差分时钟和计时设备通常使用巴伦来表征相位噪声。虽然使用起来看似简单，但巴伦执行的过程相当复杂，可能会在不知不觉中将伪影引入测量结果中。本文描述了此类伪影，讨论了它们出现的原因以及如何消除它们。提供了选择巴伦并使用它来准确表征器件相位噪声的建议。

差分时钟信号广泛用于数据通信、无线、仪器仪表和医疗等广泛应用。差分信号使用一对导体；理想情况下，每个信号都携带幅度相同但相位相反的信号。示例包括 LVPECL、LVDS 和 CML。与单端信号相比，差分信号在每个导体上具有更低的电压摆幅，这使得它们能够在更高的频率下工作。然而，在相同电源下，复合（差分）摆幅可以大于单端摆幅，从而提高其信噪比。

通过抑制共模噪声，差分信号在噪声环境中也能表现得更好。此外，它们还提供更精确的定时，因为差分信号的交叉位置比单端信号更容易控制（这取决于与绝对参考电平交叉的电压）。1

相位噪声量化信号2中的短期相位波动 ，并且可以说是评估关键计时应用中使用的时钟和计时设备的最重要参数。可以使用频谱分析仪或专用相位噪声分析仪来测量相位噪声（以及幅度噪声）。然而，这些仪器仅分析单端信号。要将设备的差分信号转换为单端信号，需要有源探头、差分转单端放大器或无源巴伦。对于低噪声测量，巴伦是首选，因为它们不会在测量中添加放大器噪声。宽带巴伦特别有吸引力，因为单个设备可以支持宽频率范围内的测量。

本文探讨如何使用巴伦来表征差分时钟信号中的相位噪声。首先讨论巴伦可能引入测量数据的伪影。示例测试结果仅供说明之用，并不代表典型或最坏情况。实际上，巴伦是否会损害相位噪声数据以及损害的程度是很难预测的。本文分析了所涉及的因素，例如巴伦的选择、被测设备以及将设备连接到巴伦的布线和组件。提出了实验技术来确定巴伦是否影响相位噪声测量。最后，提出了如何选择巴伦并使用它来准确表征器件相位噪声的建议。据作者所知，这是第一篇研究巴伦对相位噪声测量影响的发表文章。

底漆巴伦

图 1说明了巴伦在将平衡阻抗（或差分信号）转换为不平衡阻抗（或单端信号）方面的作用。巴伦本身看似易于使用，只需要三个连接（两个输入和一个输出）并且不需要电源。作为一种互易装置，巴伦可以沿任一方向驱动。将信号从单端转换为差分的巴伦称为分离器。反向操作时，称为合路器。在正常操作中，差分端口 J2 和 J3 理想地提供相等且相反的信号。不平衡端口 J1 与传输线阻抗匹配，通常为 50 Ω。

巴伦的性能可以用几个关键指标来概括。3 幅度平衡（以 dB 为单位）是从不平衡端口到一个差分端口与另一个端口之间的差分插入损耗。相位平衡（以度为单位）是差分端口上的差分相移。插入损耗（以 dB 为单位）是信号功率的额外损耗（超出由信号分离引起的标称损耗），是由于在信号路径中插入巴伦而引入的。隔离度 (dB) 是进入一个差分端口（例如 J2）的信号功率与出现在另一差分端口（例如 J3）的信号功率之比。回波损耗（以 dB 为单位）或电压驻波比 (VSWR) 表示器件与特定负载和源阻抗（通常为 50 Ω）的匹配程度。最后，共模抑制比 (CMRR)（以 dB 为单位）是共模增益与差模增益的比率，并反映巴伦对从平衡端口传递到不平衡端口的共模信号的衰减程度。 CMRR 可以根据矢量消除的幅度和相位平衡来计算。

测试设置

测试数据使用如图 2a至d所示的四种基本设置之一进行测量。使用高速实时示波器分析时钟信号的信号完整性，同时使用信号源分析仪测量相位噪声。4 虽然本研究分析了许多制造商的时钟器件，但此处提供了两个被测器件 (DUT) 以说明主要发现。两种 DUT 均为市售 5 mm × 7 mm 表面贴装晶体振荡器 (XO)。第一个 DUT 是基于模拟乘法的 156.25 MHz LVPECL XO。第二个 DUT 是 LVDS XO，其输出频率可通过修改内部锁相环 (PPL) 反馈分频器来更改，以提供 78.125 MHz 或 312.5 MHz。每个 DUT 的端接如图所示图 2e和f适合驱动 50 Ω 测试设备。除非另有说明，图 2 设置使用 0.1 µF 交流耦合电容器和 0 Ω 串联终端电阻。

