如何量化信號處理鏈中負載的電源噪聲靈敏度

作者：Pablo Perez, Jr. and Patrick Errgy Pasaquian

從 5G 到工業(yè)應用，收集、通信和存儲的數(shù)據(jù)量不斷增加，這擴大了模擬信號處理設(shè)備的性能極限，有些達到每秒千兆采樣。隨著創(chuàng)新的步伐永遠不會放緩，下一代電子解決方案將導致解決方案數(shù)量進一步縮小，提高電源效率，并對更好的噪聲性能提出更大的需求。

人們可能會認為，在各種電源域（模擬、數(shù)字、串行數(shù)字和數(shù)字輸入輸出（I/O））中產(chǎn)生的噪聲應該簡單地最小化或隔離，以實現(xiàn)最佳的動態(tài)性能，但追求噪聲的絕對最小值可能是對收益遞減的研究。設(shè)計人員如何知道一個或多個電源的噪聲性能何時足夠？一個好的開始是量化器件的靈敏度，以便電源頻譜輸出可以與域匹配。知識就是力量：它可以極大地幫助設(shè)計，即避免過度設(shè)計，從而節(jié)省設(shè)計時間。

本文概述了如何量化信號處理鏈中負載的電源噪聲靈敏度，以及如何計算最大可接受的電源噪聲。還討論了測量設(shè)置。最后，我們將介紹一些策略，以滿足電源域靈敏度和實際電源噪聲要求。本系列的后續(xù)文章將深入探討如何優(yōu)化ADC、DAC和RF收發(fā)器的配電網(wǎng)絡(luò)（PDN）。

了解和量化信號處理負載對電源噪聲的敏感性

電源優(yōu)化的第一步是研究模擬信號處理器件對電源噪聲的真實靈敏度。這包括了解電源噪聲對關(guān)鍵動態(tài)性能規(guī)格的影響，以及電源噪聲靈敏度的表征，即電源調(diào)制比（PSMR）和電源抑制比（PSRR）。

PSMR和PSRR具有良好的電源抑制特性，但僅靠它們不足以確定紋波應該有多低。本文演示如何使用PSMR和PSRR建立紋波容限閾值或最大允許電源噪聲。將此閾值與電源頻譜輸出相匹配是設(shè)計優(yōu)化電源系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)。如果電源噪聲低于其最大規(guī)格，優(yōu)化的電源不會降低每個模擬信號處理器件的動態(tài)性能。

電源噪聲對模擬信號處理器件的影響

應了解電源噪聲對信號處理設(shè)備的影響。這些影響可以通過三個測量參數(shù)來量化：

無雜散動態(tài)范圍 （SFDR）

信噪比 （SNR）

相位噪聲 （PN）

了解電源噪聲對這些參數(shù)的影響是優(yōu)化電源噪聲規(guī)格的第一步。

無雜散動態(tài)范圍 （SFDR）

電源噪聲可以耦合到任何模擬信號處理系統(tǒng)的載波信號中。電源噪聲的影響取決于其相對于頻域中載波信號的強度。一種度量是SFDR，它表示可以與大干擾信號區(qū)分開來的最小信號，具體而言，載波信號的幅度與最高雜散信號的幅度之比，無論它落在頻譜中的哪個位置，因此：

SFDR = 無雜散動態(tài)范圍 （dB）

載波信號=載波信號幅度（峰值或滿量程）的均方根值

雜散信號 = 頻譜中最高雜散幅度的均方根值

圖1.AD9208高速ADC的SFDR，使用（a）清潔電源和（b）噪聲電源。

SFDR可以相對于滿量程（dBFS）或載波信號（dBc）指定。電源紋波會耦合到載波信號中，從而產(chǎn)生不需要的雜散，從而降低SFDR。圖1比較了高速ADCAD9208采用干凈電源供電時與噪聲電源供電時的SFDR性能。在這種情況下，當1 MHz電源紋波在ADC的快速傅里葉變換（FFT）頻譜輸出中以調(diào)制雜散的形式出現(xiàn)在載波頻率旁邊時，電源噪聲會使SFDR降低約10 dB。

信噪比 （SNR）

SFDR取決于頻譜中的最高雜散，而SNR取決于頻譜內(nèi)的總噪聲。SNR限制了模擬信號處理系統(tǒng)查看低幅度信號的能力，理論上受到系統(tǒng)中轉(zhuǎn)換器分辨率的限制。SNR在數(shù)學上定義為載波信號電平與所有噪聲頻譜分量之和之比，但前五個諧波和直流除外，其中：

信噪比 = 信噪比 （dB）

載波信號 = 載波信號的均方根值（峰值或滿量程）

頻譜噪聲 = 除前五個諧波外的所有噪聲頻譜分量的均方根和

噪聲電源可以通過耦合載波信號并在輸出頻譜中添加噪聲頻譜分量來降低SNR。如圖2所示，當1 MHz電源紋波在FFT輸出頻譜中產(chǎn)生頻譜噪聲分量時，AD9208高速ADC的SNR從56.8 dBFS降至51.7 dBFS。

