如何為RF信號(hào)鏈相位噪聲性能選擇最佳電源解決方案

作者：Mitchell Sternberg,Erkan Acar,David Ng, andSydney Wells

當(dāng)今的射頻 （RF） 系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜。這種增加的復(fù)雜性要求在所有系統(tǒng)指標(biāo)（例如嚴(yán)格的鏈路和噪聲預(yù)算）中實(shí)現(xiàn)最佳性能。確保整個(gè)信號(hào)鏈的正確設(shè)計(jì)至關(guān)重要。該信號(hào)鏈中經(jīng)常被忽視的部分是直流電源。它在系統(tǒng)中起著重要作用，但它也可能引入不良影響。RF系統(tǒng)的一個(gè)重要測(cè)量是相位噪聲，根據(jù)電源解決方案的選擇，該指標(biāo)可能會(huì)降低。本文探討了電源設(shè)計(jì)對(duì)RF放大器相位噪聲的影響。根據(jù)我們收集的數(shù)據(jù)，我們得出結(jié)論，正確選擇功率模塊可以使相位噪聲改善多達(dá)10 dB，對(duì)于優(yōu)化RF信號(hào)鏈性能至關(guān)重要。

什么是相位噪聲？

相位噪聲是信號(hào)中存在的噪聲，當(dāng)信號(hào)到達(dá)系統(tǒng)的接收側(cè)時(shí)，來(lái)自意外的超前或滯后。正如幅度噪聲是信號(hào)標(biāo)稱(chēng)幅度的偏移或偏差一樣，相位噪聲是信號(hào)標(biāo)稱(chēng)相位的偏移或偏差。

理想振蕩器輸出正弦波，如公式1所示：

這個(gè)正弦波具有完美的周期性，V的傅里葉變換理想（t） 表示為輸出波形頻率處的增量函數(shù)。振蕩器輸出的更真實(shí)表示包括相位（和幅度）的隨機(jī)波動(dòng)，如公式2所示：

該波形包括一些隨機(jī)過(guò)程φ（t），該過(guò)程將信號(hào)的相位偏移一定量。這種相位偏移導(dǎo)致非理想時(shí)鐘輸出的傅里葉變換看起來(lái)更像圖1。

圖1.非理想正弦波的相位噪聲。

由于相位略有偏移，信號(hào)中現(xiàn)在存在多個(gè)頻率分量。因此，信號(hào)圍繞中心頻率分布。

相位噪聲的原因和貢獻(xiàn)

相位噪聲的一個(gè)重要且經(jīng)常被忽視的原因是信號(hào)鏈的直流電源解決方案。為信號(hào)鏈供電的電源軌上的任何噪聲或紋波都可以在內(nèi)部耦合。這可能導(dǎo)致相位噪聲增加，這可能會(huì)隱藏傳輸帶寬中的關(guān)鍵頻率分量，或者可能引起載波的雜散偏移。這些雜散可能特別難以處理，因?yàn)樗鼈兛拷d波，并且由于嚴(yán)格的過(guò)渡帶要求，會(huì)對(duì)濾波器構(gòu)成挑戰(zhàn)。

圖2.電源軌上的噪聲及其對(duì)RF載波信號(hào)的影響。

許多不同的因素都會(huì)產(chǎn)生相位噪聲。有三個(gè)主要來(lái)源，稱(chēng)為白地板、射擊和 1/f 或閃爍噪聲。白地板噪聲來(lái)自電流通過(guò)時(shí)自由電子的隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)。它類(lèi)似于散粒噪聲，后者來(lái)自電流的隨機(jī)性。與白色地板和鏡頭不同，閃爍噪聲隨頻率變化。由于半導(dǎo)體晶格結(jié)構(gòu)的缺陷，它本質(zhì)上也是隨機(jī)的。閃爍噪聲確實(shí)會(huì)隨著頻率而降低;因此，非常需要低1/f轉(zhuǎn)折頻率。典型的相位噪聲曲線(xiàn)由斜率為1/f的區(qū)域近似x，其中 x = 0 是本底白噪聲區(qū)域（斜率 = 0 dB/十倍頻程），x = 1 對(duì)應(yīng)于閃爍相位噪聲區(qū)域（斜率 = –20 dB/十倍頻程）。x = 2， 3， 4 的區(qū)域更接近載波頻率。

