如何選擇出色電源解決方案,以提高RF信號鏈相位噪聲性能
如今的射頻 (RF) 系統(tǒng)變得越來越復雜。高度的復雜性要求所有系統(tǒng)指標(例如嚴格的鏈接和噪聲預算)達到最佳性能。確保整個信號鏈的正確設(shè)計至關(guān)重要。而信號鏈中,有一個部分經(jīng)常會被忽視,那就是直流電源。它在系統(tǒng)中占據(jù)著重要地位,但也會帶來負面影響。RF 系統(tǒng)的一個重要度量是相位噪聲,根據(jù)所選的電源解決方案,這個指標可能降低。本文研究電源設(shè)計對 RF 放大器相位噪聲的影響。我們的測試數(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 信號鏈性能的關(guān)鍵。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/202207/436604.htm1 什么是相位噪聲?
相位噪聲是指當信號到達系統(tǒng)的接收端時,由于意外的超前或滯后而產(chǎn)生的信號中的噪聲。正如幅度噪聲是與信號標稱幅度之間的偏移或偏差一樣,相位噪聲是與信號標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)在信號中存在多個頻率分量。因此,信號圍繞中心頻率周圍擴散。
圖1 非理想正弦波的相位噪聲
2 相位噪聲的成因和貢獻
信號鏈的 DC 電源解決方案是導致相位噪聲的一個重要成因,但它常被忽視。為信號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。這會導致相位噪聲增加,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,且因為嚴格的過渡頻帶要求,給濾波器造成很大挑戰(zhàn)。
圖2 電源軌中的噪聲及其對RF載波信號的影響
3 電源解決方案
圖3 RF信號鏈中的電源拓撲
在 RF 信號鏈中,確保適當?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。市面上有許多類型的電源解決方案和拓撲。具體需要哪種電源解決方案,取決于您的應用和系統(tǒng)要求。本實驗采用低壓差 (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電壓(例如 3.3 V 和 1.8 V)。但是,它們可能給輸出電壓帶來嚴重的開關(guān)噪聲或紋波,導致性能大幅下降。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。當輸入電壓和輸 出電壓之間的差值較小時,使用 LDO 穩(wěn)壓器是一個不錯的選擇,但當連接環(huán)境熱阻 θJA 超過 30 ℃/W 時,從 FPGA 和 ASIC 獲取的大電流會導致 LDO 穩(wěn)壓器的性能迅速下降。
4 測試設(shè)置
本實驗使用了三款不同的 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數(shù)據(jù) 手冊規(guī)格。
表1 所用電源解決方案的數(shù)據(jù)手冊規(guī)格。
輸入信號掃描 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。測試設(shè)置如圖 4 所示。輸入 RF 信號由 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,使用它是因為能清楚表現(xiàn)電源導致的附加相位噪聲或調(diào)制雜散。
圖4 本實驗使用的測試設(shè)置的簡化框圖
使用兩個 ADI 放大器產(chǎn)品來表示 RF 信號鏈中的一個模塊。
表2 所用RF放大器的數(shù)據(jù)手冊規(guī)格
5 結(jié)果
圖5 (a) HMC8411和ADPA9002在2 Ghz時的性能 (b)試驗臺和LTM8063供電的ADPA9002在兩個不同的輸入頻率下的相位噪聲響應
圖5 比較在由 LTM8063 和試驗臺電源供電時,功率放大器的相位噪聲響應??梢钥吹?,在超過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,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,HMC8411 的相位噪聲響應。響應緊隨其后,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,在 10 Hz 至 100 Hz 頻率偏移下,相位噪聲大約增加 12 dB。
圖7 由試驗臺和LTM8063供電的HMC8411在兩個不同的輸入頻率下的相位噪聲響應
圖 7 顯示在由 LTM8063 供電和由試驗臺電源供電時,HMC8411在100 MHz和10 GHz時的相位噪聲響應。試驗臺電源相位噪聲響應被用作判斷某些電源解決方案性能的基準。與試驗臺電源相比,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,HMC8411的相位噪聲響應。fc = 5 GHz
一般會采用大電流模塊(例如 LTM4626)作為主電源,以便配電網(wǎng)絡(luò)根據(jù)各個電路模塊的要求降壓。從圖 8 中,可以看到 LTM8063 與級聯(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。對于 5 kHz 以下的功率 LNA 相位噪聲,LTM8063 和 LTM4626 對它的影響可忽略不計,這一點上兩者相似,但在 5 kHz 以上,兩者之間的表現(xiàn)相差很大。LTM4626 針對高端數(shù)字產(chǎn)品設(shè)計和優(yōu)化。這些器件通常需要高效率和快速的瞬態(tài)響應,因此它們的電源可能具有極低的無源阻抗、快速開關(guān)邊緣率、高控制環(huán)路增益和帶寬等特性。這些特性會在輸出電壓中產(chǎn)生幾毫伏的擾動。雖然這些擾動在數(shù)字系統(tǒng)中無關(guān) 緊要,但卻會降低信號鏈產(chǎn)品的性能。盡管如此,使用 LTM4626,SFDR 為 102.7 dB 時,輸出頻譜中沒有明顯的雜散,如圖 9(b) 所示。但是,LTM8063 是針對低噪聲(EMI 和輸出)設(shè)計的,會在信號鏈應用中優(yōu)化其性能。它具有很好的低頻穩(wěn)定性、很小的輸出擾動,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
(b)由LTM4626供電的HMC8411的頻譜中沒有雜散
6 結(jié)論
在進行信號鏈分析時,必須考慮到所有噪聲來源,這很重要。DC 電源解決方案這個噪聲源常常被忽視掉,這可能會影響和嚴重降低信號鏈的性能。實驗結(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 10 dB。在這個應用中,LTM8063 給出的結(jié)果最好。雖然級聯(lián) LT3045 的 LTM4626 能提供同等相位噪聲性能,但應明白,選擇 正確的電源解決方案對于優(yōu)化 RF 信號鏈非常重要。
(注:本文轉(zhuǎn)載自《電子產(chǎn)品世界》2022年7月期)
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