相位噪声对于电子战和5G 通信等需要精确频率稳定性的系统至关重要。振荡器通常是信号链相位噪声性能的决定性因素。然而，在极低相位噪声系统中，会考虑放大器相位噪声贡献。本技术说明探讨了放大器的相位噪声贡献，展示了：
放大器仅对信号链贡献 1/f 和白 PM 噪声。
1/f 噪声在大约 1-100 kHz 的偏移频率下很明显。
放大器 1/f 噪声串联线性增加，并联线性减少。
振荡器高阶相位噪声在 <1 kHz 偏移频率下占主导地位。
相位噪声区域
典型的相位噪声测量分为多个区域，每个区域归因于不同的物理现象。图 1 确定了相位噪声区域及其相应机制，并显示了典型的振荡器和放大器相位噪声趋势。高阶（1/f4、1/f3 和 1/f2）相位噪声是由振荡器的腔效应引起的，而不是由放大器产生的。
图 1：典型的振荡器和放大器相位噪声趋势与偏移频率的关系。用相应的物理机制标记的相位噪声区域。
在Rodolphe Boudot 和 Enrico Rubiola 撰写的RF 和微波放大器中的相位噪声一文中，放大器显示了遵循 1/f 噪声趋势和白 PM 噪声本底的相位噪声频谱。放大器的白色 PM 本底噪声 b o受以下因素控制：
其中 F 是大信号放大器噪声系数，k 是玻尔兹曼常数，T o是器件温度，P o是放大器输入功率。一系列级联放大器的白噪声贡献可以通过弗里斯公式计算得出。
Boudot 和 Rubiola 还证明，放大器通过对晶体管的固有 1/f 噪声进行上变频，将 1/f 噪声贡献给系统的相位噪声。级联放大器 1/f 相位噪声随着添加到链中的每个额外放大器线性增加。因此，串联放大器每增加一倍，1/f 相位噪声贡献将增加+3 dB。并行放大器表现出相位噪声的线性降低。类似地，并行放大器每增加一倍，对应的降低 -3 dB。
测量设置
进行绝对和残余相位噪声测量以证明放大器相位噪声对低相位噪声系统的贡献。绝对测量显示了信号链的总相位噪声，而残余测量则是对放大器相位噪声贡献的测量。残余测量使用两个内部混频器将振荡器的相位噪声与测量结果进行交叉相关。下面的图 2 和图 3 分别显示了四种绝对测量和残差测量设置。在所有情况下都使用衰减器来控制每个放大器的输入功率。控制每个放大器中的压缩电平对测量至关重要，因为压缩时的噪声系数特性会改变，因此相位噪声性能也会改变。
图 2：单独的振荡器（左上）、振荡器 + 放大器（右上）、振荡器 + 2 个串联放大器（中间）和振荡器 + 2 个并联放大器（底部）。
图 3：放大器残余相位噪声测量设置。
相位噪声测量
图 3：绝对相位噪声测量：单独的振荡器（蓝色）、振荡器 + 单放大器（红色）、振荡器 + 2 个串联放大器（黑色）、振荡器 + 2 个并联放大器（黄色）。放大器残余相位噪声测量（绿色）。
图 3 验证了 Boudot 和 Rubiola 的结果。低频高阶相位噪声区域（<1 kHz 偏移）由振荡器相位噪声支配，并且不存在于放大器残余测量中。与该区域中振荡器的绝对相位噪声相比，放大器的残余相位噪声为 ?50 dB – ?10 dB。因此，在单个、串联和并联放大器的情况下，低于 1 kHz 偏移的测量相位噪声与振荡器相位噪声无法区分。这支持了放大器不会向该系统添加任何高阶相位噪声的说法。
当放大器被添加到振荡器链时，在大约 1 kHz – 100 kHz 的偏移频率处显示出明显的相位噪声增加。该区域中的相位噪声在所有情况下都表现出近似 ?10 dB/十倍频程的斜率，即 1/f 噪声特征。放大器的 1/f 贡献开始将相位噪声添加到 ~1 kHz – 5 kHz 偏移频率的绝对测量中，其中放大器的残余相位噪声幅度在振荡器相位噪声的 ~5 dB 以内。然后，随着放大器残余相位噪声的幅度变得大于振荡器相位噪声 (~5 kHz – 100 kHz)，放大器在绝对测量中占主导地位。
在单个、串联和并联放大器情况下分析了 10 kHz 偏移处的相位噪声值。振荡器相位噪声在每种情况下都被线性减去，以从相应的放大器链中提取贡献。下面的表 1 显示了 10 kHz 偏移处的相位噪声以及一个放大器和两个串联/并联放大器之间的相应差异。预计从单个放大器到两个串联放大器的相位噪声会增加 2.9 dB。单机和并行机之间测得的 2.0 dB 降低也在合理范围内。3 dB 的降低只是理论上的，因为它假设无损功率分配器和相同的输入功率、增益和噪声系数。因此，在实践中预计会降低接近 2?2.5 dB。
表 1：针对振荡器本底噪声调整的单放大器和级联放大器相位噪声，并在 10 kHz 偏移频率下相应增加。
测量单 ADM12 个 ADM1 串联2 个 ADM1 并联
| 测量 | 单 ADM1 | 2 个 ADM1 串联 | 2 个 ADM1 并联 |
| 10 kHz 偏移时的绝对相位噪声，针对振荡器相位噪声 (dBc/Hz) 进行调整 | -153.2 | -150.3 | -155.2 |
| 来自单放大器案例的 Delta | —— | +2.9 分贝 | ‑2.0 分贝 |
放大器的白 PM 噪声本底贡献不如 1/f 噪声贡献重要，因为它比振荡器的本底噪声低约 5 dB。然而，在比较单个放大器和级联放大器情况时，500 kHz ? 1 MHz 偏移频率下 0.7 dB 的中值增加表明远距离白 PM 噪声本底增加。支持放大器对振荡器相位噪声响应贡献白PM噪声的说法。
关键要点
这些测量结果向读者证实，放大器对系统相位噪声产生 1/f 噪声和远白噪声，而没有其他高阶噪声机制。放大器的 1/f 噪声串联线性增加，并联线性降低。因此，对于链中的m 个放大器，串联 1/f 相位噪声增加+3log 2 (m) dB，并联 1/f 相位噪声减少-3log 2 (m) dB. 根据弗里斯公式添加白噪声。还值得一提的是，该测量集是使用极低相位噪声振荡器完成的，实际上，放大器必须使用极低相位噪声振荡器才能对系统的相位噪声性能产生任何影响。
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