Mitchell Sternberg, Erkan Acar, David Ng, 和 Sydney Wells

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(yù)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。

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：

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

該波形包括一些隨機過程?(t)，會在一定程度上導致信號相位偏移。這種相位偏移導致非理想時鐘輸出的傅里葉變換看起來與圖1更為相似。

圖1. 非理想正弦波的相位噪聲。

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。

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。

許多不同的因素都會導致產(chǎn)生相位噪聲。來源主要有三個，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時，自由電子的隨機熱運動引起的。它類似于散粒噪聲，這種噪聲是因為電流的隨機性能引起的。不同于白底噪聲和散粒噪聲，閃爍噪音會隨頻率變化。它源于半導體晶格結(jié)構(gòu)中的缺陷，本質(zhì)上也是隨機的。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區(qū)域，各區(qū)域的斜率為1/fX，其中x = 0時對應(yīng)于白噪聲區(qū)域（斜率 = 0 dB/十倍頻程），而x = 1時對應(yīng)于閃爍相位噪聲區(qū)域（斜率 = –20 dB/十倍頻程）。x = 2、3、4的區(qū)域更接近載波頻率。

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?a href="http://www.brongaenegriffin.com/tags/放大器/" target="_blank">放大器提供電源可能具有挑戰(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(yīng)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°C/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。

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。

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。

結(jié)果

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(yīng)?？梢钥吹剑诔^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(yīng)。

圖6顯示在輸入頻率為2 GHz和8 GHz時， 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：

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

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(yīng)。試驗臺電源相位噪聲響應(yīng)被用作判斷某些電源解決方案性能的基準。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(yīng)。

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。

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

從圖9a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(yīng)，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9b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(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，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的頻譜中沒有雜散

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(yīng)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(yīng)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。

審核編輯：郭婷