相位噪聲 （PN）

相位噪聲是衡量信號頻率穩(wěn)定性的指標。理想情況下，振蕩器應該能夠在特定的時間段內(nèi)產(chǎn)生一組特定的穩(wěn)定頻率。然而，在現(xiàn)實世界中，信號上總是存在小的、不需要的幅度和相位波動。這些相位波動或抖動可以在頻譜中信號的兩側(cè)擴散。

相位噪聲可以通過多種方式定義。在本文中，相位噪聲被定義為單邊帶（SSB）相位噪聲，這是一個常用的定義，它使用載波信號偏移頻率的功率密度與載波信號總功率的比值，其中：

SSB PN = 單邊帶相位噪聲 （dBc/Hz）

邊帶功率密度 = 載波信號偏移頻率下每 1 Hz 帶寬的噪聲功率 （W/Hz）

載波功率 = 總載波功率 （W）

圖2.AD9208高速ADC的SNR，使用（a）干凈電源和（b）噪聲電源。

圖3.（a） 兩種不同的電源，輸出噪聲成分存在顯著差異。（b） ADRV9009分別由這兩個電源供電時的相位噪聲性能。

在模擬信號處理器件中，通過時鐘電源電壓耦合到器件時鐘的電壓噪聲會產(chǎn)生相位噪聲，進而影響內(nèi)部本振（LO）的頻率穩(wěn)定性。這擴大了頻譜中LO頻率的范圍，增加了載波相應偏移頻率處的功率密度，從而增加了相位噪聲。

圖3顯示了ADRV9009收發(fā)器由兩個不同電源供電時的相位噪聲性能比較。圖3a顯示了兩個電源的噪聲頻譜，圖3b顯示了產(chǎn)生的相位噪聲。兩個電源均基于 LTM8063 μModule 穩(wěn)壓器，擴頻頻率調(diào)制 （SSFM） 接通。SSFM的優(yōu)點是，通過將基波分布到一定頻率范圍內(nèi)，它可以改善轉(zhuǎn)換器基波開關(guān)頻率及其諧波的噪聲性能。這可以從圖3a中看出——注意1 MHz處相對較寬的噪聲峰值及其諧波。代價是SSFM的三角波調(diào)制頻率產(chǎn)生低于100 kHz的噪聲，請注意峰值從2 kHz左右開始。?

備用電源增加了一個低通濾波器，以抑制1 MHz以上的噪聲，并增加了一個低壓差（LDO）后置穩(wěn)壓器ADP1764，以降低整體本底噪聲，特別是低于10 kHz（主要是SSFM引起的噪聲）。由于附加濾波，電源噪聲的整體改善導致相位噪聲性能增強，低于10 kHz失調(diào)頻率，如圖3b所示。

模擬信號處理器件的電源噪聲靈敏度

負載對電源紋波的靈敏度可以通過兩個參數(shù)來量化：

電源抑制比 （PSRR）

電源調(diào)制比

電源抑制比 （PSRR）

PSRR表示器件在一定頻率范圍內(nèi)衰減電源引腳噪聲的能力。通常，有兩種類型的PSRR：靜態(tài)（直流）PSRR和動態(tài)（交流）PSRR。直流PSRR用作衡量由直流電源電壓變化引起的輸出失調(diào)變化的指標。這是一個最小的問題，因為電源系統(tǒng)應為負載提供經(jīng)過良好調(diào)節(jié)的直流電壓。另一方面，AC PSRR表示設(shè)備在一定頻率范圍內(nèi)抑制直流電源中的交流信號的能力。

AC PSRR 是通過在器件的電源引腳上注入正弦波信號并觀察注入頻率下數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器/收發(fā)器輸出頻譜本底噪聲上出現(xiàn)的誤差雜散來確定的（圖 4）。AC PSRR定義為注入信號的測量幅度與輸出頻譜上誤差雜散的相應幅度之比，其中：

誤差雜散 = 由于注入紋波而在輸出頻譜中看到的雜散幅度

注入紋波 = 在輸入電源引腳耦合和測量的正弦波幅度

圖4.由于電源紋波，模擬信號處理設(shè)備的輸出頻譜會出現(xiàn)誤差。

圖5顯示了典型PSRR設(shè)置的框圖。以10 GSPS高速ADC9213為例，1 MHz、13.3 mV p-p正弦波在1.0 V模擬電源軌處有效耦合。相應的1 MHz數(shù)字化雜散出現(xiàn)在ADC的–108 dBFS FFT頻譜本底噪聲上方。1 MHz數(shù)字化雜散為–81 dBFS，對應于124.8 μV的峰峰值電壓，參考模擬輸入滿量程范圍1.4 V p-p。使用公式4計算1 MHz時的交流PSRR，得出1 MHz時的交流PSRR為40.5 dB。 圖6顯示了AD9213在1.0 V AVDD供電軌下的交流PSRR。

圖5.PSRR/PSMR 測試設(shè)置的簡化框圖。

Figure 6. AD9213 high speed ADC ac PSRR for a 1.0 V AVDD rail.

