歡迎來(lái)到Silicon Labs（亦稱“芯科科技”）的新系列博客文章“時(shí)鐘201”的第一篇內(nèi)容－非相位噪聲的情況－第一部分。我們之前的系列博文“時(shí)鐘101”在大約一年半的時(shí)間里發(fā)表了12篇文章。正如它的名字所暗示的，我們打算用比“時(shí)鐘101”更廣泛和更深入的內(nèi)容來(lái)討論時(shí)鐘設(shè)計(jì)的主題。
多即是少
您可能還記得，時(shí)鐘緩沖區(qū)通常是根據(jù)附加抖動(dòng)指定的。這是因?yàn)樗鼈儧](méi)有像XO(晶體振蕩器)或鎖相環(huán)的VCXO這樣的固有相位噪聲源。它們只包括放大器和分頻器。因此，與單獨(dú)使用XO相比，我們通常認(rèn)為XO之后的時(shí)鐘緩沖區(qū)至少在一定程度上增加了相位噪聲或抖動(dòng)。
在所有條件相同的情況下，這是常見(jiàn)的一種情況，除非放大器有足夠高的增益作為一個(gè)限制放大器或LA。如此一來(lái)，測(cè)量源+ LA相位噪聲實(shí)際上可能會(huì)降低。幾年前我就遇到過(guò)這種現(xiàn)象，當(dāng)時(shí)我在評(píng)估各種時(shí)鐘+緩沖區(qū)組合。結(jié)果并不總是有意義的，在那個(gè)時(shí)候，我測(cè)量的一些噪音，實(shí)際上并不是相位噪音，因此特別將此經(jīng)驗(yàn)做為這個(gè)案例的標(biāo)題并與開發(fā)人員分享。
為了了解這是如何發(fā)生的，讓我們來(lái)看看這里所謂的表觀測(cè)量相位噪聲是什么意思。
相量
你可能還記得我在之前的《時(shí)鐘101 #7:雜散相位噪聲第二部分的案例》中討論過(guò)調(diào)制突波。在那篇文章中，我考慮了AM(振幅調(diào)制)和窄帶FM(頻率調(diào)制)或等效PM(相位調(diào)制)相對(duì)較少的載波。比較AM和FM/PM的一般性想法也適用于AM和FM/PM噪聲。
我當(dāng)時(shí)沒(méi)有涉及的一個(gè)話題是AM和NB FM的相量或相位矢量表示，如下圖所示。載波矢量以粗紅色箭頭表示，調(diào)制LSB(下邊帶)和USB(上邊帶)矢量分量以細(xì)藍(lán)色箭頭表示。調(diào)制的矢量和或合成就是粗大的藍(lán)色箭頭。調(diào)制頻率為f<下標(biāo)>M，旋轉(zhuǎn)箭頭表示調(diào)制矢量隨時(shí)間隨載波的變化。總體矢量和是載波+調(diào)制合成的幾何加法。
相量表示的有用之處在于，它表明載波的隨機(jī)噪聲調(diào)制可以看作是由AM和PM兩部分組成。也就是說(shuō)，引起載波幅度變化的噪聲分量是調(diào)幅分量。同樣地，引起載波角度變化的噪聲成分是FM或等效PM成分。
強(qiáng)調(diào)這種區(qū)別通過(guò)使用腳本L (f)或者?(f)引用點(diǎn)噪音或“真正的”相位噪聲和腳本M (f)或者?(f)指的是噪音。我知道的第一篇使用這個(gè)符號(hào)的論文是：
譜密度分析:信號(hào)穩(wěn)定性的頻域規(guī)范和測(cè)量，Donald Halford, John H. Shoaf, A. S.Risley，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局，Boulder, CO，在第27屆頻率控制年度研討會(huì)上發(fā)表，1973年6月12-14日，https://tf.nist.gov/general/pdf/1558.pdf
AM + PM的噪聲大小將是單個(gè)調(diào)制貢獻(xiàn)的RSS或根平方和。同樣處理這些噪聲成分的儀器將直接“看到”RSS噪聲為相位噪聲。這就是所謂的表觀相位噪聲，它是頻譜分析儀的一個(gè)特殊問(wèn)題，如下所述。
簡(jiǎn)要介紹頻譜分析儀
正如我在時(shí)鐘101 #7中提到的，頻譜分析儀不保存相位信息，所以低調(diào)制AM激勵(lì)與窄帶低調(diào)制FM激勵(lì)相似。
下面是一個(gè)典型的掃頻頻譜分析儀的框圖，它說(shuō)明了原因。它本質(zhì)上是一個(gè)校準(zhǔn)頻率選擇性峰值響應(yīng)電壓表。在混頻器中，DUT(被測(cè)設(shè)備)和LO(本振)輸入之間的相位差是任意的。頻譜分析儀對(duì)它們的相對(duì)相位一無(wú)所知，AM和PM無(wú)法區(qū)分。