一些设置使用带有或不带有固定同轴衰减器（即填充）的连接器巴伦。

由于相位噪声分析仪的射频输入端口只能接受交流信号，因此必须在 DUT 和仪器之间的信号路径中的某个位置插入隔直器。一般来说，可以在巴伦的任一侧阻断直流。但是，如果巴伦的端口直流短路接地（请参阅其数据表），则当将巴伦用作组合器时，必须在巴伦的输入端口放置直流块。因此，最好养成在巴伦的输入（差分）端口放置直流模块的习惯，如图 2 所示。

信号完整性

示波器通常有多个输入，因此不需要巴伦来执行测量。尽管如此，在时域中查看巴伦的输出信号可以深入了解其操作。图 3 显示了两个不同 XO 和两个不同巴伦的波形。图 3的左侧和右侧分别对应于 LVPECL 156.25 MHz 和 LVDS 312.5 MHz 波形。底部和顶部分别对应于具有和不具有（添加）隔离的巴伦。不带隔离的巴伦会提供噪声较大的波形，外部衰减往往会消除该波形。作为参考，每个图都包含一条“无巴伦”曲线，该曲线是使用两个示波器通道测量的（如图 2a 所示），其中一个通道的数据从另一个通道的数据中减去，以计算差分信号。

巴伦的插入损耗很明显，因为用巴伦获得的所有信号摆动都小于“无巴伦”参考波形。据观察，不带隔离的巴伦会降低 LVPECL 和 LVDS 波形的信号完整性。波形逻辑电平中的凸起表示由巴伦差分端口返回 DUT 的反馈引起的信号失真。相比之下，具有隔离功能的巴伦可提供明显更清晰的波形。在巴伦的差分端口插入外部衰减器（如图 2b 所示）可提高波形的信号完整性，与衰减水平成正比。在此示例中，无隔离巴伦的输入需要 9 dB 的外部衰减，以恢复“无巴伦”波形形状（即，通过峰值幅度对每条曲线进行归一化会产生重叠曲线）。

有趣的是，图 4显示，与将巴伦用作组合器相比，将巴伦用作分离器可提供更清晰的波形。图 4 中所示的信号是使用无隔离的巴伦、LVPECL XO 且无外部衰减的情况下测量的，如图 2a 和 c 所示。

上述信号完整性损害很大程度上可归因于巴伦中的有限隔离。图 5a说明，没有隔离的巴伦在其差分端口之间存在明显的信号泄漏。来自一个差分端口的泄漏信号会干扰另一差分端口的正向信号。泄漏信号也会出现在 DUT 输出驱动器上，根据驱动器架构，这可能会影响其运行。

图 3 所示的带隔离的巴伦波形具有更好的信号完整性，因为巴伦内部的额外隔离会减弱该漏电流（如图5b所示）。在不带隔离的巴伦上添加外部衰减，如图5c所示，并不能防止差分端口之间的泄漏，但与不使用外部衰减时相比，泄漏的信号会被衰减。此外，外部衰减可减少 DUT 输出驱动器上出现的泄漏信号。当泄漏信号从一个输出驱动器通过巴伦传输到另一个输出驱动器时，该泄漏信号实际上被衰减两次（每个衰减器一次）。从图 3 中“巴伦”和“巴伦 + 9 dB 衰减”的巴伦无隔离曲线来看，其形状匹配良好（在通过峰值幅度对它们进行归一化之后），DUT 输出处出现的泄漏信号的影响驱动器电路是巴伦输出信号中的主要噪声源。

最后，如图4 和5d所示，作为分离器运行的巴伦可提供比用作组合器时更清晰的波形，因为 DUT 输出驱动器不会观察到来自巴伦的泄漏信号。

随机相位噪声

使用图 2b 中的组合器巴伦装置测量相位噪声。相位噪声是频域中相位变化的度量。可以对相位噪声数据进行积分以获得以秒 RMS 为单位的相位抖动值。通过将 -10 dB/十倍频程线降低至其首次与曲线相交的位置来定位主导该积分的相位噪声曲线区域。6

图 6a显示了外部衰减如何显着改变 LVPECL XO 的测量相位噪声。在没有衰减的情况下，不带隔离的巴伦相位噪声测量分别在低于和高于约 600 kHz 偏移频率时提供过度乐观和悲观的结果。添加 3 dB 的衰减可显着减少测得的相位噪声中的巴伦伪影。随着更多衰减的增加，改善程度最终会减弱。使用 6 dB 衰减（未显示）测量的相位噪声与 9 dB 衰减曲线重叠。

