【经验】时钟设计——非相位噪声的情况第二篇

本文是SILICON LABS博文系列的第二篇（第一篇请见【经验】时钟设计——非相位噪声的情况）。本文首先对第一篇的内容进行回顾，并建议限制放大器和平衡放大器都是相当有用的辅助程序，以最小化AM并进行良好的相位噪声测量。本文引入了一些示例数据，并以一些经验法则辅以说明。

快速回顾第一篇

第一篇探讨的基本思想是调幅噪声会影响相位噪声测量。(AM噪声是明显的“非相位噪声”) 频谱分析仪无法区分AM和PM(相位调制)或相位噪声。专用的相位噪声测量仪器可以抑制但不能消除AM到PM的转换。采用限幅放大器可以进一步减小调幅噪声对相位噪声测量的影响。在研究系统级时钟噪声和激励时，这可能是一个有价值的故障诊断工具。

限制放大器抑制AM示例

本文首先简单介绍了用于数据采集的特殊限幅放大器。理想的限幅放大器应该是高增益、低噪声、宽带、价格适中。这种组合很难找到。这里使用的示例LA是Hittite(现在的模拟设备)HMC750，它具有11GHz的3dB带宽。当然还有其他供应商提供的LA可供选择，本文以实际使用的为例。

如果你使用Hittite评估板，有两个建议:

1、取代0Ω电阻用于I / O路径与mF 0402电容器。这将允许常规的AC耦合操作，而不必附加外部的dc阻塞帽。

2、将EVB焊锡掩模刮到SMA连接器支架附近，并将其填角焊到PCB上。这将使连接器在机械上更安全。根据我的个人经验，如果你不小心，这些可能会“转矩”。

提醒一下，LA的时域操作如下所示。左下方是100兆赫单端正弦时钟的范围捕获。AM深度为5%，范围设置为无限持久性。右下是同一个单端时钟通过示例的限制放大器。

在时域分析的基础上，提出了在频域上测量抗扰度的方法。在接下来的测量中，Keysight E5052B被用作测量仪器和备用时钟接收器。笔者使用了一个Keysight 33600A波形发生器，单端工作，将调幅应用于几个频率，并测量了调幅和相位噪声激励振幅。载波为100mhz，调幅深度设为1%。笔者一直在寻找的就是在噪音地板上安装一个稳定的调幅。

然后插入引用的LA并重复相同的测量。

注意必须添加的新噪音列。LA有效地消除了调幅激励，降低了它的噪音。还有相对应的噪声突波也减少了。(后来的测试表明，这是偶然相位调制的来源) 这是一个没有中间限制放大器的100khz的例子。相位噪声窗口显示在顶部，调幅噪声窗口显示在底部。每个窗口的标记1设置为100 kHz。

这是使用限幅放大器时，100khz情况下的相应的样品图。正如之前提到的，笔者一直在寻找的AM突波被淘汰了。相对应的噪声突波又下降了12分贝。由于某种原因，至少在这个样本中，10khz以上的调幅噪声电平不是理想的水平。

一般来说，我们应该使用一个限制放大器，如果AM噪声或突波是显着相对于相位噪声。在一个可以测量两者的测量系统中，我们通常希望AM噪声或突波至少比相位噪声或突波在相同偏移频率下低10分贝。(我们在上面的第一个表中并没有得到这个结果。)

理想情况下，同样的情况也适用于时钟接收器，因为它的AM抑制。例如，如果输入时钟的AM噪声和相位噪声在一个特定的偏移频率上是相同的，那么我们希望时钟接收器将AM噪声进一步抑制或衰减10分贝。这种性能并不总是指定的，可能需要进行度量。它也经常是一个函数的输入时钟摆率或上升/下降的时间。

差分信号

限制放大器是有效地去除AM从单端和差分时钟。然而，差动时钟本身就是对抗AM噪声的一种重要方法。共模噪声抑制是平衡线路差分信令产生的重要原因之一。由于差动信号上的大部分调幅噪声是CM(例如由于电源)，那么差动接收机将趋向于拒绝调幅。这可以在下面的图中进行图示。

首先，考虑施加在单端时钟上的振幅噪声。

现在，考虑同样的振幅噪声压在一个差分时钟上。

该图有几个方面值得注意：

• 差分信号需要相等的CLKP和CLKN路径长度，以最小化歪斜和DM到CM的转换。应制定PC板来执行这一规定。

• 如图所示的分割终止将进一步最小化由于任何意外的歪斜而导致的CM噪声。(请参阅时间101:分割终止的情况。)

• 差分时钟接收机需要良好的共模抑制或CMR。典型的差动接收器应该CMR³ 60分贝。但是，应该对感兴趣的偏移频率进行验证。

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这些都将有助于防止噪声对测量的影响。不幸的是，大多数频谱和相位噪声分析仪器都是单端输入，不能直接支持差分测量。如果我们把图表中的接收器换成仪器，最好的方法是什么?

准备测量将路由一个微分时钟极性,例如CLKP仪器和终止无边无际的极性输出,例如CLKN, 50Ω。一般来说，你会想要通过AC耦合，以提供大致相同的阻抗。这是一个有效的测量方法，但过于保守，因为它忽略了在差动时钟系统中实际会体验到的优势。我们需要的是一个将差分信号转换成单端信号的装置。这样的装置被称为平衡-不平衡变换器(balun)。

这可以是放大器的形式(有时称为有源平衡器)或更典型的无源元件。作为后者的一个例子，一个典型的变压器变压器或电压变压器一侧有中心抽头绕组转换100Ω微分单端50Ω。

在这些测试中使用的balun示例是Tektronix(以前的Picosecond Pulse实验室)PSPL5310R。这是一个相位匹配的balun，它可以运行在4mhz到6.5 GHz之间。

寻找一个足够的宽带balun通过必要的波形与足够的上升时间和良好的相位和振幅平衡。旧的PSPL平衡具有±0.5到±2度的微分相位平衡和±0.1到+0.3/0.2 dB的微分振幅平衡，这取决于频率范围。

DUT与AM噪声示例

笔者选择了一个实际的例子——“desert island”部分，古老的Si570是一个较老的一代可编程振荡器。它是第一个5毫米x7毫米I2C可编程振荡器，可以覆盖10兆赫到1.4 GHz。业余无线电爱好者可能会认为这个设备在一些“软件无线电”特别提款权(软件定义无线电)应用程序中使用。

它不仅可以支持如此广泛的频率范围，而且还可以与“真正的”LVPECL驱动程序一起订购。我的意思是它可以驱动DC-coupled LVPECL负载定义为50Ω终止VDD - 2 v。(相比之下，时钟设备通常提供LVPECL兼容的模式，当AC耦合时，它们可以提供正确的摆幅。)然而，当按预期的方式使用时，这种情况会有所缓解。

下面我们将列出几种有和没有balun和LA的测量场景。DUT是一个评估板，P/N 570AAA000121DG安装运行AC-coupled。这是一个差分可编程XO具有100兆赫的启动频率，输出格式3.3V LVPECL。

以下是各种配置的相位抖动结果。