如何选择最好的电源解决方案,以提高RF信号链相位噪声性能

如今的射频(RF)系统变得越来越复杂。高度的复杂性要求所有系统指标(例如严格的链接和噪声预算)达到最佳性能。确保整个信号链的正确设计至关重要。而信号链中,有一个部分经常会被忽视,那就是直流电源。它在系统中占据着重要地位,但也会带来负面影响。RF系统的一个重要度量是相位噪声,根据所选的电源解决方案,这个指标可能降低。本文研究电源设计对RF放大器相位噪声的影响。我们的测试数据证明,选择合适的电源模块可以使相位噪声改善10 dB,这是优化RF信号链性能的关键。

什么是相位噪声?

相位噪声是指当信号到达系统的接收端时,由于意外的超前或滞后而产生的信号中的噪声。正如幅度噪声是与信号标称幅度之间的偏移或偏差一样,相位噪声是与信号标称相位之间的偏移或偏差。

理想的振荡器输出正弦波,如公式1所示:

Equation 1

这个正弦波呈现完美的周期性,并且Videal(t)的傅里叶变换表示为输出波形频率的脉冲函数。更真实的振荡器输出表示中包括相位(和振幅)中的随机波动,如公式2所示:

Equation 2

该波形包括一些随机过程ϕ(t),会在一定程度上导致信号相位偏移。这种相位偏移导致非理想时钟输出的傅里叶变换看起来与图1更为相似。

图1. 非理想正弦波的相位噪声。

由于相位是轻微偏移,所以现在信号中存在多个频率分量。因此,信号围绕中心频率周围扩散。 

相位噪声的成因和贡献

信号链的DC电源解决方案是导致相位噪声的一个重要成因,但它常被忽视。为信号链供电的电源轨上的任何噪音或波纹都可能在内部耦合。这会导致相位噪声增加,从而可能隐藏发送的带宽中的关键频率分量,或从载波中引入杂散偏移。这些杂散靠近载波,所以特别难处理,且因为严格的过渡频带要求,给滤波器造成很大挑战。

图2. 电源轨中的噪声及其对RF载波信号的影响。

许多不同的因素都会导致产生相位噪声。来源主要有三个,分别是白底噪声、散粒噪声和1/f,或者称为闪烁噪声。白底噪声是电流通过时,自由电子的随机热运动引起的。它类似于散粒噪声,这种噪声是因为电流的随机性能引起的。不同于白底噪声和散粒噪声,闪烁噪音会随频率变化。它源于半导体晶格结构中的缺陷,本质上也是随机的。闪烁噪声随着频率的增加而降低;所以,低1/f角频非常有用。典型的相位噪声曲线可以近似表示为各个区域,各区域的斜率为1/fX,其中x = 0时对应于白噪声区域(斜率 = 0 dB/十倍频程),而x = 1时对应于闪烁相位噪声区域(斜率 = –20 dB/十倍频程)。x = 2、3、4的区域更接近载波频率。

电源解决方案

图3. RF信号链中的电源拓扑。

在RF信号链中,确保适当的偏置和为放大器提供电源可能具有挑战性,特别是在漏极电压也用作输出端口时。市面上有许多类型的电源解决方案和拓扑。具体需要哪种电源解决方案,取决于您的应用和系统要求。本实验采用低压差(LDO)线性稳压器和降压开关稳压器采集数据,如图3所示。降压开关稳压器是一种典型的解决大压降的解决方案,效率高,工作温度低。开关电源可以将更高的电压(例如12 V)降低至更常用的芯片级电压(例如3.3 V和1.8 V)。但是,它们可能给输出电压带来严重的开关噪声或纹波,导致性能大幅下降。LDO稳压器也可以降低这些电压,且噪声更低;但是,它们的功耗主要表现为热量。当输入电压和输出电压之间的差值较小时,使用LDO稳压器是一个不错的选择,但当连接环境热阻θJA超过30°C/W时,从FPGA和ASIC获取的大电流会导致LDO稳压器的性能迅速下降。

测试设置

本实验使用了三款不同的ADI电源产品: LTM8063LTM4626LT3045。表1汇总了所用电源解决方案的部分数据手册规格。

表1. 所用电源解决方案的数据手册规格
LTM8063 LTM4626 LT3045
拓扑结构 Buck µModule®   Buck µModule LDO稳压器
输入电压范围 3.2 V 至 40 V 3.1 V 至 20 V  1.8 V 至 20 V
输出电压范围 0.8 V 至 15 V 0.6 V 至 5.5 V  0 V 至 15 V
 输出电流  2 A 12 A  500 mA 
 噪声  ~15 mV纹波  ~35 mV 纹波 1 μV rms 
开关频率 200 kHz 至 2 MHz  600 kHz 至 2 MHz

输入信号扫描100 MHz、200 MHz、500 MHz,以及1 GHz至10 GHz的频率。选择10 Hz至30 MHz频率偏移,分析了相位噪声。测试设置如图4所示。输入RF信号由Rohde & Schwarz FSWP50相位噪声分析仪从内部生成。这款振荡器性能出色,使用它是因为能清楚表现电源导致的附加相位噪声或调制杂散。

图4. 本实验使用的测试设置的简化框图。

使用两个ADI放大器产品来表示RF信号链中的一个模块。  

表2. 所用RF放大器的数据手册规格
HMC8411 ADPA9002
频率范围 10 MHz 至 10 GHz DC 至 10 GHz
VDD (典型值) 5 V 12 V
IDD (典型值) 56 mA 385 mA
增益 15.5 dB 15 dB
输出P1dB补偿(典型值) 20 dBm 29 dBm

