如何使用巴伦测量相位噪声？

crowave公司测试和测量产品线[5]，即BAL0006 (200kHz到6GHz)和BAL0036 (300kHz到36GHz)。

选择这两个巴伦是因为两者的隔离度不同。BAL0006在待测器件工作频点上有6dB的隔离度，而BAL0036隔离度提高至10dB，且在较高频率隔离度提高更多。为清晰起见，本文简称BAL0036为有隔离巴伦，BAL0006为无（额外）隔离巴伦。

由于相位噪声分析仪输入端口只能接收交流信号，待测器件和此设备之间必须要加直流隔离器。一般来说，在巴伦的两端都可以加直流隔离器。然而如果巴伦的端口对地直流短路（参考其数据手册），当巴伦被用作合路器时，在巴伦的输入端口必须设置直流隔离器。因此，最好养成将直流隔离器加在巴伦的输入端（即差分端口）的习惯，如图2所示。

信号完整性

示波器通常有不止一个输入端口，所以测量时不需要巴伦。尽管如此，从时域观测巴伦的输出可以增加了解其工作原理。图3为两个不同的晶振和两种不同巴伦产生的波形。图3左侧是LVPECL 156.25MHz晶振波形，右侧是LVDS 312.5MHz晶振波形。底部是有隔离巴伦的情况，顶部是无（额外）隔离巴伦的情况。无隔离巴伦产生的波形噪声更大，其外部衰减器则会降低噪声。每张图都包含一条使用两通道示波器测量的不带巴伦的曲线以供参考（图2a），将两个通道的信号相减，从而得到差分信号。

图3：使用有隔离巴伦（下）和无隔离巴伦（上）测量156.25MHz 

LVPECL（左）和312.5MHz LVDS（右）晶体振荡器波形。

巴伦的插入损耗显然是有巴伦情况下信号峰值小于无巴伦情况下参考波形的原因。不带隔离的巴伦降低了LVPECL和LVDS波形的信号完整性。逻辑电平波形的不平坦表明了巴伦差分端口影响待测器件导致信号失真。相比之下，带隔离的巴伦输出明显更干净的波形。在巴伦的差分端口增加外部衰减器（图2b），信号波形的完整性随衰减增加而改善。在本例中，不带隔离的巴伦输入端口需要9dB的外部衰减，以恢复"无巴伦"时的波形（即归一化每条曲线，使峰值相互重叠）。

有趣的是，图4表明巴伦作为分路器比其作为合路器输出的波形更干净。图4中的信号根据图2中a和c所示设置测得，使用不带隔离巴伦、LVPECL晶振、且没有外部衰减。

图4：巴伦作为分路器得到的差分信号比作为合路器更干净

以上信号完整性降低的原因，可以大部分归因于巴伦隔离度不够。图5a说明了没有隔离的巴伦在其差分端口之间的信号泄露非常可观。来自一个差分端口的泄露信号干扰了另一个差分端口前向传输信号。取决于驱动器的架构，在待测器件输出驱动器处也会出现信号泄露并会影响其正常工作。

图5：具有较差隔离度的巴伦（a）导致信号在巴伦内部泄露。通过增加隔离度（b）或者增加外部衰减器（c）可以降低信号泄露。巴伦作为分路器（d）时不存在信号泄露，所以输出波形也更加干净。

图3中带隔离巴伦的波形信号完整性较好，是因为巴伦内部的额外隔离衰减了此泄露电流（图5b）。给不带隔离的巴伦增加外部衰减器，如图5c，并不能防止差分端口之间的信号泄露，但是和没有外部衰减器的情况相比，泄露的信号的确被衰减了。此外，外部衰减器减少了待测器件输出驱动器端出现的信号泄露。当此泄露信号从一个输出驱动器通过巴伦传导到另一个输出驱动器的过程中其实被衰减了两次（每个衰减器衰减一次）。比较图3中无隔离巴伦曲线中‘巴伦’和‘巴伦+9dB衰减’两组曲线，两者之间非常相似（在将两者最大值归一化之后），在待测器件输出驱动器电路端出现的信号泄露现象，是巴伦输出信号噪声的主要来源。

最后，如图4和图5d所示，巴伦作为分路器比作为合路器时波形更干净，因为待测器件输出驱动器并没有获得来自巴伦的泄露信号。

随机相位噪声

如图2b中的设置，使用合路器巴伦进行相位噪声测量。相位噪声是在频域测量信号相位的变化。通过处理相位噪声测量数据，可以得到相位抖动值，其均方根值用秒表示。相位噪声积分曲线，以-10dB每格的速度下降至初始交汇点[6]。

图6a反映了外部衰减器如何大幅度改变测得的LVPECL晶振的相位噪声。没有衰减的情况下，不带隔离巴伦相位噪声测量，距中心频点约600KHz以下结果较好，600KHz以上结果较差。增加3dB的衰减可以大幅度降低巴伦在相位噪声测量中引起的器件误差。随着衰减的增加，改善的幅度减小甚至最终消失。使用6dB衰减器（本文未给出）和9dB衰减器的相位噪声曲线是重叠的。

图6：使用无隔离巴伦（a）和有隔离巴伦（b）对LVPECL 156.25MHz晶振