美國(guó)Wenzel Associates,Inc公司除了為廣大客戶(hù)提供高性能,高品質(zhì),低相噪,低抖動(dòng),穩(wěn)定性好,可靠性高的石英晶體振蕩器之外,也可以為用戶(hù)提供針對(duì)性的晶振解決方案.Wenzel晶振這個(gè)品牌在美國(guó)可以說(shuō)是家喻戶(hù)曉了,地位相當(dāng)于我國(guó)的臺(tái)產(chǎn)廠家,自1978年成立以來(lái),Wenzel就致力于研發(fā)高標(biāo)準(zhǔn)的石英晶體和振蕩器,并在探索鉆研中,或創(chuàng)新或發(fā)現(xiàn)新的技術(shù),例如如何利用放大器測(cè)量晶體振蕩器的噪聲.這個(gè)方法雖然不是由Wenzel自創(chuàng)的,但是他們把這項(xiàng)技術(shù)完善得更好,更精準(zhǔn).

低噪聲石英晶體振蕩器和信號(hào)源的相位噪聲通常通過(guò)在鎖相環(huán)中測(cè)量相位比較器輸出端的音頻噪聲電壓來(lái)確定.相位比較器通常是低噪聲雙平衡混頻器,其相位斜率從每弧度十分之幾伏特到每弧度幾伏特.對(duì)于非常低噪聲的源,這種類(lèi)型的相位檢測(cè)器的低轉(zhuǎn)換增益產(chǎn)生低納伏特每根-赫茲范圍的信號(hào),該信號(hào)低于大多數(shù)頻譜分析儀的本底噪聲.合適的低噪聲前置放大器很容易由分立元件或現(xiàn)代低噪聲運(yùn)算放大器構(gòu)成.

除噪聲電壓外,放大器要求不是特別苛刻.由于相位檢測(cè)器的輸出阻抗較低,因此大多數(shù)放大器電路的輸入阻抗是足夠的.從幾赫茲到100kHz的頻率響應(yīng)通常是足夠的,輸出負(fù)載通常是高阻抗頻譜分析儀和示波器.相位檢測(cè)器輸出阻抗非常低,因此普通雙極晶體管的噪聲電流足夠低.例如,當(dāng)源是典型的肖特基二極管混頻器時(shí),普通的2N4403晶體管在10Hz下表現(xiàn)出低于1納伏的噪聲電壓.有幾種運(yùn)算放大器的噪聲電壓低于3納伏,有些運(yùn)算放大器的噪聲電壓低于1納伏.由這些部件構(gòu)成的簡(jiǎn)單放大器在大多數(shù)應(yīng)用中都表現(xiàn)良好.散裝金屬,線繞和金屬薄膜電阻器幾乎沒(méi)有過(guò)多的噪音,應(yīng)該用碳代替碳膜或碳成分類(lèi)型.應(yīng)避免使用大多數(shù)電位計(jì),因?yàn)楸∧ず徒饘偬沾深?lèi)型噪聲很大.

雖然放大器要求很低,但可以添加幾個(gè)功能來(lái)增強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng).通常通過(guò)觀察自激石英振蕩器的拍音來(lái)測(cè)量相位檢測(cè)器的相位斜率.大多數(shù)簡(jiǎn)單的放大器電路在過(guò)載時(shí)會(huì)扭曲這個(gè)節(jié)拍音,因此在檢查相位斜率時(shí)必須斷開(kāi)它們.在某些情況下,將出現(xiàn)重新連接放大器是否會(huì)改變相位斜率的問(wèn)題.例如,可以省略在相位檢測(cè)器的輸出處使用的正常低阻抗終端以實(shí)現(xiàn)更高的相位斜率,但是這種未終止的相位檢測(cè)器可以對(duì)輸出負(fù)載的變化敏感.可調(diào)增益放大器保持與輸入連接,避免了這個(gè)問(wèn)題.放大器的增益設(shè)置為1,用于測(cè)量相位斜率,然后切換到高增益進(jìn)行測(cè)量.

另一個(gè)期望的特征是可調(diào)節(jié)的低頻滾降.放大器應(yīng)具有直流響應(yīng)能力,并且有兩個(gè)或三個(gè)交流高通選擇.直流響應(yīng)允許非常接近的相位噪聲測(cè)量,并且即使在存在高電平近距噪聲的情況下,AC響應(yīng)也允許對(duì)噪聲基底進(jìn)行高增益測(cè)量.當(dāng)在示波器上觀察“跳躍”振蕩器時(shí),相當(dāng)高頻率的高通響應(yīng)也很有用.由于許多相位噪聲測(cè)量?jī)H延伸至10Hz并且高通將減少“建立時(shí)間”,因此還建議在2.5Hz處進(jìn)行高通滾降.直流增益應(yīng)低于40dB,因?yàn)樗饕糜诮嚯x噪聲,過(guò)高的增益可能會(huì)在測(cè)量噪聲晶振時(shí)導(dǎo)致削波.(或者,可以通過(guò)衰減其中一個(gè)相位檢測(cè)器輸入來(lái)降低檢測(cè)器的相位斜率,但放大器上的簡(jiǎn)單增益開(kāi)關(guān)更方便.)

