如何通過(guò)一種系統(tǒng)化方法來(lái)量化電源噪聲電壓電平對(duì)相位噪聲的影響？

許多雷達(dá)系統(tǒng)要求低相位噪聲以最大限度抑制雜波。高性能雷達(dá)需要特別關(guān)注相位噪聲，導(dǎo)致在降低頻率合成器的相位噪聲和表征頻率合成器部件的相位噪聲方面投入了大量的設(shè)計(jì)資源。

大家知道，為實(shí)現(xiàn)低相位噪聲性能，尤其是超低相位噪聲性能，必須使用低噪聲電源才能達(dá)到最佳性能。但文獻(xiàn)上沒有詳細(xì)說(shuō)明如何通過(guò)一種系統(tǒng)化方法來(lái)量化電源噪聲電壓電平對(duì)相位噪聲的影響。本文旨在改變這種狀況。

本文提出了電源調(diào)制比(PSMR)理論，用來(lái)衡量電源缺陷如何被調(diào)制到RF載波上。通過(guò)電源噪聲對(duì)RF放大器相位噪聲的貢獻(xiàn)來(lái)驗(yàn)證這一理論；測(cè)量結(jié)果表明，可以計(jì)算并且相當(dāng)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)該貢獻(xiàn)。基于此結(jié)果，本文還討論了描述電源特性的系統(tǒng)化方法。

導(dǎo)言和定義

電源調(diào)制比與眾所周知的電源抑制比(PSRR)相似，但有一個(gè)關(guān)鍵不同點(diǎn)。PSRR衡量電源缺陷直接耦合到器件輸出的程度。PSMR衡量電源缺陷（紋波和噪聲）如何被調(diào)制到RF載波上。

下面的“原理”部分引入了一個(gè)將PSMR與電源缺陷相關(guān)聯(lián)的傳遞函數(shù)H(s)，用以定量地說(shuō)明電源缺陷如何被調(diào)制到載波上。H(s)具有幅度和相位兩個(gè)分量，可以隨著頻率和器件工作條件而變化。盡管變量很多，但一旦確定其特征，便可以利用電源調(diào)制比并根據(jù)電源數(shù)據(jù)手冊(cè)中的紋波和噪聲規(guī)格來(lái)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電源的相位噪聲和雜散貢獻(xiàn)。

原理

考慮用于RF器件的直流電源上的紋波。電源紋波用一個(gè)正弦波信號(hào)來(lái)模擬，其峰峰值電壓以直流輸出為中心。該正弦波被調(diào)制到RF載波上，在等于正弦波頻率的頻率偏移處產(chǎn)生雜散信號(hào)。

圖1. 電源上的正弦波紋波調(diào)制到RF載波上產(chǎn)生雜散信號(hào)

雜散水平與正弦波幅度和RF電路靈敏度均有關(guān)系。雜散信號(hào)可以進(jìn)一步分解為幅度調(diào)制分量和相位調(diào)制分量。總雜散功率水平等于幅度調(diào)制(AM)分量的雜散功率加上相位調(diào)制(PM)分量的雜散功率。

對(duì)于這里的討論，H(s)是從電源缺陷到RF載波上的干擾調(diào)制項(xiàng)的傳遞函數(shù)。H(s)同樣有AM和PM兩個(gè)分量。H(s)的AM分量是Hm (s)，H(s)的PM分量是H? (s)。以下等式利用H(s)進(jìn)行實(shí)際RF測(cè)量，假設(shè)低電平調(diào)制可用來(lái)模擬電源對(duì)RF載波的影響。