图 6b所示的具有隔离相位噪声的巴伦与外部衰减水平无关，这表明巴伦内部增加的隔离消除了测量中巴伦引起的伪影的重要来源。因此，向不带隔离的巴伦添加外部衰减可提供与带隔离的巴伦中的隔离类似的优点。

添加外部衰减以消除相位噪声数据中的巴伦伪影的一个缺点是，它会降低进入相位噪声分析仪的信号功率，从而导致数据不太准确。用于这些测量的是德科技相位噪声分析仪在其 PLL 内部具有基于二极管的鉴相器，必须使用电流进行偏置。因此，建议输入信号功率为 0 至 5 dBm。添加外部衰减本质上是将信号进一步推入仪器的本底噪声。在测量中启用互相关可以帮助恢复信号；然而，互相关会增加测试时间，并且根据信号低于仪器本底噪声的深度，互相关可能并不总是有帮助。仪器本底噪声对测得的相位噪声数据的影响如图6所示，其中，与具有较小外部衰减的曲线相比，9 dB 外部衰减曲线在最低相位噪声水平（即高于 2 MHz 偏移频率）处具有更多噪声。

因此，在差分端口之间使用具有高隔离度的巴伦非常重要。如果需要外部衰减，请使用稳定数据所需的最少量。可以通过以小增量增加衰减直到相位噪声数据不再变化来确定最佳衰减。然后，选择产生该数据的最小衰减量。在图 6a 中，最佳衰减为 6 dB（未显示）。在图 6b 中，不需要外部衰减。

除了巴伦中端口间隔离不良导致的信号损伤之外，未以传输线特性阻抗（通常为 50 Ω）端接的接口处也会发生反射。这些反射与前向波同步，可以组合形成驻波。这里，电缆的 DUT 和巴伦两端的电压（和电流）水平是电缆长度的函数，这会影响 DUT 和/或巴伦的操作。 VSWR 指标测量最大驻波幅度与最小驻波幅度的比率。完美端接的组件的 VSWR 为 1，表明电缆中任何位置的电压（和电流）保持恒定。实际上，组件的 VSWR 大于 1。因此，DUT 驱动器观察到的巴伦阻抗是连接 DUT 和巴伦的电缆长度的函数。图 7显示了改变电缆长度如何影响信号完整性和相位噪声特性。

理论上，所讨论的传输线效应在电缆长度较长时变得更加明显。在短电缆中，从 DUT 到巴伦的延迟小于信号的转换时间，反射在被注意到之前就已稳定下来。在频域中，随着频率的变化，较长的电缆会导致更多的相位变化。在时域中，较长的电缆会导致反射发生之间的延迟较长，并且更多的反射会导致驻波和干扰效应。通过使用具有出色回波损耗（防止初始反射）的巴伦以及在测量具有良好回波损耗（防止后续反射）的设备时，可以最大限度地减少这些影响。

杂散相位噪声

尽管相位噪声分析仪测量原始相位噪声（以 dBc/Hz 为单位），但它可以对该数据进行后处理以检测以 dBc 为单位的杂散相位噪声。以 dBc/Hz 为单位的相位噪声数据可以与以 dBc 为单位的杂散数据一起绘制，其中使用不同的颜色来绘制杂散数据以区分其单位变化（因为两者共享 y 轴刻度）。图 8a和b说明了 312.5 MHz LVDS XO 中两个毛刺的这一过程。

图 8c和d使用单端信号的水平线量化杂散幅度，如图 2d 的配置所测量。使用水平线显示单端杂散幅度，使用条形图显示差分杂散幅度作为衰减的函数。这些线对应于 OUT+ 和 OUT−。对于此 DUT，输出之间的杂散电平不同。图 8c 和 d 中的条形表示使用不带隔离的巴伦测量的杂散幅度，如图 2b 所示。此处，增加外部衰减水平可将杂散幅度降低至单端（即 OUT+ 和 OUT-）杂散幅度的大致平均 dBc 值。

串联负载

为了进一步分析组件反射和巴伦隔离对测量的相位噪声数据的影响，使用串联终端将 DUT 输出与其传输线相匹配，并使用不带隔离的巴伦重新表征。具体来说，LVPECL XO 输出阻抗在 156 MHz 下测量为 35 Ω，因此图 2e 中的 Rs 使用 15 Ω 值。同样，在 78 MHz 和 312 MHz 下测得的 LVDS XO 输出阻抗分别为 3 Ω 和 13 Ω，因此图 2f 中的 Rs 分别使用 47 Ω 和 37 Ω。在每种情况下，使用串联终端得到的相位噪声数据都更加准确。

