如何選擇出色電源解決方案，以提高RF信號(hào)鏈相位噪聲性能

如今的射頻 (RF) 系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜。高度的復(fù)雜性要求所有系統(tǒng)指標(biāo)（例如嚴(yán)格的鏈接和噪聲預(yù)算）達(dá)到最佳性能。確保整個(gè)信號(hào)鏈的正確設(shè)計(jì)至關(guān)重要。而信號(hào)鏈中，有一個(gè)部分經(jīng)常會(huì)被忽視，那就是直流電源。它在系統(tǒng)中占據(jù)著重要地位，但也會(huì)帶來(lái)負(fù)面影響。RF 系統(tǒng)的一個(gè)重要度量是相位噪聲，根據(jù)所選的電源解決方案，這個(gè)指標(biāo)可能降低。本文研究電源設(shè)計(jì)對(duì) RF 放大器相位噪聲的影響。我們的測(cè)試數(shù)據(jù)證明，選擇合適的電源模塊可以使相位噪聲改善 10 dB，這是優(yōu)化 RF 信號(hào)鏈性能的關(guān)鍵。

1 什么是相位噪聲？

相位噪聲是指當(dāng)信號(hào)到達(dá)系統(tǒng)的接收端時(shí)，由于意外的超前或滯后而產(chǎn)生的信號(hào)中的噪聲。正如幅度噪聲是與信號(hào)標(biāo)稱幅度之間的偏移或偏差一樣，相位噪聲是與信號(hào)標(biāo)稱相位之間的偏移或偏差。

理想的振蕩器輸出正弦波，如公式 1 所示：

由于相位是輕微偏移，所以現(xiàn)在信號(hào)中存在多個(gè)頻率分量。因此，信號(hào)圍繞中心頻率周圍擴(kuò)散。

圖1 非理想正弦波的相位噪聲

2 相位噪聲的成因和貢獻(xiàn)

信號(hào)鏈的 DC 電源解決方案是導(dǎo)致相位噪聲的一個(gè)重要成因，但它常被忽視。為信號(hào)鏈供電的電源軌上的任何噪音或波紋都可能在內(nèi)部耦合。這會(huì)導(dǎo)致相位噪聲增加，從而可能隱藏發(fā)送的帶寬中的關(guān)鍵頻率分量，或從載波中引入雜散偏移。這些雜散靠近載波，所以特別難處理，且因?yàn)閲?yán)格的過(guò)渡頻帶要求，給濾波器造成很大挑戰(zhàn)。

圖2 電源軌中的噪聲及其對(duì)RF載波信號(hào)的影響

3 電源解決方案

圖3 RF信號(hào)鏈中的電源拓?fù)?/p>

在 RF 信號(hào)鏈中，確保適當(dāng)?shù)钠煤蜑榉糯笃魈峁╇娫纯赡芫哂刑魬?zhàn)性，特別是在漏極電壓也用作輸出端口時(shí)。市面上有許多類型的電源解決方案和拓?fù)?。具體需要哪種電源解決方案，取決于您的應(yīng)用和系統(tǒng)要求。本實(shí)驗(yàn)采用低壓差 (LDO) 線性穩(wěn)壓器和降壓開關(guān)穩(wěn)壓器采集數(shù)據(jù)，如圖 3 所示。降壓開關(guān)穩(wěn)壓器是一種典型的解決大壓降的解決方案，效率高，工作溫度低。開關(guān)電源可以將更高的電壓（例如 12 V）降低至更常用的芯片級(jí)電壓（例如 3.3 V 和 1.8 V）。但是，它們可能給輸出電壓帶來(lái)嚴(yán)重的開關(guān)噪聲或紋波，導(dǎo)致性能大幅下降。LDO 穩(wěn)壓器也可以降低這些電壓，且噪聲更低；但是，它們的功耗主要表現(xiàn)為熱量。當(dāng)輸入電壓和輸 出電壓之間的差值較小時(shí)，使用 LDO 穩(wěn)壓器是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，但當(dāng)連接環(huán)境熱阻 θJA 超過(guò) 30 ℃/W 時(shí)，從 FPGA 和 ASIC 獲取的大電流會(huì)導(dǎo)致 LDO 穩(wěn)壓器的性能迅速下降。

4 測(cè)試設(shè)置

本實(shí)驗(yàn)使用了三款不同的 ADI 電源產(chǎn)品：LTM8063、LTM4626 和 LT3045。表 1 匯總了所用電源解決方案的部分?jǐn)?shù)據(jù) 手冊(cè)規(guī)格。

表1 所用電源解決方案的數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)格。

輸入信號(hào)掃描 100 MHz、200 MHz、500 MHz，以及 1 GHz 至 10 GHz 的頻率。選擇 10 Hz 至 30 MHz 頻率偏移，分析了相位噪聲。測(cè)試設(shè)置如圖 4 所示。輸入 RF 信號(hào)由 Rohde & Schwarz FSWP50 相位噪聲分析儀從內(nèi)部生成。這款振蕩器性能出色，使用它是因?yàn)槟芮宄憩F(xiàn)電源導(dǎo)致的附加相位噪聲或調(diào)制雜散。

