美国Wenzel Associates,Inc公司除了为广大客户提供高性能,高品质,低相噪,低抖动,稳定性好,可靠性高的石英晶体振荡器之外,也可以为用户提供针对性的晶振解决方案.Wenzel晶振这个品牌在美国可以说是家喻户晓了,地位相当于我国的台产厂家,自1978年成立以来,Wenzel就致力于研发高标准的石英晶体和振荡器,并在探索钻研中,或创新或发现新的技术,例如如何利用放大器测量晶体振荡器的噪声.这个方法虽然不是由Wenzel自创的,但是他们把这项技术完善得更好,更精准.

低噪声石英晶体振荡器和信号源的相位噪声通常通过在锁相环中测量相位比较器输出端的音频噪声电压来确定.相位比较器通常是低噪声双平衡混频器,其相位斜率从每弧度十分之几伏特到每弧度几伏特.对于非常低噪声的源,这种类型的相位检测器的低转换增益产生低纳伏特每根-赫兹范围的信号,该信号低于大多数频谱分析仪的本底噪声.合适的低噪声前置放大器很容易由分立元件或现代低噪声运算放大器构成.

除噪声电压外,放大器要求不是特别苛刻.由于相位检测器的输出阻抗较低,因此大多数放大器电路的输入阻抗是足够的.从几赫兹到100kHz的频率响应通常是足够的,输出负载通常是高阻抗频谱分析仪和示波器.相位检测器输出阻抗非常低,因此普通双极晶体管的噪声电流足够低.例如,当源是典型的肖特基二极管混频器时,普通的2N4403晶体管在10Hz下表现出低于1纳伏的噪声电压.有几种运算放大器的噪声电压低于3纳伏,有些运算放大器的噪声电压低于1纳伏.由这些部件构成的简单放大器在大多数应用中都表现良好.散装金属,线绕和金属薄膜电阻器几乎没有过多的噪音,应该用碳代替碳膜或碳成分类型.应避免使用大多数电位计,因为薄膜和金属陶瓷类型噪声很大.

虽然放大器要求很低,但可以添加几个功能来增强测量系统.通常通过观察自激石英振荡器的拍音来测量相位检测器的相位斜率.大多数简单的放大器电路在过载时会扭曲这个节拍音,因此在检查相位斜率时必须断开它们.在某些情况下,将出现重新连接放大器是否会改变相位斜率的问题.例如,可以省略在相位检测器的输出处使用的正常低阻抗终端以实现更高的相位斜率,但是这种未终止的相位检测器可以对输出负载的变化敏感.可调增益放大器保持与输入连接,避免了这个问题.放大器的增益设置为1,用于测量相位斜率,然后切换到高增益进行测量.

另一个期望的特征是可调节的低频滚降.放大器应具有直流响应能力,并且有两个或三个交流高通选择.直流响应允许非常接近的相位噪声测量,并且即使在存在高电平近距噪声的情况下,AC响应也允许对噪声基底进行高增益测量.当在示波器上观察“跳跃”振荡器时,相当高频率的高通响应也很有用.由于许多相位噪声测量仅延伸至10Hz并且高通将减少“建立时间”,因此还建议在2.5Hz处进行高通滚降.直流增益应低于40dB,因为它主要用于近距离噪声,过高的增益可能会在测量噪声晶振时导致削波.(或者,可以通过衰减其中一个相位检测器输入来降低检测器的相位斜率,但放大器上的简单增益开关更方便.)

放大器应在输入端进行一些RF滤波,以使相位检测器的载波和和频不会达到增益级.一个简单的L-C滤波器,其谐振频率远高于放大器的频率响应,远低于测量的振荡器频率,通常就足够了.如果放大器的响应必须接近振荡器的频率,则需要更复杂的滤波.例如,测量1MHz振荡器的相位噪声到32.768K有源晶振可能需要一个特殊的滤波器来防止放大器过载.可以在放大器两端放置特定的频率陷阱以减少特定频率.

另一个便利是相位检测器和PLL放大器之间的单位增益缓冲放大器.该缓冲器可防止PLL电路因PLL放大器过载而干扰相位斜率测量.高阻抗缓冲器还可以防止PLL电路元件限制低噪声放大器的效用.例如,放大器可用于测量原型电路中的音频噪声,但低电阻PLL输入电阻可能会过度加载要测量的点.

图1显示了具有上述特征的完整超低噪声放大器.输入电路包括两个并联的2SK369JFET,以实现非常低的噪声电压.这些令人惊讶的低噪声晶体管的噪声基底接近0.7纳伏,噪声在10赫兹时仅上升到1.5纳伏.JFET和LM833的第一级提供30dB的直流耦合增益.贴片振荡器表现出足够的噪声导致此阶段的衰减非常嘈杂,可以在增益设置为0dB的情况下进行测量!交流耦合设置包含第二个30dB放大器,总交流增益为60dB.通过多极开关选择三个AC频率响应.缓冲器驱动两个BNC连接器,一个用于频谱分析仪,另一个用于示波器.除了在输入端提供缓冲器并添加手动“回转”开关以加速锁相之外,PLL是相当普通的.R1,R2和C1可以与接线柱连接,以便于修改.可以在PLL输出上添加10k电位计,以手动调节各种振荡器的调谐灵敏度.

只需对放大器电路进行一次调整即可.必须选择2N5639的源电阻,使输入短路时放大器的输出接近零伏.该FET是一个简单的电流源,它吸收足够的电流,使2SK369的漏极降至LM833正输入端的电压(由电阻分压器设置).只要Idss高于约25mA,其他FET可以代替2N5639.

图1:完整的超低噪声放大器和PLL,用于相位噪声测量.

选择R1,R2和C1以获得所需的PLL响应.选择低于要测量的最低频率的慢回路响应.例如,使用一赫兹带宽进行低至10Hz的测量.手动回转开关可用于加速锁相.普通的PLL数学适用于这种设置,310只是一个单位增益缓冲器,不会影响计算.目前来说任何一种晶体振荡器类型都可以搭载低相位噪声,但主要还是应用于VCXO晶振,OCXO晶振,LV-PECL晶振,LVDS输出差分晶振这几种分类,用放大器测量晶振的相位噪声,目的是为了保持晶振的稳定性,相位噪声是对信号时序变化的另一种测量方式,其结果在频率域内显示.