡器两端的电压(和电流)水平是电缆长度的函数，这可能会影响被测设备和/或平衡器的工作。VSWR度量测量最大驻波振幅与最小驻波振幅之比。完全端接的元件的驻波比为1，表示电缆中任何位置的电压(和电流)保持恒定。实际上，元件的驻波比大于1。因此，被测设备驱动器观察到的朝向平衡器的阻抗是连接被测设备到平衡器的电缆长度的函数。图7显示改变电缆长度如何影响信号完整性和相位噪声特性。

理论上，所讨论的传输线效应在电缆长度越长时就越明显。在短电缆中，从DUT到balun的延迟小于信号的过渡时间，反射在被注意到之前就已经稳定下来了。在频域，随着频率的变化，较长的电缆会导致更多的相位变化。在时域中，较长的电缆导致反射发生时之间的延迟较长，并且更多的反射有助于驻波和干扰效应。这些影响可以通过使用具有良好回波损耗(防止初始反射)的平衡器和测量具有良好回波损耗(防止后续反射)的设备来最小化。

杂散相位噪声

虽然相位噪声分析仪测量的原始相位噪声以dBc/Hz为单位，但它可以对这些数据进行后处理以检测dBc的杂散相位噪声。以dBc/Hz为单位的相位噪声数据可以与以dBc为单位的杂散数据一起绘制，其中杂散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轴尺度)。数字8和b举例说明在312.5 MHz LVDS XO中的两个杂散的过程。

数字8 c和d使用水平线对单端信号进行量化，如图2d所示。单端突震级用水平线表示，差分突震级用条表示，作为衰减的函数。对应“OUT+”和“OUT−”。对于这种DUT，输出之间的杂散电平是不同的。图8c和d中的条形图表示使用图2b所示的不隔离的平衡仪测量的虚差幅度。在这里，增加外部衰减的水平将杂散幅度降低到大约为单端(即OUT+和OUT−)杂散幅度的平均dBc值。

系列终止

为了进一步分析分量反射和平衡隔离对测量相位噪声数据的影响，使用串联端接将被测件输出与其传输线匹配，并使用不隔离的平衡重新表征。具体来说，LVPECL XO在156 MHz时的输出阻抗测量值为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处测量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。红色曲线为原始相位噪声数据，使用无隔离、无串联端接、无外部衰减的平衡仪测量。绿色曲线使用与红色曲线相似的设置，但包括一个序列终止。蓝色曲线使用了与绿色曲线类似的设置，但增加了比稳定相位噪声曲线所需的更多的外部衰减(例如，减少3 dB的衰减会产生如图9所示的相同的蓝色曲线数据)。蓝色曲线也与使用带隔离的平衡仪测量的数据相同，因此代表了设备最准确的相位噪声数据。串联端接(绿色曲线)改善了相位噪声测量。

由于平衡器、电缆和被测设备输出电路都不能与50 Ω或彼此完美匹配，因此会发生反射，从而导致驻波和共振。这些反射，连同任何由平衡器隔离不良引起的泄漏信号，形成从平衡器到被测设备的反向信号。如果被测件的输出缓冲器与内部VCO、振荡器电路或其他元件之间的隔离性较差，则会影响被测件输出的相位噪声。使用串联终端将DUT与传输线阻抗匹配，吸收反向信号，防止其在DUT和平衡器之间来回传播。观察到，串联端接对相位噪声的影响与增加外部衰减相似(比较图9a和图6a)。在被测设备和平衡器之间引入衰减，有效地将负载返回损耗提高了两倍。

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结尾的测试设备时，这不是问题，但当组件与非理想负载一起使用时，这就成为一个问题。虽然为了常规测量相位噪声而串联端接器件可能不实用，但可以通过选择具有较高回波损耗(较低驻波比)值的元件来最小化反射。此外，通过使用尽可能短的电缆(在DUT和平衡器之间，以防止共振)，可以减少来自反射或隔离不良的驻波的影响。

结论

反向泄漏信号可以从平衡器传播到设备，这是由于平衡器隔离不良和非理想负载组件的反射造成的。由于设备的输出阻抗本身与传输线不匹配，这个反向信号再次在设备输出缓冲器处反射，并在设备和平衡器之间来回传播。这将导致驻波产生共振，并可能影响设备的运行。如果器件的输出缓冲器与内部VCO、振荡器和/或其他元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。

给定的平衡对测量特定器件的相位噪声的影响是难以预测的。Balun损伤可能很少或经常观察到，这取决于许多复杂的因素。这些缺陷可能导致相位噪声数据看起来比实际系统观察到的更好或更差。以下是最小化度量工件的建议的优先级列表:

1. 选择平衡器主要考虑高隔离(平衡端口到平衡端口)和高回波损耗。平衡器还应具有高的共模抑制和良好的幅度和相位平衡。在其他条件相同的情况下，选择插入损耗低的平衡器。
2. 在设备和平衡器之间使用短的、相位匹配的电缆。
3. 与衰减较大的测量值相比，在器件和平衡器之间使用最小的外部衰减量，以保持所测相位噪声数据不变。
4. 如果平衡器的端口直流短路到地，则在平衡器的差分端口放置直流模块。

从相位噪声测量的角度来看，平衡器市场可以分为通用产品和高性能产品。通用平衡器一般具有±1db振幅平衡、±10º相位平衡、6db隔离、10db回波损耗和20db CMRR -或更差。高性能平衡器通常具有±0.5 dB振幅平衡，±5º相位平衡，15 dB隔离，15 dB回波损耗和25 dB CMRR -或更高。虽然一些高性能平衡包括隔离，术语“180º混合组合/分频器”通常用于描述具有高隔离的平衡。不管术语是什么，用于测量相位噪声的平衡器应该以上述高性能规格为目标，特别是隔离和回波损耗。相位噪声测量也将受益于低插入损耗平衡器，根据结构的不同，插入损耗平衡器可以在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，他曾在安捷伦技术公司工作;是德科技的Tony Wade;CTS Corp.的丹•内林(Dan Nehring);Valon Technology的Stuart Rumley;以及微芯片科技公司的皮埃尔·格贝尔斯和鲍里斯·德拉赫里斯。

1. D. Brooks，“差分信号:生存法则”，印刷电路设计，CMP媒体公司，2001年10月。https://www.ieee.li/pdf/essay/differential_signals.pdf．
2. T. H. Lee和A. Hajimiri，“振荡器相位噪声:教程”，IEEE固态电路杂志，第35卷第3期，2000年3月，第326-336页。
3. D. Jorgesen和C. Marki，“Balun, Balun变形金刚，Magic-Ts和180°混合动力车的教程”，Marki Microwave，应用笔记，2014，https://www.markimicrowave.com/Assets/appnotes/balun_basics_primer.pdf．
4. “E5052B信号源分析仪”，Keysight Technologies，产品手册5989-6389EN, 2009。
5. 《宽带测试和测量平衡器产品目录》，Marki Microwave，www.markimicrowave.com/3595/Baluns_/_Inverters.aspx ? ShowTab = 32．
6. G. Giust，“通过检测确定相位噪声的主要来源”，JitterLabs, Note -4, Technical Note, 2016。www.jitterlabs.com/support/publications．