Power Supply Modulation Ratio (PSMR)

PSMR對模擬信號處理設(shè)備的影響與PSRR不同。PSMR顯示器件在與RF載波信號調(diào)制時對電源噪聲的靈敏度。該效應可以看作是施加到器件的載波頻率周圍的調(diào)制雜散，并顯示為載波邊帶。

電源調(diào)制是通過使用線路饋電器/耦合電路將輸入紋波信號與干凈的直流電壓相結(jié)合來實現(xiàn)的。電源紋波作為正弦波信號從信號發(fā)生器注入電源引腳。調(diào)制到RF載波的正弦波產(chǎn)生邊帶雜散，其偏移頻率等于正弦波頻率。雜散的電平受正弦波幅度和器件靈敏度的影響。簡化的PSMR測試設(shè)置與PSRR相同，如圖5所示，但輸出顯示集中在載波頻率及其邊帶雜散上，如圖7所示。PSMR定義為電源注入紋波幅度與載波周圍調(diào)制邊帶雜散幅度的比值，其中：

調(diào)制雜散 = 由于注入紋波而在載波頻率邊帶處的雜散幅度

注入紋波 = 在輸入電源引腳耦合和測量的正弦波幅度

圖7.由于電源紋波，載波信號中的調(diào)制邊帶雜散。

考慮AD9175 12.6 GSPS高速DAC，采用100 MHz載波工作，10 MHz電源紋波約為3.05 mV p-p，在1.0 V AVDD供電軌上主動耦合。載波信號的邊帶中出現(xiàn)相應的24.6 μV p-p調(diào)制雜散，失調(diào)等于約10 MHz的電源紋波頻率。 使用公式5計算10 MHz時的PSMR得到41.9 dB。圖8所示為AD9175 1.0V AVDD電源軌PSMR，用于通道DAC0在不同載波頻率下。

圖8.AD9175高速DAC PSMR，用于1.0 V AVDD供電軌（通道DAC0）。

確定最大允許電源紋波

PSMR可以與用電器件的基準閾值結(jié)合使用，以確定模擬信號處理器件每個電源域上的最大允許電壓紋波?；鶞书撝当旧砜梢允谴砥骷梢猿惺艿脑试S雜散水平（由電源紋波引起）的幾個值之一，而不會顯著影響其動態(tài)性能。該雜散電平可以是無雜散動態(tài)范圍（SFDR）、最小有效位（LSB）的百分比或輸出頻譜本底噪聲。公式6顯示了最大允許輸入紋波（VR_MAX） 作為 PSMR 和每個設(shè)備的測量本底噪聲的函數(shù)，其中：

VR_MAX= 在輸出頻譜本底噪聲中產(chǎn)生雜散之前每個電源軌上的最大允許電壓紋波

PSMR = 目標電源軌的噪聲靈敏度（單位：dB）

閾值 = 預定義的參考閾值（在本文中，輸出頻譜本底噪聲）

例如，AD9175的輸出頻譜本底噪聲約為1 μV p-p。1800 MHz載波在10 MHz紋波時的PSMR約為20.9 dB。使用公式6，器件電源引腳在不降低動態(tài)性能的情況下可以承受的最大允許紋波為11.1 μV p-p。

圖9顯示了LT8650S降壓靜音開關(guān)穩(wěn)壓器穩(wěn)壓器（帶或不帶輸出LC濾波器）的頻譜輸出與AD9175在1.0 V AVDD供電軌上的最大允許紋波的綜合結(jié)果。穩(wěn)壓器頻譜輸出包含基波開關(guān)頻率及其諧波的雜散。LT8650S直接為AD9175供電會產(chǎn)生超過最大允許閾值的基波，導致輸出頻譜中產(chǎn)生調(diào)制邊帶雜散，如圖10所示。只需添加一個LC濾波器，開關(guān)雜散就會降低到最大允許紋波以下，如圖11所示。?

圖9.LT8650S電源頻譜輸出與1.0 V AVDD軌下最大允許電壓紋波的關(guān)系。

圖 10.AD9175 DAC0輸出頻譜，載波頻率為1800 MHz，采用LT8650S直流-直流靜音開關(guān)轉(zhuǎn)換器直接輸出至AVDD電源軌。

圖 11.AD9175 DAC0輸出頻譜，載波頻率為1800 MHz，采用LT8650S和LC濾波器電源。

結(jié)論

高速模擬信號處理器件的卓越動態(tài)性能很容易被電源噪聲所削弱。必須徹底了解信號鏈對電源噪聲的敏感性，以避免系統(tǒng)性能下降。這可以通過建立最大允許紋波來確定，這對于設(shè)計配電網(wǎng)絡(luò)（PDN）至關(guān)重要。當已知最大允許紋波閾值時，可以采用各種方法來設(shè)計優(yōu)化的電源。與最大允許紋波相差良好表明 PDN 不會降低高速模擬信號處理設(shè)備的動態(tài)性能。

審核編輯：郭婷