圖4 本實(shí)驗(yàn)使用的測(cè)試設(shè)置的簡(jiǎn)化框圖

使用兩個(gè) ADI 放大器產(chǎn)品來(lái)表示 RF 信號(hào)鏈中的一個(gè)模塊。

表2 所用RF放大器的數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)格

5 結(jié)果

圖5 (a) HMC8411和ADPA9002在2 Ghz時(shí)的性能 (b)試驗(yàn)臺(tái)和LTM8063供電的ADPA9002在兩個(gè)不同的輸入頻率下的相位噪聲響應(yīng)

圖5 比較在由 LTM8063 和試驗(yàn)臺(tái)電源供電時(shí)，功率放大器的相位噪聲響應(yīng)?？梢钥吹?，在超過(guò)1/f 頻率后，功率放大器的性能稍微降低。功率放大器消耗更多供電 電流，所觀察的相位噪聲大約增加 2 dB 至 4 dB。

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

圖6顯示在輸入頻率為2 GHz和8 GHz時(shí)，HMC8411 的相位噪聲響應(yīng)。響應(yīng)緊隨其后，共模相位噪聲 / 頻率關(guān)系如公式 3 所示：

這種關(guān)系表明，輸入頻率每增加一倍，相位噪聲大約增加 6 dB?？梢钥闯?，頻率增大 4× 時(shí)，在 10 Hz 至 100 Hz 頻率偏移下，相位噪聲大約增加 12 dB。

圖7 由試驗(yàn)臺(tái)和LTM8063供電的HMC8411在兩個(gè)不同的輸入頻率下的相位噪聲響應(yīng)

圖 7 顯示在由 LTM8063 供電和由試驗(yàn)臺(tái)電源供電時(shí)，HMC8411在100 MHz和10 GHz時(shí)的相位噪聲響應(yīng)。試驗(yàn)臺(tái)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)。與試驗(yàn)臺(tái)電源相比，LTM8063 在多種頻率下都具有出色性能，寬帶本底噪聲僅增加約 2 dB。

圖8 采用各種電源解決方案時(shí)，HMC8411的相位噪聲響應(yīng)。f_c = 5 GHz

一般會(huì)采用大電流模塊（例如 LTM4626）作為主電源，以便配電網(wǎng)絡(luò)根據(jù)各個(gè)電路模塊的要求降壓。從圖 8 中，可以看到 LTM8063 與級(jí)聯(lián) LT3045 超低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器的 LTM4626 的相位噪聲性能相似。如果 LTM8063 提供的電壓和電流輸出能滿足設(shè)計(jì)要求，該電源解決方案可以節(jié)省大幅成本和電路板空間。

從圖 9(a) 可以看出，開關(guān)電源在不同頻段下，可以表現(xiàn)出明顯不同的行為。對(duì)于 5 kHz 以下的功率 LNA 相位噪聲，LTM8063 和 LTM4626 對(duì)它的影響可忽略不計(jì)，這一點(diǎn)上兩者相似，但在 5 kHz 以上，兩者之間的表現(xiàn)相差很大。LTM4626 針對(duì)高端數(shù)字產(chǎn)品設(shè)計(jì)和優(yōu)化。這些器件通常需要高效率和快速的瞬態(tài)響應(yīng)，因此它們的電源可能具有極低的無(wú)源阻抗、快速開關(guān)邊緣率、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，但卻會(huì)降低信號(hào)鏈產(chǎn)品的性能。盡管如此，使用 LTM4626，SFDR 為 102.7 dB 時(shí)，輸出頻譜中沒(méi)有明顯的雜散，如圖 9(b) 所示。但是，LTM8063 是針對(duì)低噪聲（EMI 和輸出）設(shè)計(jì)的，會(huì)在信號(hào)鏈應(yīng)用中優(yōu)化其性能。它具有很好的低頻穩(wěn)定性、很小的輸出擾動(dòng)，在開關(guān)基波及其諧波上的噪聲更小。

圖9 (a)由不同開關(guān)穩(wěn)壓器供電的HMC8411在5 GHz的相位噪聲響應(yīng)

(b)由LTM4626供電的HMC8411的頻譜中沒(méi)有雜散

6 結(jié)論

在進(jìn)行信號(hào)鏈分析時(shí)，必須考慮到所有噪聲來(lái)源，這很重要。DC 電源解決方案這個(gè)噪聲源常常被忽視掉，這可能會(huì)影響和嚴(yán)重降低信號(hào)鏈的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，選擇正確的電源模塊至關(guān)重要，在 10 kHz 偏移下，可以使相位噪聲改善多達(dá) 10 dB。在這個(gè)應(yīng)用中，LTM8063 給出的結(jié)果最好。雖然級(jí)聯(lián) LT3045 的 LTM4626 能提供同等相位噪聲性能，但應(yīng)明白，選擇 正確的電源解決方案對(duì)于優(yōu)化 RF 信號(hào)鏈非常重要。

(注：本文轉(zhuǎn)載自《電子產(chǎn)品世界》2022年7月期)