信號(hào)的幅度調(diào)制可以寫成

幅度調(diào)制分量m(t)可以寫成

其中fm是調(diào)制頻率RF載波的AM調(diào)制電平可以直接與電源紋波相關(guān)，關(guān)系式如下：

vrms是電源電壓的交流分量的均方根值。這是關(guān)鍵等式，它提供了一種計(jì)算電源紋波引起的RF載波AM調(diào)制的機(jī)制。

雜散電平可以通過(guò)幅度調(diào)制來(lái)計(jì)算

類似地可以寫出電源對(duì)相位調(diào)制的影響。相位調(diào)制信號(hào)為

相位調(diào)制項(xiàng)為

同樣，相位調(diào)制可以直接與電源相關(guān)，關(guān)系式如下

上式是提供了一種計(jì)算電源紋波引起的RF載波PM調(diào)制的機(jī)制。相位調(diào)制引起的雜散電平為

為了幫助可視化mrms和?rms的雜散影響，圖2顯示了雜散電平與mrms和?rms的關(guān)系。

圖2. 雜散電平與mrms和?rms的關(guān)系

總結(jié)一下上面的討論，電源上的紋波轉(zhuǎn)換為電源電壓交流項(xiàng)的均方根電壓vrms的調(diào)制項(xiàng)mrms和?rms。Hm (s)和H? (s)分別是從vrms到mrms和?rms的傳遞函數(shù)。

現(xiàn)在考慮相位噪聲。正如正弦波調(diào)制到載波上產(chǎn)生雜散信號(hào)一樣，1/f電壓噪聲密度也會(huì)調(diào)制到載波上產(chǎn)生相位噪聲。

圖3. 電源上的1/f噪聲調(diào)制到RF載波上產(chǎn)生相位噪聲

同樣，如果我們考慮一個(gè)具有相位調(diào)制的信號(hào)x(t)，那么

在這種情況下，?(t)是一個(gè)噪聲項(xiàng)。

功率譜密度定義為

相位噪聲依據(jù)功率譜密度來(lái)定義

接下來(lái)，對(duì)于電源紋波引起的相位調(diào)制所產(chǎn)生的雜散，將同樣的H? (s)應(yīng)用于相位噪聲。在這種情況下，H? (s)用于計(jì)算電源上1/f噪聲產(chǎn)生的相位噪聲。

測(cè)量實(shí)例

為了演示上述原理，我們表征了HMC589A RF放大器的電源靈敏度和相位噪聲，利用多個(gè)電源測(cè)量了這些量。用于表征的HMC589A評(píng)估電路如圖4所示。

圖4. 使用HMC589A放大器來(lái)演示PSMR原理

為了表征電源靈敏度，將一個(gè)正弦波注入5 V電源。正弦波在RF上產(chǎn)生雜散信號(hào)，以dBc來(lái)衡量雜散信號(hào)大小。雜散內(nèi)容進(jìn)一步分解為AM分量和PM分量。采用Rohde ＆ Schwarz FSWP26相位噪聲分析儀和頻譜分析儀。AM和PM雜散電平分別通過(guò)AM和PM噪聲測(cè)量來(lái)衡量，并使能雜散測(cè)量。結(jié)果列成表格，測(cè)試條件為3.2 GHz，RF輸入為0 dBm。

表1. HMC589A表征雜散與電源正弦波紋波的關(guān)系， 3.2 GHz，0 dBm輸入功率

測(cè)試數(shù)據(jù)表明，RF放大器的電源靈敏度可以利用正弦波調(diào)制憑經(jīng)驗(yàn)測(cè)量，結(jié)果可用來(lái)預(yù)測(cè)電源噪聲對(duì)相位噪聲的貢獻(xiàn)。更一般地，這可以擴(kuò)展到任何RF器件。這里我們用放大器表征和測(cè)量來(lái)演示原理。

首先，使用一個(gè)噪聲相當(dāng)高的電源。測(cè)量噪聲密度。基于表征的H? (s)計(jì)算電源對(duì)相位噪聲的貢獻(xiàn)，并與相位噪聲測(cè)量值進(jìn)行比較。使用Rhode & Schwarz FSWP26進(jìn)行測(cè)量。噪聲電壓通過(guò)基帶噪聲測(cè)量來(lái)衡量。利用測(cè)試裝置的內(nèi)部振蕩器測(cè)量加性相位噪聲，以此來(lái)衡量放大器殘余相位噪聲。測(cè)試配置如圖5所示。在這種配置中，振蕩器噪聲在混頻器中被消除，任何不常見的噪聲都會(huì)在交互相關(guān)算法中予以消除。這樣，用戶便可實(shí)現(xiàn)非常低電平的殘余噪聲測(cè)量。

圖5. 采用交互相關(guān)方法的放大器殘余相位噪聲測(cè)試設(shè)置

電源噪聲、實(shí)測(cè)相位噪聲和預(yù)測(cè)的電源噪聲貢獻(xiàn)如圖6所示。很明顯，在100 Hz到100 kHz偏移之間，相位噪聲主要由電源決定，關(guān)于電源貢獻(xiàn)的預(yù)測(cè)非常準(zhǔn)確。

