美國Wenzel Associates,Inc公司除了為廣大客戶提供高性能,高品質(zhì),低相噪,低抖動,穩(wěn)定性好,可靠性高的石英晶體振蕩器之外,也可以為用戶提供針對性的晶振解決方案.Wenzel晶振這個品牌在美國可以說是家喻戶曉了,地位相當于我國的臺產(chǎn)廠家,自1978年成立以來,Wenzel就致力于研發(fā)高標準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,例如如何利用放大器測量晶體振蕩器的噪聲.這個方法雖然不是由Wenzel自創(chuàng)的,但是他們把這項技術完善得更好,更精準.

低噪聲石英晶體振蕩器和信號源的相位噪聲通常通過在鎖相環(huán)中測量相位比較器輸出端的音頻噪聲電壓來確定.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.對于非常低噪聲的源,這種類型的相位檢測器的低轉換增益產(chǎn)生低納伏特每根-赫茲范圍的信號,該信號低于大多數(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)代低噪聲運算放大器構成.

除噪聲電壓外,放大器要求不是特別苛刻.由于相位檢測器的輸出阻抗較低,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的頻率響應通常是足夠的,輸出負載通常是高阻抗頻譜分析儀和示波器.相位檢測器輸出阻抗非常低,因此普通雙極晶體管的噪聲電流足夠低.例如,當源是典型的肖特基二極管混頻器時,普通的2N4403晶體管在10Hz下表現(xiàn)出低于1納伏的噪聲電壓.有幾種運算放大器的噪聲電壓低于3納伏,有些運算放大器的噪聲電壓低于1納伏.由這些部件構成的簡單放大器在大多數(shù)應用中都表現(xiàn)良好.散裝金屬,線繞和金屬薄膜電阻器幾乎沒有過多的噪音,應該用碳代替碳膜或碳成分類型.應避免使用大多數(shù)電位計,因為薄膜和金屬陶瓷類型噪聲很大.

雖然放大器要求很低,但可以添加幾個功能來增強測量系統(tǒng).通常通過觀察自激石英振蕩器的拍音來測量相位檢測器的相位斜率.大多數(shù)簡單的放大器電路在過載時會扭曲這個節(jié)拍音,因此在檢查相位斜率時必須斷開它們.在某些情況下,將出現(xiàn)重新連接放大器是否會改變相位斜率的問題.例如,可以省略在相位檢測器的輸出處使用的正常低阻抗終端以實現(xiàn)更高的相位斜率,但是這種未終止的相位檢測器可以對輸出負載的變化敏感.可調(diào)增益放大器保持與輸入連接,避免了這個問題.放大器的增益設置為1,用于測量相位斜率,然后切換到高增益進行測量.

另一個期望的特征是可調(diào)節(jié)的低頻滾降.放大器應具有直流響應能力,并且有兩個或三個交流高通選擇.直流響應允許非常接近的相位噪聲測量,并且即使在存在高電平近距噪聲的情況下,AC響應也允許對噪聲基底進行高增益測量.當在示波器上觀察“跳躍”振蕩器時,相當高頻率的高通響應也很有用.由于許多相位噪聲測量僅延伸至10Hz并且高通將減少“建立時間”,因此還建議在2.5Hz處進行高通滾降.直流增益應低于40dB,因為它主要用于近距離噪聲,過高的增益可能會在測量噪聲晶振時導致削波.(或者,可以通過衰減其中一個相位檢測器輸入來降低檢測器的相位斜率,但放大器上的簡單增益開關更方便.)

放大器應在輸入端進行一些RF濾波,以使相位檢測器的載波和和頻不會達到增益級.一個簡單的L-C濾波器,其諧振頻率遠高于放大器的頻率響應,遠低于測量的振蕩器頻率,通常就足夠了.如果放大器的響應必須接近振蕩器的頻率,則需要更復雜的濾波.例如,測量1MHz振蕩器的相位噪聲到32.768K有源晶振可能需要一個特殊的濾波器來防止放大器過載.可以在放大器兩端放置特定的頻率陷阱以減少特定頻率.

另一個便利是相位檢測器和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放大器過載而干擾相位斜率測量.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,放大器可用于測量原型電路中的音頻噪聲,但低電阻PLL輸入電阻可能會過度加載要測量的點.

圖1顯示了具有上述特征的完整超低噪聲放大器.輸入電路包括兩個并聯(lián)的2SK369JFET,以實現(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赫茲時僅上升到1.5納伏.JFET和LM833的第一級提供30dB的直流耦合增益.貼片振蕩器表現(xiàn)出足夠的噪聲導致此階段的衰減非常嘈雜,可以在增益設置為0dB的情況下進行測量!交流耦合設置包含第二個30dB放大器,總交流增益為60dB.通過多極開關選擇三個AC頻率響應.緩沖器驅動兩個BNC連接器,一個用于頻譜分析儀,另一個用于示波器.除了在輸入端提供緩沖器并添加手動“回轉”開關以加速鎖相之外,PLL是相當普通的.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,以手動調(diào)節(jié)各種振蕩器的調(diào)諧靈敏度.

只需對放大器電路進行一次調(diào)整即可.必須選擇2N5639的源電阻,使輸入短路時放大器的輸出接近零伏.該FET是一個簡單的電流源,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,用于相位噪聲測量.

選擇R1,R2和C1以獲得所需的PLL響應.選擇低于要測量的最低頻率的慢回路響應.例如,使用一赫茲帶寬進行低至10Hz的測量.手動回轉開關可用于加速鎖相.普通的PLL數(shù)學適用于這種設置,310只是一個單位增益緩沖器,不會影響計算.目前來說任何一種晶體振蕩器類型都可以搭載低相位噪聲,但主要還是應用于VCXO晶振,OCXO晶振,LV-PECL晶振,LVDS輸出差分晶振這幾種分類,用放大器測量晶振的相位噪聲,目的是為了保持晶振的穩(wěn)定性,相位噪聲是對信號時序變化的另一種測量方式,其結果在頻率域內(nèi)顯示.