谈一谈时钟相位噪声测量里的杂散（二）

这期我们接着上期内容谈一谈时钟相位噪声测量里面的杂散（一），继续聊聊时钟相位噪声测量里的杂散问题。

大家应该还记得，杂散就是时钟相位噪声曲线图里那些独立的单频信号。这类信号一般数量少、幅度低，但终归是无用干扰，会增大时钟整体抖动。

不过杂散也能派上用场，可用来检测和标定各类时序器件。我们能用信号源设置小幅调制信号，直接或间接把杂散信号当作激励，输入到时序芯片或是整套系统里，再用频谱仪、相位噪声仪测出输出时钟端产生的杂散情况。

一、调制方式选择：不同方式产生的杂散效果不一样

市面上主流实验用信号源，基本都自带三种模拟调制模式，分别是调幅AM、调频FM、调相PM，在做杂散相关测试时各有各的用处。

先看几组频谱仪截图，载波频率设定为标准100MHz，载波两侧频偏100KHz的位置，都出现了一对对称杂散，这些杂散信号幅度都比载波低60dB左右。

大家能分清哪张截图对应调幅、调频还是调相吗？其实根本分不出来，没有额外信息根本判断不了。这个例子里几张图只是按英文首字母顺序排的而已。

为啥这么难区分？主要有三点原因：

1. 频谱仪只测信号频谱的幅度，测不出相位，说白了就跟电压表一样，只能看大小看不到相位关系，详情可以参考是德科技的频谱分析基础应用手册。

下载地址：

https://www.keysight.com/us/en/assets/7018-06714/application-notes/5952-0292.pdf

2. 调频和调相都属于角度调制，信号表现形式基本一致，区别只在于调制信号不一样，调频信号能转成调相信号，反过来也一样。

3. 当调制系数很小的时候，调幅、调频、调相产生的边带信号幅度几乎看不出差别。

总体来说，调幅、调频、调相这几种方式里，单边带杂散相对载波的比值计算公式为：

20log10(调制指数÷2)

举个例子：峰峰值频偏200Hz，调制频率100KHz，算出单边带杂散电平：

杂散电平=20log10(200/200000)=-60dBc

本文前面用到的调频杂散，就是按这个方式生成的。

接下来讲讲实际使用里，调频和调相的用法区别：

如果信号源支持调相功能，直接设定峰值调相量就行，后续切换调制频率、更改杂散频偏时，参数都不用改动。

要是信号源只支持调频，就得严格稳住调制指数，公式为：

调制指数β=最大频偏÷调制频率

这种情况下，改动调制频率时，必须同步调整最大频偏，才能保证调制指数始终不变。

那利用调制产生的杂散，能做哪些测试？

一般都是用频谱仪或者相位噪声仪，在频域里测量输出时钟的杂散指标。根据需要给系统施加不同激励，选用对应的调制方式。

下表整理了常用的典型测试项目，我先简单介绍各项测试，最后再重点细讲其中一项。

你会发现，抖动传输测试里，用调频（FM）或者调相（PM）都能给输入时钟加杂散。关键就是要盯好调制指数（调相或调频的那个系数）。现在的任意波形发生器（AWG）基本都支持调幅、调频、调相，高频射频/微波信号源至少也能支持调频。

下面给你细说表里这几项测试：

二、输入调幅-调相转换

设计良好的高增益时钟缓冲器，理论上会抑制调幅（AM），只传递相位（时序）误差。但没有哪个缓冲器是完美的，总会有一点调幅-调相转换，而且转换的机制和幅度，一般会随调制频率变化。

测试方法很直接：给输入时钟加调幅，然后看输出时钟里，有没有在调幅频率处产生杂散。做这类测试要注意几点：

- 把调制指数设小一点，这样实际起作用的只有单边带杂散。

- 在你关心的频率范围内，扫一遍调制频率。

- 频谱仪/相位噪声仪的输入端最好加限幅器，避免仪器自己的调幅-调相转换影响结果。

三、电源抑制（PSR）

PSR（电源抑制）和前面的测试类似，也是加调幅信号，但这次不是调制输入时钟，而是通过电源间接引入调幅，再按同样的方法测输出的杂散。这个测试也常叫PSRR（电源抑制比）或电源纹波测试。

除了前面调幅-调相测试的注意事项，这里还有几点要额外注意：

- 条件允许的话，尽量拆掉所有旁路电容。这样少一个变量，也更容易在电源轨上注入固定幅度的纹波（比如100mV峰峰值），而且不同器件对比时也更公平。

- 调幅信号要注入电源，又不能影响其他仪器或系统部件，一般用偏置器（Bias Tee）来做。

- 低电平杂散测量很看重一致性，对比不同器件时，尽量保持测试设置完全一样。

四、抖动传输

想快速测出时钟PLL芯片的传输曲线，有个很实用的方法：给输入时钟加小幅调相/调频杂散，然后让调制频率从远低于环路带宽，一直扫到远高于环路带宽。再用相位噪声仪开“最大保持（Max Hold）”模式，就能看到注入的杂散是怎么被衰减的。杂散幅度渐近线的交点，就能估算出环路带宽。

看相位噪声曲线也能大致判断，但用固定调制指数的输入时钟，能更精确地测出传输函数。下面两张截图，是给一款时钟芯片，输入一个带调相的25MHz时钟（相位偏差0.2°），输出100MHz时钟，用相位噪声仪开最大保持模式连续测量的。

第一张图里，DSPLL的带宽设为400Hz。图里标注的渐近线，交点正好就在400Hz左右，和预期一致。转折频率附近的滚降略高于30dB/十倍频。

再看第二张图，DSPLL的带宽设为4kHz。这次标注的渐近线交点大概在4.5kHz，比标称目标值略宽一点，拐角附近的滚降斜率大概是25dB/十倍频程。

启用相位噪声仪的“最大保持（Max Hold）”功能，能让我们快速做个粗略的手动测量。但如果想更精确地测出被测件（DUT）的环路带宽，就得更严谨地测量：用平均模式，多次测量并记录杂散幅度，再取统计结果来分析。

全文完