圖6. 使用高噪聲電源進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證

用另外兩個(gè)電源重復(fù)該測(cè)試。結(jié)果如圖7所示。同樣，電源對(duì)相位噪聲的貢獻(xiàn)是完全可以預(yù)測(cè)的。

圖7. 用另外兩個(gè)電源驗(yàn)證該技術(shù)

低相位噪聲器件表征的一個(gè)常見挑戰(zhàn)是要確保測(cè)量結(jié)果屬于器件而非周圍環(huán)境。為了消除測(cè)量中的電源貢獻(xiàn)，使用ADM7150低噪聲穩(wěn)壓器。從數(shù)據(jù)手冊(cè)中引用的噪聲密度以及用于相位噪聲測(cè)試的器件的噪聲電壓測(cè)量結(jié)果如圖8所示。

圖8. 低噪聲穩(wěn)壓器ADM7150的噪聲電壓密度

表2列出了一系列低噪聲穩(wěn)壓器及其關(guān)鍵參數(shù)。這里給出的器件都非常適合為低相位噪聲RF設(shè)計(jì)中的RF器件供電；相關(guān)條件和特性曲線請(qǐng)參閱數(shù)據(jù)手冊(cè)。數(shù)據(jù)手冊(cè)中包括了多個(gè)偏移頻率下的噪聲密度和PSRR曲線。表中顯示了10 kHz偏移的噪聲密度，因?yàn)樵搮^(qū)域?qū)υS多穩(wěn)壓器而言通常存在限制。所示的PSRR對(duì)應(yīng)于1 MHz偏移，因?yàn)樵S多線性穩(wěn)壓器在這些偏移處會(huì)失去抑制能力，需要額外的濾波。

表2. 低噪聲穩(wěn)壓器系列最適合低相位噪聲RF設(shè)計(jì)

從ADM7150供電時(shí)，HMC589A殘余相位噪聲測(cè)試的結(jié)果如圖9所示。該測(cè)量結(jié)果顯示了放大器的真實(shí)性能，其本底噪聲低于-170 dBc / Hz，并且此性能一直保持到10 kHz偏移。

圖9. HMC589A殘余相位噪聲，3.2 GHz，輸入RF功率為0 dBm，ADM7150穩(wěn)壓器提供直流電源

描述電源特性的系統(tǒng)化方法

低相位噪聲應(yīng)用的電源設(shè)計(jì)通常會(huì)不加考慮地選擇可用的最佳穩(wěn)壓方案，而無(wú)視實(shí)際最低規(guī)格，這會(huì)導(dǎo)致過(guò)度設(shè)計(jì)。對(duì)于小批量設(shè)計(jì)，這種方法可能值得繼續(xù)，但對(duì)于大批量生產(chǎn)，性能、成本和復(fù)雜性必須優(yōu)化，過(guò)度設(shè)計(jì)可能是一種不受歡迎的浪費(fèi)。

下面是一種定量推導(dǎo)電源規(guī)格的方法：

用正弦波調(diào)制電源以表征H(s)。H(s)將是頻率的函數(shù)，每十倍頻程測(cè)試一次。

分配電源對(duì)雜散和相位噪聲的貢獻(xiàn)，在RF規(guī)格之下留一定的裕量。

計(jì)算電源紋波規(guī)格，

計(jì)算電源噪聲規(guī)格，

上述第一步中的一個(gè)重要事項(xiàng)是了解Hm (s)和H? (s)在設(shè)計(jì)預(yù)期的工作條件下如何變化。在HMC589A表征中，此變化是在若干功率水平下進(jìn)行測(cè)量，如圖10所示。

圖10. Hm (s)和H? (s)的變化與偏移頻率和功率水平的關(guān)系，使用HMC589A評(píng)估電路，頻率為3.2 GHz

結(jié)語(yǔ)

雖然人們普遍認(rèn)為，在RF應(yīng)用中應(yīng)限制電源紋波和噪聲，但很少有人充分理解其定量影響。利用本文所述的系統(tǒng)化方法，工程師可以按部就班地量化電源對(duì)期望RF性能的影響，從而做出明智的電源選擇。

審核編輯：劉清