亞德諾半導(dǎo)體

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：

V（t）=Asin（2πft）（1）

這個(gè)正弦波呈現(xiàn)完美的周期性，并且V（t）的傅里葉變換表示為輸出波形頻率的脈沖函數(shù)。更真實(shí)的振蕩器輸出表示中包括相位（和振幅）中的隨機(jī)波動(dòng)，如公式2所示：

V（t）=A[A+E（t）]sin（2πft+φ（t））（2）

該波形包括一些隨機(jī)過(guò)程φ（t），會(huì)在一定程度上導(dǎo)致信號(hào)相位偏移。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)與圖1更為相似。

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。

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)。

許多不同的因素都會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生相位噪聲。來(lái)源主要有三個(gè)，分別是白底噪聲、散粒噪聲和1/f，或者稱為閃爍噪聲。白底噪聲是電流通過(guò)時(shí)，自由電子的隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)引起的。它類似于散粒噪聲，這種噪聲是因?yàn)殡娏鞯碾S機(jī)性能引起的。不同于白底噪聲和散粒噪聲，閃爍噪音會(huì)隨頻率變化。它源于半導(dǎo)體晶格結(jié)構(gòu)中的缺陷，本質(zhì)上也是隨機(jī)的。閃爍噪聲隨著頻率的增加而降低;所以，低1/f角頻非常有用。典型的相位噪聲曲線可以近似表示為各個(gè)區(qū)域，各區(qū)域的斜率為1/fX，其中x=0時(shí)對(duì)應(yīng)于白噪聲區(qū)域（斜率=0 dB/十倍頻程），而x=1時(shí)對(duì)應(yīng)于閃爍相位噪聲區(qū)域（斜率=-20dB/十倍頻程）。x=2、3、4的區(qū)域更接近載波頻率。

3電源解決方案

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)洹＞唧w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&JA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。

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。

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。

5結(jié)果

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×?xí)r，在10 Hz至100 Hz頻率偏移下，相位噪聲大約增加12 dB。

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。

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。

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。