電源解決方案

圖3.RF信號(hào)鏈中的電源拓?fù)洹?/p>

確保RF信號(hào)鏈中的放大器正確偏置和供電可能是一個(gè)挑戰(zhàn)，特別是當(dāng)漏極電壓也用作輸出端口時(shí)。市場(chǎng)上有多種類(lèi)型的電源解決方案和拓?fù)洹Ｄ赡苄枰姆N電源解決方案取決于您的應(yīng)用和系統(tǒng)要求。在本實(shí)驗(yàn)中，使用低壓差（LDO）線(xiàn)性穩(wěn)壓器和降壓或降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器獲取數(shù)據(jù)，如圖3所示。降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器是大壓降的典型解決方案，具有高效率和較低的工作溫度。開(kāi)關(guān)電源可以將更高的電壓（如 12 V）降至更常見(jiàn)的芯片級(jí)電壓（如 3.3 V 和 1.8 V）。但是，它們會(huì)在輸出電壓上引入嚴(yán)重的開(kāi)關(guān)噪聲或紋波，從而導(dǎo)致性能大幅下降。LDO穩(wěn)壓器也可以降壓這些電壓，并且噪聲更低;然而，它們的功耗主要表現(xiàn)為熱量。當(dāng)輸入和輸出電壓之間的差異較小，但結(jié)溫到環(huán)境熱阻θ賈，在 30°C/W 以上，來(lái)自 FPGA 和 ASIC 的高電流會(huì)迅速降低 LDO 穩(wěn)壓器的性能。

測(cè)試設(shè)置

該實(shí)驗(yàn)利用了三種不同的ADI公司電源產(chǎn)品：LTM8063、LTM4626和LT3045。表1總結(jié)了所用電源解決方案的一些數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)格。

輸入信號(hào)掃過(guò)100 MHz、200 MHz、500 MHz和1 GHz至10 GHz的頻率范圍。 分析相位噪聲的頻率偏移為10 Hz至30 MHz。測(cè)試設(shè)置如圖4所示。輸入RF信號(hào)由羅德與施瓦茨FSWP50相位噪聲分析儀在內(nèi)部產(chǎn)生。該振蕩器具有出色的性能，之所以使用，是因?yàn)殡娫匆鸬娜魏胃郊酉辔辉肼暬蛘{(diào)制雜散都會(huì)清晰顯示出來(lái)。

圖4.實(shí)驗(yàn)中使用的測(cè)試設(shè)置的簡(jiǎn)化框圖。

ADI公司的兩個(gè)放大器產(chǎn)品用于表示RF信號(hào)鏈中的一個(gè)模塊。

結(jié)果

圖 5 比較了采用 LTM8063 和臺(tái)式電源供電時(shí) PA 的相位噪聲響應(yīng)。觀察到PA在超過(guò)1/f頻率時(shí)的性能略低。PA消耗的電源電流要大得多，導(dǎo)致觀察到的相位噪聲增加約2 dB至4 dB。

圖5.（a） HMC8411 和 ADPA9002 在 2 GHz 下的性能，以及 （b） 由工作臺(tái)和 LTM8063 在兩個(gè)不同輸入頻率下供電的ADPA9002的相位噪聲響應(yīng)。

圖6顯示了輸入頻率為2 GHz和8 GHz時(shí)的HMC8411相位噪聲響應(yīng)。響應(yīng)與公式3所示的常見(jiàn)相位噪聲/頻率關(guān)系緊隨其后：

