巴伦（平衡-不平衡转换器）通常被用于测量差分时钟和计时器的相位噪声。虽然看似简单易用，但是巴伦在测量中的作用相当复杂，不知不觉地会给测量结果引入器件误差。本文介绍了这些器件误差，讨论了其产生的原因和消除误差的方法。并给出了精确测量相位噪声时所用巴伦的选型建议。

差分时钟信号在数据通信、无线、仪器和医疗等领域被广泛应用。差分信号使用双导体传输线，理论上每条导线上信号幅度相等但是相位相反，如LVPECL、LVDS和CML。和单端信号相比，导线上的差分信号电压波幅更小，故可工作在更高频率。在供电电源条件相同时，差分信号的电压波幅可以比单端信号更大，从而提高了差分信号的信噪比。

差分信号可以抑制共模噪声，因此在嘈杂噪声环境中表现更好。此外，差分信号计时更加精确，是因为和单端信号相比，差分信号的交叉位置更容易控制（取决于电压超过某绝对参考电平）[1]。

相位噪声量化了信号的短期相位波动[2]，无疑是重要计时应用中评估时钟和计时器件的最重要参数。相位噪声（和幅度噪声）可以使用频谱分析仪或者专用的相位噪声分析仪测量，但仪器只能进行单端测量。将器件的差分信号转为单端信号，需要有源探头，差分到单端放大器或者是无源巴伦。因为巴伦在测量中不引入放大噪声，适合于低噪声情况下的测量。宽带巴伦因为可以覆盖较宽的频率范围而备受喜爱。

本文探讨了如何使用巴伦测量差分时钟信号的相位噪声。首先讨论了巴伦在测量中可能引入的器件误差。给出的测量范例数据只为说明原理，并不代表典型情况或者最坏情况。实际上，巴伦对相位噪声数据有无影响、影响多少都是很难预测的。本文分析了多种影响测量的因素，例如巴伦的选型、待测器件类型、连接待测器件和巴伦的线缆和元器件等。介绍了判断巴伦是否影响相位噪声测量的试验方法。最后，给出了如何选择巴伦，并如何用它进行准确的相位噪声测量的建议。据笔者所知，本文是公开发表的第一篇关于巴伦如何测量相位噪声的文章。

巴伦入门

图1说明了巴伦在将平衡阻抗（即差分信号）转换为不平衡阻抗（即单端信号）时的作用。巴伦本身很容易使用，只需要三个连接（两个输入和一个输出）且无需供电。巴伦作为互易器件，两端都可以作为输入端。将单端信号转换成差分信号的巴伦叫分路器。当反过来使用时，被称为合路器。在正常模式下，理论上差分端口J2和J3输出等幅反相信号，不平衡端口J1通常和传输线进行阻抗匹配，一般为50欧姆。

巴伦的性能可以用几个关键指标表示[3]。幅度平衡性（单位dB）是不平衡端口到一个平衡端口的差分插入损耗和不平衡端口到另一个平衡端口的差分插入损耗之间的差值。相位平衡性（单位度）是差分端口之间差分相移的差值。插入损耗（单位dB）是——刨除信号分路导致的额定损失之外的——在信号通路上增加巴伦引起的额外信号功率损失。隔离度（单位dB）是信号从一个差分端口进入（如J2），从另一个差分端口流出（J3）时，两端口之间信号功率的比值。回波损耗（单位dB）或电压驻波比（VSWR）代表了巴伦与负载阻抗和源阻抗之间匹配的程度，一般为50欧姆。

最后，共模抑制比（CMRR）（单位dB）是共模增益对差模增益之比，反映了巴伦对于从平衡端口向不平衡端口传输的共模信号的衰减能力。基于矢量对消方法，可以根据幅度和相位平衡性计算出CMRR。

测量设置

如图2中a到d所示四种基本测量设置，使用高速实时示波器分析时钟信号的信号完整性，使用信号源分析仪测量其相位噪声[4]。虽然本研究分析了很多制造商的时钟器件，本文只列举两种待测器件（DUT）的结果以便说明关键发现。两种待测器件都是市售5mm*7mm表贴晶振（XO）。第一个待测器件是基于模拟乘法器的156.25MHz LVPECL XO。第二个待测器件是输出频率可根据内部锁相环（PPL）调节的LVDS XO，其输出频率为78.125MHz或312.5MHz。两种待测器件的端口用于驱动50欧姆测量设备，如图2中e和f所示。除非另作说明，图2测量设置中使用0.1μF AC耦合电容和0欧姆串联终端电阻。