图 9总结了两种情况的测试结果。红色曲线是原始相位噪声数据，使用不带隔离、无串联终端且无外部衰减的巴伦测量。绿色曲线使用与红色曲线类似的设置，但包括串联终端。蓝色曲线使用与绿色曲线类似的设置，但添加了比稳定相位噪声曲线所需的更多的外部衰减（例如，减少 3 dB 的衰减会产生与图 9 所示相同的蓝色曲线数据）。蓝色曲线也与使用带隔离的巴伦测量的数据相同，因此代表了器件最准确的相位噪声数据。串联终端（绿色曲线）改善了相位噪声测量。

由于巴伦、电缆和 DUT 输出电路都不能完美匹配 50 Ω 或彼此之间，因此会发生反射，从而导致驻波和谐振。这些反射与巴伦隔离不良导致的任何泄漏信号一起形成从巴伦传输到 DUT 的反向信号。如果 DUT 的输出缓冲器与其内部 VCO、振荡器电路或其他组件之间的隔离度较差，则 DUT 输出的相位噪声可能会受到影响。使用串联终端将 DUT 与传输线阻抗匹配可以吸收反向信号，防止其在 DUT 和巴伦之间来回传播。据观察，串联终端对相位噪声的影响与添加外部衰减类似（比较图 9a 与图 6a）。在DUT和巴伦之间引入衰减，有效改善了负载回波损耗，衰减值提高了一倍。

尽管差分时钟输出缓冲器设计用于驱动 50 Ω 负载，但它通常不具有 50 Ω 输出阻抗。当将设备连接到以 50 Ω 端接的测试设备时，这不是问题，但当组件与非理想负载一起使用时，这就会成为问题。虽然为了定期测量相位噪声而串联端接器件可能不切实际，但可以通过选择具有较高回波损耗（较低 VSWR）值的组件来最大限度地减少反射。此外，通过使用尽可能短的电缆（在 DUT 和巴伦之间以防止谐振）可以减少反射或不良隔离造成的驻波影响。

结论

由于巴伦隔离不良以及具有非理想负载的组件的反射，反向泄漏信号可能会从巴伦传输到设备。由于器件的输出阻抗本身与传输线不匹配，因此该反向信号再次在器件输出缓冲器处反射，并在器件和巴伦之间来回传播。这会产生驻波，驻波可能会产生共振并可能影响设备运行。如果器件的输出缓冲器与内部 VCO、振荡器和/或其他组件之间的隔离度较差，则器件生成的相位噪声也可能会发生变化。

给定巴伦对测量特定设备的相位噪声的影响很难预测。巴伦损伤可能很少或经常观察到，具体取决于许多复杂的因素。这些损伤可能导致相位噪声数据看起来比实际系统观察到的更好或更差。以下是尽量减少测量伪影的建议的优先级列表：

1. 选择巴伦主要是为了实现高隔离度（平衡端口到平衡端口）和高回波损耗。巴伦还应具有高共模抑制以及良好的幅度和相位平衡。在其他条件相同的情况下，选择插入损耗低的巴伦。
2. 在设备和巴伦之间使用相位匹配的短电缆。
3. 与具有较大衰减的测量相比，在设备和巴伦之间使用最小量的外部衰减，以使测量的相位噪声数据保持不变。
4. 如果巴伦的端口直流短路接地，请将直流块放置在巴伦的差分端口处。

从相位噪声测量的角度来看，巴伦可分为通用产品和高性能产品。通用巴伦通常具有 ±1 dB 幅度平衡、±10° 相位平衡、6 dB 隔离度、10 dB 回波损耗和 20 dB CMRR — 或更差。高性能巴伦通常具有 ±0.5 dB 幅度平衡、±5° 相位平衡、15 dB 隔离度、15 dB 回波损耗和 25 dB CMRR — 或更好。虽然一些高性能巴伦包含隔离功能，但术语“180° 混合合路器/分配器”通常用于描述具有高隔离度的巴伦。无论使用什么术语，用于测量相位噪声的巴伦都应以上述高性能规格为目标，尤其是隔离度和回波损耗。相位噪声测量也将受益于低插入损耗巴伦，根据架构的不同，插入损耗可在 3.5 至 6.5 dB 之间变化。