结果

图5比较在由LTM8063和试验台电源供电时,功率放大器的相位噪声响应。可以看到,在超过1/f频率后,功率放大器的性能稍微降低。功率放大器消耗更多供电电流,所观察的相位噪声大约增加2 dB至4 dB。

图5. (a) HMC8411和 ADPA9002 在2 Ghz时的性能,(b)试验台和LTM8063供电的ADPA9002在两个不同的输入频率下的相位噪声响应。

图6显示在输入频率为2 GHz和8 GHz时, HMC8411 的相位噪声响应。 响应紧随其后,共模相位噪声/频率关系如公式3所示:

Equation 3

图6. HMC8411与LTM8063的相位噪声响应,显示相位噪声/频率关系。

这种关系表明,输入频率每增加一倍,相位噪声大约增加6 dB。可以看出,频率增大4×时,在10 Hz至100 Hz频率偏移下,相位噪声大约增加12 dB。

图7显示在由LTM8063供电和由试验台电源供电时,HMC8411在100 MHz和10 GHz时的相位噪声响应。试验台电源相位噪声响应被用作判断某些电源解决方案性能的基准。与试验台电源相比,LTM8063在多种频率下都具有出色性能,宽带本底噪声仅增加约2 dB。

图7. 由试验台和LTM8063供电的HMC8411在两个不同的输入频率下的相位噪声响应。

一般会采用大电流模块(例如LTM4626)作为主电源,以便配电网络根据各个电路模块的要求降压。从图8中,可以看到LTM8063与级联LT3045超低噪声LDO稳压器的LTM4626的相位噪声性能相似。如果LTM8063提供的电压和电流输出能满足设计要求,该电源解决方案可以节省大幅成本和电路板空间。

图8. 采用各种电源解决方案时,HMC8411的相位噪声响应。fc = 5 GHz。

从图9a可以看出,开关电源在不同频段下,可以表现出明显不同的行为。对于5 kHz以下的功率LNA相位噪声,LTM8063和LTM4626对它的影响可忽略不计,这一点上两者相似,但在5 kHz以上,两者之间的表现相差很大。LTM4626针对高端数字产品设计和优化。这些器件通常需要高效率和快速的瞬态响应,因此它们的电源可能具有极低的无源阻抗、快速开关边缘率、高控制环路增益和带宽等特性。这些特性会在输出电压中产生几毫伏的扰动。虽然这些扰动在数字系统中无关紧要,但却会降低信号链产品的性能。尽管如此,使用LTM4626,SFDR为102.7 dB时,输出频谱中没有明显的杂散,如图9b所示。但是,LTM8063是针对低噪声(EMI和输出)设计的,会在信号链应用中优化其性能。它具有很好的低频稳定性、很小的输出扰动,在开关基波及其谐波上的噪声更小。

图9. (A)由不同开关稳压器供电的HMC8411在5 Ghz的相位噪声响应,(b)由LTM4626供电的HMC8411的频谱中没有杂散

结论

在进行信号链分析时,必须考虑到所有噪声来源,这很重要。DC电源解决方案这个噪声源常常被忽视掉,这可能会影响和严重降低信号链的性能。实验结果表明,选择正确的电源模块至关重要,在10 kHz偏移下,可以使相位噪声改善多达10 dB。在这个应用中,LTM8063给出的结果最好。虽然级联LT3045的LTM4626能提供同等相位噪声性能,但应明白,选择正确的电源解决方案对于优化RF信号链非常重要。

参考电路

Erkan Acar。 “为何完全集成式转换环路器件可实现出色的相位噪声性能” 。ADI公司,2021年4月。

Jarrah Bergeron。 “分析及管理电源噪声和时钟抖动对高速DAC相位噪声的影响” 。模拟对话,第51卷第1期,2017年3月。

Delos, Peter和Jarrett Liner。 “改进DAC相位噪声测量以支持超低相位噪声DDS应用” 。模拟对话,第51卷第3期,2017年8月。

Kester, Walt. “MT-008教程:将振荡器相位噪声转换为时间抖动” 。ADI公司,2009年。

Liu, Leo。“全面了解和分析开关稳压器噪声” 。ADI公司,2019年1月。

作者

Mitchell Sternberg

Mitchell Sternberg

Mitchell Sternberg是ADI公司仪器仪表团队的系统应用工程师。他的工作经验涵盖信号链设计和分析、信号和电源完整性,以及无线通信系统。Mitchell曾经担任过多种职位,例如测试工程师和硬件开发人员,负责测试以太网的一致性。Mitchell毕业于新罕布什尔州达勒姆市的新罕布什尔大学,拥有电气工程学士学位。

Erkan Acar

Erkan Acar

Erkan Acar在北卡罗来纳州杜克大学达勒姆分校取得博士学位和硕士学位。Erkan他领导了有关低成本RF测试、自动化测试设备、高速接口的信号和电源完整性的许多研发项目。他拥有多项专利并发表了许多文章。他目前对频率范围从基带到110 Ghz及以上的RF和毫米波信号链感兴趣。

David Ng

David Ng

David是ADI公司电源系统经理,工作地点位于加利福尼亚。他负责管理面向工业、航空航天和医疗健康应用的高性能ADC、DAC、收发器、放大器和其他信号链器件的电源解决方案开发工作。David创立了LTM8000 μModule®产品线并将其成功发展为高创收的事业部。

Sydney Wells

Sydney Wells

Sydney Wells目前正参与ADI公司的现场开发轮岗项目,接受担任现场应用工程师的培训。她于2020年获得康涅狄格大学电气工程学士学位。此前曾从事过电源转换器评估、制造自动化和供应商开发工程等工作。目前专注于研究电源和仪器仪表。