部分测量设置使用的巴伦连接或不连接同轴固定衰减器（即衰减器）。虽然研究了多个供应商的巴伦，为了说明关键发现，在此只举出2个宽带巴伦。两个巴伦都来自Marki Microwave公司测试和测量产品线[5]，即BAL0006 (200kHz到6GHz)和BAL0036 (300kHz到36GHz)。

选择这两个巴伦是因为两者的隔离度不同。BAL0006在待测器件工作频点上有6dB的隔离度，而BAL0036隔离度提高至10dB，且在较高频率隔离度提高更多。为清晰起见，本文简称BAL0036为有隔离巴伦，BAL0006为无（额外）隔离巴伦。

由于相位噪声分析仪输入端口只能接收交流信号，待测器件和此设备之间必须要加直流隔离器。一般来说，在巴伦的两端都可以加直流隔离器。然而如果巴伦的端口对地直流短路（参考其数据手册），当巴伦被用作合路器时，在巴伦的输入端口必须设置直流隔离器。因此，最好养成将直流隔离器加在巴伦的输入端（即差分端口）的习惯，如图2所示。

信号完整性

示波器通常有不止一个输入端口，所以测量时不需要巴伦。尽管如此，从时域观测巴伦的输出可以增加了解其工作原理。图3为两个不同的晶振和两种不同巴伦产生的波形。图3左侧是LVPECL 156.25MHz晶振波形，右侧是LVDS 312.5MHz晶振波形。底部是有隔离巴伦的情况，顶部是无（额外）隔离巴伦的情况。无隔离巴伦产生的波形噪声更大，其外部衰减器则会降低噪声。每张图都包含一条使用两通道示波器测量的不带巴伦的曲线以供参考（图2a），将两个通道的信号相减，从而得到差分信号。

LVPECL（左）和312.5MHz LVDS（右）晶体振荡器波形。

巴伦的插入损耗显然是有巴伦情况下信号峰值小于无巴伦情况下参考波形的原因。不带隔离的巴伦降低了LVPECL和LVDS波形的信号完整性。逻辑电平波形的不平坦表明了巴伦差分端口影响待测器件导致信号失真。相比之下，带隔离的巴伦输出明显更干净的波形。在巴伦的差分端口增加外部衰减器（图2b），信号波形的完整性随衰减增加而改善。在本例中，不带隔离的巴伦输入端口需要9dB的外部衰减，以恢复“无巴伦”时的波形（即归一化每条曲线，使峰值相互重叠）。

有趣的是，图4表明巴伦作为分路器比其作为合路器输出的波形更干净。图4中的信号根据图2中a和c所示设置测得，使用不带隔离巴伦、LVPECL晶振、且没有外部衰减。

以上信号完整性降低的原因，可以大部分归因于巴伦隔离度不够。图5a说明了没有隔离的巴伦在其差分端口之间的信号泄露非常可观。来自一个差分端口的泄露信号干扰了另一个差分端口前向传输信号。取决于驱动器的架构，在待测器件输出驱动器处也会出现信号泄露并会影响其正常工作。

图3中带隔离巴伦的波形信号完整性较好，是因为巴伦内部的额外隔离衰减了此泄露电流（图5b）。给不带隔离的巴伦增加外部衰减器，如图5c，并不能防止差分端口之间的信号泄露，但是和没有外部衰减器的情况相比，泄露的信号的确被衰减了。此外，外部衰减器减少了待测器件输出驱动器端出现的信号泄露。当此泄露信号从一个输出驱动器通过巴伦传导到另一个输出驱动器的过程中其实被衰减了两次（每个衰减器衰减一次）。比较图3中无隔离巴伦曲线中‘巴伦’和‘巴伦+9dB衰减’两组曲线，两者之间非常相似（在将两者最大值归一化之后），在待测器件输出驱动器电路端出现的信号泄露现象，是巴伦输出信号噪声的主要来源。

最后，如图4和图5d所示，巴伦作为分路器比作为合路器时波形更干净，因为待测器件输出驱动器并没有获得来自巴伦的泄露信号。