放大器應(yīng)在輸入端進(jìn)行一些RF濾波,以使相位檢測(cè)器的載波和和頻不會(huì)達(dá)到增益級(jí).一個(gè)簡(jiǎn)單的L-C濾波器,其諧振頻率遠(yuǎn)高于放大器的頻率響應(yīng),遠(yuǎn)低于測(cè)量的振蕩器頻率,通常就足夠了.如果放大器的響應(yīng)必須接近振蕩器的頻率,則需要更復(fù)雜的濾波.例如,測(cè)量1MHz振蕩器的相位噪聲到32.768K有源晶振可能需要一個(gè)特殊的濾波器來(lái)防止放大器過(guò)載.可以在放大器兩端放置特定的頻率陷阱以減少特定頻率.

另一個(gè)便利是相位檢測(cè)器和PLL放大器之間的單位增益緩沖放大器.該緩沖器可防止PLL電路因PLL放大器過(guò)載而干擾相位斜率測(cè)量.高阻抗緩沖器還可以防止PLL電路元件限制低噪聲放大器的效用.例如,放大器可用于測(cè)量原型電路中的音頻噪聲,但低電阻PLL輸入電阻可能會(huì)過(guò)度加載要測(cè)量的點(diǎn).

圖1顯示了具有上述特征的完整超低噪聲放大器.輸入電路包括兩個(gè)并聯(lián)的2SK369JFET,以實(shí)現(xiàn)非常低的噪聲電壓.這些令人驚訝的低噪聲晶體管的噪聲基底接近0.7納伏,噪聲在10赫茲時(shí)僅上升到1.5納伏.JFET和LM833的第一級(jí)提供30dB的直流耦合增益.貼片振蕩器表現(xiàn)出足夠的噪聲導(dǎo)致此階段的衰減非常嘈雜,可以在增益設(shè)置為0dB的情況下進(jìn)行測(cè)量!交流耦合設(shè)置包含第二個(gè)30dB放大器,總交流增益為60dB.通過(guò)多極開(kāi)關(guān)選擇三個(gè)AC頻率響應(yīng).緩沖器驅(qū)動(dòng)兩個(gè)BNC連接器,一個(gè)用于頻譜分析儀,另一個(gè)用于示波器.除了在輸入端提供緩沖器并添加手動(dòng)“回轉(zhuǎn)”開(kāi)關(guān)以加速鎖相之外,PLL是相當(dāng)普通的.R1,R2和C1可以與接線柱連接,以便于修改.可以在PLL輸出上添加10k電位計(jì),以手動(dòng)調(diào)節(jié)各種振蕩器的調(diào)諧靈敏度.

只需對(duì)放大器電路進(jìn)行一次調(diào)整即可.必須選擇2N5639的源電阻,使輸入短路時(shí)放大器的輸出接近零伏.該FET是一個(gè)簡(jiǎn)單的電流源,它吸收足夠的電流,使2SK369的漏極降至LM833正輸入端的電壓(由電阻分壓器設(shè)置).只要Idss高于約25mA,其他FET可以代替2N5639.

圖1:完整的超低噪聲放大器和PLL,用于相位噪聲測(cè)量.

選擇R1,R2和C1以獲得所需的PLL響應(yīng).選擇低于要測(cè)量的最低頻率的慢回路響應(yīng).例如,使用一赫茲帶寬進(jìn)行低至10Hz的測(cè)量.手動(dòng)回轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)可用于加速鎖相.普通的PLL數(shù)學(xué)適用于這種設(shè)置,310只是一個(gè)單位增益緩沖器,不會(huì)影響計(jì)算.目前來(lái)說(shuō)任何一種晶體振蕩器類(lèi)型都可以搭載低相位噪聲,但主要還是應(yīng)用于VCXO晶振,OCXO晶振,LV-PECL晶振,LVDS輸出差分晶振這幾種分類(lèi),用放大器測(cè)量晶振的相位噪聲,目的是為了保持晶振的穩(wěn)定性,相位噪聲是對(duì)信號(hào)時(shí)序變化的另一種測(cè)量方式,其結(jié)果在頻率域內(nèi)顯示.