La medición del ruido de fase residual extrae el ruido del objeto de prueba de las fuentes de ruido externas

Ruido de fase residual la medición anula el efecto de las fuentes de ruido externas, como las fuentes de alimentación o los relojes de entrada, a diferencia de ruido de fase absoluto una configuración de ruido de fase residual aísla y mide el ruido de fase aditivo de un dispositivo. Una configuración de ruido de fase residual aísla y mide el ruido de fase aditivo de un dispositivo. Utilizando esta información, los diseñadores seleccionan los dispositivos individuales de la cadena de señal para cumplir los requisitos de ruido de fase del sistema completo. Este artículo incluye gráficos de ruido de fase de un dispositivo con reloj para destacar los atributos del patrón de ruido de fase residual. También muestra cómo se puede utilizar el ruido de fase aditivo de un dispositivo para identificar el origen de los problemas relacionados con el ruido en la cadena de señales.

La figura 1 muestra la configuración utilizada para medir el ruido de fase aditivo del dispositivo bajo prueba (DUT). Ten en cuenta que se utilizan dos DUTs; cada uno está conectado a una fuente de alimentación y a un reloj de entrada comunes. El ruido de fase debido a estas fuentes de ruido comunes se correlaciona con cada salida del DUT. El ruido de fase de salida se puede obtener simplemente modelando el detector de fase como un multiplicador analógico con una ganancia KPD:

donde E1 es la señal de salida amplificada del DUT1, E2 es la señal de salida amplificada y retardada del DUT2, EC1 y EC2 son las potencias de las señales, θM1 y θM2 son las magnitudes del ruido de fase, ωC es la frecuencia de la portadora, y ωM es la frecuencia de desplazamiento. Se aplica la superposición, de modo que el ruido de fase intrínseco a los DUTs puede despreciarse al considerar el ruido de fase procedente de fuentes externas. Si el DUT1 y el DUT2 tienen funciones de transferencia de exceso de fase idénticas, la parte de θM1 debido a la fuente de reloj y a las fuentes de alimentación es igual a la parte de θM2 debido a la fuente de reloj y las fuentes de alimentación comunes. Este fenómeno, impulso de energíase describe simplemente con :

Ecuación 2

para que la magnitud de la modulación de fase venga dada por el producto del ruido de tensión en la alimentación y KP, la ganancia de refuerzo en radianes/V. Si el DUT1 y el DUT2 tienen ganancias de refuerzo equivalentes, estas fuentes de ruido se anulan teóricamente a la salida del detector de fase, dejando sólo el ruido no correlacionado de los dos DUT para su medición.

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El ruido intrínseco del DUT puede determinarse utilizando algunas hipótesis adicionales. Como el error de fase rms debido al ruido del dispositivo suele ser muy pequeño, podemos reescribir la expresión de la portadora de salida utilizando la aproximación de ángulo pequeño como sigue:

Ecuación 3

La salida del detector de fase ha sido demodulada, por lo que puede llamarse señal de banda base. El ruido de fase real puede calcularse una vez que se han determinado la ganancia del detector de fase y la potencia de la señal de entrada, suponiendo que la contribución del ruido de fase del amplificador es despreciable. El ruido intrínseco de cada DUT no está correlacionado, por lo que contribuyen por igual, y la suma efectiva es el ruido de fase de salida medido. Por ello, restamos 3 dB al ruido de fase medido por el analizador de espectro (en dBc/Hz) para determinar la contribución de cada DUT. Representa la potencia del ruido de fase en relación con la potencia de la señal:

Ecuación 4

En las mediciones de ruido de fase muy sensibles, la contribución de ruido del amplificador puede ser importante. El ruido de fase residual de los amplificadores se mide eliminando el DUT1 y el DUT2 del circuito y aplicando las salidas del divisor de potencia directamente a los amplificadores. La potencia de la señal de entrada del amplificador debe parecerse a la señal de salida real del DUT en términos de amplitud y velocidad de giro. Mediante el procedimiento descrito anteriormente, el ruido de fase medido del amplificador se resta del ruido de fase medido del DUT para obtener el ruido de fase exacto del DUT. De nuevo, es importante que la ganancia y el factor de ruido de los amplificadores sean lo más parecidos posible.

Ten en cuenta que un DUT que requiere un reloj tendrá un amplificador frontal que tiene cierta cantidad de ruido. Por esta razón, una fuente de reloj con una baja velocidad de giro podría aumentar involuntariamente la contribución del ruido de fase del DUT debido a la incertidumbre del umbral en la entrada del amplificador. Cuando utilices una fuente de reloj sinusoidal, maximiza la velocidad de giro utilizando la máxima amplitud permitida.

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Figura 1
Figura 1: Configuración de la medición del ruido de fase residual.

