La misura del rumore di Fase con i Balun.

I clock differenziali e i dispositivi di temporizzazione vengono comunemente caratterizzati per il rumore di fase mediante i balun. Mentre sembrerebbe semplice utilizzarli, la funzione del balun è un processo abbastanza complicato che può inconsapevolmente introdurre artefatti nei risultati misurati.

Introduzione

Questo articolo descrive tali artefatti, discute perché appaiono e come eliminarli. Vengono fornite raccomandazioni per la selezione di un balun ed il suo utilizzo per caratterizzare con precisione i dispositivi relativamente al rumore di fase. I segnali dei clock differenziali sono largamente utilizzati in un vasto range di applicazioni estendendosi nelle comunicazioni dati, wireless, strumentazione e medicina. I segnali differenziali utilizzano una coppia di conduttori, teoricamente, ognuno porta un segnale della stessa ampiezza ma in opposizione di fase. Esempi includono LVPECL, LVDS e CML. Rispetto ai segnali single-ended, i segnali differenziali hanno escursioni  di tensione inferiori su ciascun conduttore che consente loro di funzionare a frequenze più alte. Una composita (differenziale) escursione, tuttavia, può essere più grande di un’escursione single-ended con la stessa alimentazione, che incrementa il suo rapporto segnale-rumore. I segnali differenziali si prestano anche meglio negli ambienti rumorosi per la reiezione di modo comune del rumore. Inoltre, essi forniscono una più precisa temporizzazione, poiché la crossover location di un segnale differenziale è più facile da controllare rispetto ad un segnale single-ended (il quale dipende dal livello assoluto di tensione). Il rumore di fase quantifica le fluttuazioni di fase di breve termine in un segnale ed è intuitivo che è il più importante parametro per la valutazione di clock e dispositivi di temporizzazione utilizzati nelle applicazioni critiche di temporizzazione.

Il rumore di fase (insieme all’ampiezza di rumore) può essere misurato utilizzando un analizzatore di spettro oppure un analizzatore di rumore di fase dedicato. Questi strumenti, tuttavia, analizzano solo segnali single-ended. Per convertire un segnale differenziale di un dispositivo in un segnale single-ended, viene richiesto un probe attivo, un amplificatore segnale differenziale- single-ended oppure un balun passivo.

Per misure di basso rumore, sono preferiti i balun, poiché essi non aggiungono rumore amplificato alla misura. I balun a larga banda sono particolarmente interessanti poiché un singolo dispositivo può supportare misure oltre un largo range di frequenze.

Il Balun

La figura 1 illustra il ruolo di un balun nella conversione di un’impedenza bilanciata (o segnale differenziale) ad una impedenza sbilanciata (o segnale single-ended). Il balun stesso è abbastanza facile da usare, richiedendo solo tre connessioni (due ingressi e un’uscita) e nessuna alimentazione. Essendo un dispositivo reciproco, un balun può essere pilotato in entrambe le direzioni. Un balun che converte un segnale da single-ended a differenziale è chiamato splitter (divisore). Quando viene invertito, è chiamato combiner (sommatore). Nel normale funzionamento, le porte differenziali J2 e J3 teoricamente forniscono uguali ed opposti segnali. La porta sbilanciata J1 è adattata all’impedenza della linea di trasmissione, tipicamente di 50 ohm. La prestazione di un balun può essere sintetizzata con alcune chiavi metriche.

 

Figura 1: flusso del segnale nel Balun e caratteristiche di funzionamento.

 

Il bilanciamento di ampiezza (in db) è la perdita di inserzione differenziale dalla porta sbilanciata ad una porta differenziale rispetto all’altra. Il bilanciamento di fase (in gradi) è lo slittamento di fase differenziale delle porte differenziali. La perdita di inserzione (in db) è la perdita aggiuntiva di potenza del segnale oltre alla perdita nominale causata dalla suddivisione del segnale-introdotta dall’inserimento del balun nel percorso del segnale. L’isolamento (in db) è il rapporto fra la potenza del segnale entrante in una porta differenziale (ad esempio, J2) e quella che appare in un’altra porta differenziale (ad esempio, J3). Il return loss o rapporto di onde stazionarie (VSWR) rappresenta quanto il dispositivo è adattato ad uno specifico carico e all’impedenza della sorgente, tipicamente 50 ohm. Infine, il rapporto di reiezione di modo comune (CMRR) (in dB) è il rapporto dei guadagni modo comune-modo differenziale, e riflette quanto si attenuano i segnali di modo comune passando da porte bilanciate a sbilanciate. Il CMMR può essere calcolato dall’ampiezza e bilanciamento di fase, basandosi sulla cancellazione vettoriale.

Impostazione del test

I dati di test sono misurati utilizzando una delle 4 impostazioni base mostrate nelle figure 2a fino alla 2d.

Figura 2: Impostazioni della misura per l’oscilloscopio (a), il combinatore balun
(b), il divisore balun (c), e il rumore di fase single-ended (d), con la terminazione del DUT utilizzata per le uscite LVPECL (e) e LVDS (f).

I segnali di clock vengono analizzati per l’integrità del segnale utilizzando un oscilloscopio ad alta velocità real-time, mentre il rumore di fase viene misurato con l’analizzatore come sorgente di segnale. Mentre i dispositivi di clock sono stati analizzati per questo studio da molti produttori, due dispositivi sotto test (DUT) vengono presentati qui per illustrare le scoperte chiave. Entrambi (DUT) oscillatori al quarzo a montaggio superficiale 5 mm × 7 mm (XO) sono commercialmente disponibili. Il primo DUT è un LVPECL XO a 156, 25 MHz basato su moltiplicazione analogica.

Il secondo DUT è un LVDS XO la cui frequenza di uscita può essere variata modificando un divisore a retroazione PLL (phase-locked loop) per fornire 78, 125 MHz o 312, 5 MHz. La terminazione di ogni DUT mostrata in figura 2e e 2f, è appropriata per pilotare l’apparato di test a 50 ohm. Salvo diverse note, le impostazioni di figura 2 utilizzano condensatori di accoppiamento AC di 0,1 uF, e un resistore di 50 ohm in serie. Alcune impostazioni utilizzano balun connettorizzati con o senza attenuatori coassiali fissi. Mentre i balun sono stati analizzati per questo studio da alcuni produttori, due balun a larga banda sono qui presentati per illustrare le scoperte chiave.

Entrambi i balun provengono dalla linea di prodotti di test e misure Marki Microwave, ovvero i BAL0006 (da 200 kHz a 6 GHz) e BAL0036 (da 300kHz a 36 GHz). Essi sono stati selezionati per i loro diversi livelli di isolamento. Per le frequenze analizzate del DUT, BAL0006 ha un isolamento standard di 6 db; BAL0036 ha un migliorato isolamento di 10 db, molto di più a frequenze più alte. Per chiarezza questo articolo si riferisce, rispettivamente, ai BAL0036 e BAL0006 come balun “con” e “senza” (aggiuntivo) isolamento. Poiché la porta RF di ingresso di un analizzatore di rumore di fase può accettare solo segnali AC, deve essere inserito un blocco DC da qualche parte nel percorso del segnale tra il DUT e lo strumento. In generale, [...]

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Una risposta

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio Di Paolo Emilio 18 maggio 2017

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