圖6.HMC8411與LTM8063的相位噪聲響應(yīng)，顯示相位噪聲/頻率關(guān)系。

這種關(guān)系表明，輸入頻率每增加一倍，相位噪聲就會(huì)增加約6 dB。這可以從頻率增加 4× 可以看出，導(dǎo)致從 10 Hz 到 100 Hz 的頻率偏移增加約 12 dB。

圖7顯示了由LTM8063供電的HMC8411與100 MHz和10 GHz臺(tái)式電源的相位噪聲響應(yīng)。 基準(zhǔn)電源相位噪聲響應(yīng)被用作判斷某些電源解決方案性能的基準(zhǔn)。與臺(tái)式電源相比，LTM8063在各種頻率范圍內(nèi)具有出色的性能，寬帶本底噪聲僅增加約2 dB。

圖7.由工作臺(tái)供電的HMC8411和LTM8063在兩個(gè)不同輸入頻率下的相位噪聲響應(yīng)。

通常，高電流模塊（如 LTM4626）將用作主電源，以便可以根據(jù)每個(gè)電路模塊的要求對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行降壓。在圖 8 中，我們看到 LTM8063 表現(xiàn)出與 LTM4626 級(jí)聯(lián) LT3045 超低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器相似的相位噪聲性能。如果 LTM8063 提供的電壓和電流輸出能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，則此電源解決方案可以節(jié)省大量成本和電路板空間。

圖8.采用各種電源解決方案的HMC8411相位噪聲響應(yīng)。fc= 5 千兆赫。

圖9a顯示，開(kāi)關(guān)電源在不同的頻段中可能表現(xiàn)出明顯不同的行為。LTM8063 和 LTM4626 對(duì)低于 5 kHz 的功率 LNA 相位噪聲的影響同樣可以忽略不計(jì)，但高于此頻率時(shí)差異很大。LTM4626 專(zhuān)為為高端數(shù)字產(chǎn)品供電而設(shè)計(jì)和優(yōu)化。這些器件通常需要高效率和快速瞬態(tài)響應(yīng)，因此其電源可能具有極低的無(wú)源阻抗、快速開(kāi)關(guān)邊沿速率以及高控制環(huán)路增益和帶寬等特性。這些特性會(huì)在輸出電壓中產(chǎn)生幾毫伏的擾動(dòng)。雖然這些擾動(dòng)在數(shù)字系統(tǒng)中無(wú)關(guān)緊要，但會(huì)降低信號(hào)鏈產(chǎn)品的性能。盡管如此，使用LTM4626的輸出頻譜在SFDR為102.7 dB時(shí)沒(méi)有明顯的雜散，如圖9b所示。然而，LTM8063 專(zhuān)為低噪聲 （EMI 和輸出） 而設(shè)計(jì)，從而優(yōu)化了其在信號(hào)鏈應(yīng)用中的性能。它具有非常好的低頻穩(wěn)定性、小的輸出擾動(dòng)以及開(kāi)關(guān)基波及其諧波處的噪聲小得多。

圖9.（a） HMC8411在5 GHz時(shí)由不同開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器供電時(shí)的相位噪聲響應(yīng)，以及（b）由LTM4626供電的HMC8411頻譜顯示無(wú)雜散。

結(jié)論

在執(zhí)行信號(hào)鏈分析時(shí)，考慮所有噪聲源非常重要。一個(gè)經(jīng)常被忽視的來(lái)源是直流電源解決方案，它可能會(huì)耦合并嚴(yán)重降低信號(hào)鏈的性能。我們的結(jié)果表明，正確選擇功率模塊至關(guān)重要，并且可以在10 kHz偏移時(shí)將相位噪聲改善多達(dá)10 dB。對(duì)于此應(yīng)用，LTM8063 返回了最佳結(jié)果。雖然與 LT3045 級(jí)聯(lián)的 LTM4626 提供了相當(dāng)?shù)南辔辉肼曅阅?，但了解要選擇的正確電源解決方案對(duì)于優(yōu)化您的 RF 信號(hào)鏈非常重要。

審核編輯：郭婷