簡(jiǎn)要介紹相位噪聲分析儀
相比之下，相位噪聲分析儀對(duì)調(diào)幅的影響要小得多。下面的簡(jiǎn)化框圖給出了相位噪聲分析儀和信號(hào)源分析儀通常使用的方法背后的基本思想?；旌掀魍ǔＪ请p平衡混合器，以抑制均勻級(jí)混合產(chǎn)品。
請(qǐng)注意，與頻譜分析儀不同，這里有一個(gè)鎖相環(huán)(PLL)，它強(qiáng)制DUT和參考之間的特定相位關(guān)系。進(jìn)一步，可以表明，AM和PM可以區(qū)分如下。
· 如果相位偏移量為90度，則混頻器檢測(cè)到PM并抑制AM
· 如果相位偏移量為0，則混頻器檢測(cè)到AM并抑制PM
根據(jù)設(shè)計(jì)，相位噪聲分析儀在抗調(diào)幅方面將優(yōu)于頻譜分析儀。
探索使用極限
那么，限制放大器或LA到底是如何幫助我們的呢？線索就在LA的行為上：它從時(shí)鐘信號(hào)中移除，或者至少最小化振幅變化。因此，如果一個(gè)源同時(shí)具有AM和PM噪聲分量，那么理想的限幅器將去除AM分量噪聲，只留下PM噪聲(真正的相位噪聲)。下圖給出了基本的想法：
現(xiàn)在回到最初的工作，這促使這篇文章的產(chǎn)生。如果一個(gè)時(shí)鐘源有明顯的相位噪聲，其中包括AM和PM噪聲，那么在它之后加上一個(gè)高增益時(shí)鐘緩沖器或LA將去除AM，導(dǎo)致比預(yù)期的測(cè)量相位噪聲更小。新組件顯然產(chǎn)生了“減法”抖動(dòng)，而不是產(chǎn)生附加抖動(dòng)。這就是相位噪聲的情況。
在進(jìn)行相位噪聲測(cè)量時(shí)，什么時(shí)候應(yīng)該考慮AM?
簡(jiǎn)而言之，在進(jìn)行仔細(xì)的抖動(dòng)和相位噪聲測(cè)量時(shí)，AM總是一個(gè)潛在的考慮因素。在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上有一個(gè)限制器和一個(gè)平衡桿一樣重要。
然而，在某些特定情況下，AM可能比其他情況更成問(wèn)題。
使用頻譜分析儀或任何其他不能充分抑制AM的儀器測(cè)量相位噪聲。即使在使用相位噪聲分析儀時(shí)，限幅器也很有價(jià)值，因?yàn)樗梢砸种瞥^(guò)混頻器抑制能力的AM。這可能是必要的，當(dāng)測(cè)量非常低相位噪聲源。
測(cè)量低頻低相位噪聲源。你可以回想一下20log(N)規(guī)則，也就是說(shuō)，如果一個(gè)時(shí)鐘的載頻除以一個(gè)N的因數(shù)，那么我們期望相位噪聲減少20log(N);然而，這個(gè)規(guī)則只適用于相位噪聲。如果存在顯著的AM噪聲，那么當(dāng)我們降低載波頻率時(shí)，這個(gè)分量將變得更大，并可能影響測(cè)量結(jié)果。
測(cè)量已知或懷疑有AM噪聲的源。高共模噪聲的時(shí)鐘源屬于這一類。例如，在測(cè)試振蕩器的電源抑制時(shí)，我們專門注入電源紋波。這就是為什么您會(huì)看到如圖5所示的限制放大器。AN491中的PSRR設(shè)置:低抖動(dòng)時(shí)鐘的電源拒絕。查看下圖中突出顯示的來(lái)自該應(yīng)用程序注釋的塊。
故障排除。最后，在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行故障排除并確定性能問(wèn)題的根本原因時(shí)，區(qū)分相位噪聲和激勵(lì)、AM噪聲和激勵(lì)的能力非常有用。還需要進(jìn)行其他測(cè)試，以確定最終接收器對(duì)包括AM噪聲在內(nèi)的時(shí)鐘損傷的敏感度。
結(jié)論
希望大家喜歡本期的時(shí)鐘201博文。在下一篇文章中，我將給出一些度量示例并提供一些經(jīng)驗(yàn)法則。和往常一樣，如果您對(duì)本博客有主題建議或與時(shí)間相關(guān)的問(wèn)題，請(qǐng)將它們發(fā)送到kevin.smith@silabs.com，并在主題行中注明“時(shí)鐘201”。感謝您的閱讀。