Detalles básicos del montaje de la prueba

Utilizando la configuración de la prueba de la Figura 1, dos DUTs con el mismo número de pieza fueron sincronizados por una única fuente de 1 GHz. Los dispositivos se ajustaron para dividir la frecuencia del reloj por cuatro para producir una salida de 250 MHz. Además, las dos señales de salida se desplazaron en fase relativa 90° (cuadratura) para minimizar el nivel de la señal convertida hacia abajo que aparece en CC. Las señales del DUT se amplificaron con un amplificador de bajo ruido (LNA) para aumentar el rango dinámico del sistema de medición (el ruido de fase aportado por los amplificadores es lo suficientemente bajo como para ser ignorado). Las salidas de los amplificadores se alimentaron a un mezclador equilibrado (detector de fase). El detector de fase mezcla las dos señales, produciendo en su salida los productos suma y diferencia. El producto de la suma se filtró con un filtro de paso bajo. El producto restante de la diferencia es la señal de salida de 250 MHz convertida a CC (ruido de fase). El LNA proporcionó una ganancia suficiente para superar la limitación del suelo de ruido del analizador de espectro.

Cancelación del ruido de fase de la fuente de reloj común

La figura 2 muestra la medición del ruido de fase absoluto de dos fuentes de reloj que tienen características de ruido de fase muy diferentes. En teoría, ninguna de las dos fuentes de reloj debería influir en el ruido de fase aditivo del DUT medido con una configuración de ruido de fase residual. La figura 3 confirma esta teoría. Se trazan dos mediciones de ruido de fase residual por separado, un trazo para cada fuente de reloj. Las dos trazas prácticamente se superponen, lo que demuestra que el ruido de la fuente de reloj común se anula con la configuración del ruido de fase residual. Este ruido no se anularía en una configuración de ruido de fase absoluto. De hecho, si los DUTs fueran ideales (sin ruido de fase aditivo), sus curvas de ruido de fase absoluto corresponderían a las curvas de la Figura 2 (pero 12 dB más bajas debido al desplazamiento de la frecuencia por un factor de cuatro). Normalizado a una portadora de 250 MHz, la fuente de reloj 2 tiene un ruido de fase de -92 dBc/Hz a 1 kHz de desplazamiento, mientras que el ruido de fase medido del DUT asociado a la fuente de reloj 2 es de -135 dBc/Hz a 1 kHz. Por tanto, la medición de la fase residual ha eliminado unos 40 dB del ruido de fase del reloj de entrada.

Figura 2
Figura 2: Medición del ruido de fase absoluto de dos fuentes de reloj diferentes.
Figura 3
Figura 3. La fuente de reloj no tiene prácticamente ningún impacto en la medición del ruido de fase residual.

Cancelación del ruido común de la fuente de alimentación

La figura 3 utiliza una conexión de alimentación común como la que se muestra en la figura 1. La figura 4 muestra el efecto de utilizar fuentes de alimentación ruidosas por separado para cada DUT. El ruido no correlacionado de la fuente de alimentación provoca un aumento sustancial del ruido cercano a la fase.

Figura 4
Figura 4. La medición del ruido de fase residual muestra el impacto de las fuentes de alimentación comunes y separadas.

La figura 5 muestra la medición del ruido de fase absoluto con una alimentación de bajo ruido. El ruido de fase absoluto con una fuente de alimentación de bajo ruido y el ruido de fase residual con fuentes de alimentación de bajo ruido separadas muestran una buena concordancia. El ruido de fase de la fuente de alimentación se anula en la medición del ruido de fase residual, pero no en la medición del ruido de fase absoluto.

Figura 5
Figura 5. Mejora del ruido de fase de proximidad con una fuente de alimentación de bajo ruido

La medición del ruido de fase residual es una valiosa técnica que sirve para identificar la contribución al ruido de fase de un solo componente en el diseño de un sistema. Con este enfoque, las fuentes de ruido externas, como el reloj de entrada y la fuente de alimentación, se correlacionan con cada salida del DUT y, por tanto, pueden anularse eficazmente. Además, la contribución del ruido de fase de los amortiguadores o amplificadores utilizados en la medición del ruido residual del DUT puede tenerse en cuenta realizando mediciones adicionales del ruido de fase residual en estos componentes. La combinación de mediciones de ruido de fase residual y absoluto es una forma eficaz de identificar la fuente de ruido dominante en el diseño de un sistema. Los datos de medición presentados, adquiridos en un divisor de frecuencia, demuestran el concepto y la utilidad de la medición del ruido de fase residual, cuantificando los efectos de un reloj de entrada y una fuente de alimentación ruidosos. A partir de esta evaluación, un diseñador de sistemas puede obtener especificaciones para la fuente de reloj de entrada y las fuentes de alimentación basadas en datos de medición reales.

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