如何为RF信号链相位噪声性能选择最佳电源解决方案

作者：Mitchell Sternberg, Erkan Acar, David Ng, and Sydney Wells

当今的射频 （RF） 系统变得越来越复杂。这种增加的复杂性要求在所有系统指标（例如严格的链路和噪声预算）中实现最佳性能。确保整个信号链的正确设计至关重要。该信号链中经常被忽视的部分是直流电源。它在系统中起着重要作用，但它也可能引入不良影响。RF系统的一个重要测量是相位噪声，根据电源解决方案的选择，该指标可能会降低。本文探讨了电源设计对RF放大器相位噪声的影响。根据我们收集的数据，我们得出结论，正确选择功率模块可以使相位噪声改善多达10 dB，对于优化RF信号链性能至关重要。

什么是相位噪声？

相位噪声是信号中存在的噪声，当信号到达系统的接收侧时，来自意外的超前或滞后。正如幅度噪声是信号标称幅度的偏移或偏差一样，相位噪声是信号标称相位的偏移或偏差。

理想振荡器输出正弦波，如公式1所示：

这个正弦波具有完美的周期性，V的傅里叶变换理想（t） 表示为输出波形频率处的增量函数。振荡器输出的更真实表示包括相位（和幅度）的随机波动，如公式2所示：

该波形包括一些随机过程φ（t），该过程将信号的相位偏移一定量。这种相位偏移导致非理想时钟输出的傅里叶变换看起来更像图1。

图1.非理想正弦波的相位噪声。

由于相位略有偏移，信号中现在存在多个频率分量。因此，信号围绕中心频率分布。

相位噪声的原因和贡献

相位噪声的一个重要且经常被忽视的原因是信号链的直流电源解决方案。为信号链供电的电源轨上的任何噪声或纹波都可以在内部耦合。这可能导致相位噪声增加，这可能会隐藏传输带宽中的关键频率分量，或者可能引起载波的杂散偏移。这些杂散可能特别难以处理，因为它们靠近载波，并且由于严格的过渡带要求，会对滤波器构成挑战。

图2.电源轨上的噪声及其对RF载波信号的影响。

许多不同的因素都会产生相位噪声。有三个主要来源，称为白地板、射击和 1/f 或闪烁噪声。白地板噪声来自电流通过时自由电子的随机热运动。它类似于散粒噪声，后者来自电流的随机性。与白色地板和镜头不同，闪烁噪声随频率变化。由于半导体晶格结构的缺陷，它本质上也是随机的。闪烁噪声确实会随着频率而降低;因此，非常需要低1/f转折频率。典型的相位噪声曲线由斜率为1/f的区域近似x，其中 x = 0 是本底白噪声区域（斜率 = 0 dB/十倍频程），x = 1 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。

确保RF信号链中的放大器正确偏置和供电可能是一个挑战，特别是当漏极电压也用作输出端口时。市场上有多种类型的电源解决方案和拓扑。您可能需要哪种电源解决方案取决于您的应用和系统要求。在本实验中，使用低压差（LDO）线性稳压器和降压或降压开关稳压器获取数据，如图3所示。降压开关稳压器是大压降的典型解决方案，具有高效率和较低的工作温度。开关电源可以将更高的电压（如 12 V）降至更常见的芯片级电压（如 3.3 V 和 1.8 V）。但是，它们会在输出电压上引入严重的开关噪声或纹波，从而导致性能大幅下降。LDO稳压器也可以降压这些电压，并且噪声更低;然而，它们的功耗主要表现为热量。当输入和输出电压之间的差异较小，但结温到环境热阻θ贾，在 30°C/W 以上，来自 FPGA 和 ASIC 的高电流会迅速降低 LDO 稳压器的性能。

测试设置

该实验利用了三种不同的ADI公司电源产品：LTM8063、LTM4626和LT3045。 表1总结了所用电源解决方案的一些数据手册规格。

 

	LTM8063	LTM4626	LT3045
拓扑学	降压μ模块®	降压μ模块	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 安培	12 安培	500毫安
噪声	~15 mV 纹波	~35 mV 纹波	1 μV 有效值
开关频率	200 kHz 至 2 MHz	600 kHz 至 2 MHz	—

 

输入信号扫过100 MHz、200 MHz、500 MHz和1 GHz至10 GHz的频率范围。 分析相位噪声的频率偏移为10 Hz至30 MHz。测试设置如图4所示。输入RF信号由罗德与施瓦茨FSWP50相位噪声分析仪在内部产生。该振荡器具有出色的性能，之所以使用，是因为电源引起的任何附加相位噪声或调制杂散都会清晰显示出来。

图4.实验中使用的测试设置的简化框图。

ADI公司的两个放大器产品用于表示RF信号链中的一个模块。

 

	HMC8411	ADPA9002
频率范围	10 兆赫至 10 千兆赫	直流至 10 GHz
VDD（典型值）	5 V	12 V
我DD（典型值）	56毫安	385毫安
获得	15.5分贝	15分贝
输出 P1dB 压缩（典型值）	20 分贝	29 分贝

 

结果

图 5 比较了采用 LTM8063 和台式电源供电时 PA 的相位噪声响应。观察到PA在超过1/f频率时的性能略低。PA消耗的电源电流要大得多，导致观察到的相位噪声增加约2 dB至4 dB。

图5.（a） HMC8411 和 ADPA9002 在 2 GHz 下的性能，以及 （b） 由工作台和 LTM8063 在两个不同输入频率下供电的 ADPA9002 的相位噪声响应。

图6显示了输入频率为2 GHz和8 GHz时的HMC8411相位噪声响应。响应与公式3所示的常见相位噪声/频率关系紧随其后：

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，相位噪声就会增加约6 dB。这可以从频率增加 4× 可以看出，导致从 10 Hz 到 100 Hz 的频率偏移增加约 12 dB。

图7显示了由LTM8063供电的HMC8411与100 MHz和10 GHz台式电源的相位噪声响应。 基准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。与台式电源相比，LTM8063在各种频率范围内具有出色的性能，宽带本底噪声仅增加约2 dB。

图7.由工作台供电的HMC8411和LTM8063在两个不同输入频率下的相位噪声响应。

通常，高电流模块（如 LTM4626）将用作主电源，以便可以根据每个电路模块的要求对配电网络进行降压。在图 8 中，我们看到 LTM8063 表现出与 LTM4626 级联 LT3045 超低噪声 LDO 稳压器相似的相位噪声性能。如果 LTM8063 提供的电压和电流输出能够满足设计要求，则此电源解决方案可以节省大量成本和电路板空间。

图8.采用各种电源解决方案的HMC8411相位噪声响应。fc= 5 千兆赫。

图9a显示，开关电源在不同的频段中可能表现出明显不同的行为。LTM8063 和 LTM4626 对低于 5 kHz 的功率 LNA 相位噪声的影响同样可以忽略不计，但高于此频率时差异很大。LTM4626 专为为高端数字产品供电而设计和优化。这些器件通常需要高效率和快速瞬态响应，因此其电源可能具有极低的无源阻抗、快速开关边沿速率以及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，但会降低信号链产品的性能。尽管如此，使用LTM4626的输出频谱在SFDR为102.7 dB时没有明显的杂散，如图9b所示。然而，LTM8063 专为低噪声 （EMI 和输出） 而设计，从而优化了其在信号链应用中的性能。它具有非常好的低频稳定性、小的输出扰动以及开关基波及其谐波处的噪声小得多。

图9.（a） HMC8411在5 GHz时由不同开关稳压器供电时的相位噪声响应，以及（b）由LTM4626供电的HMC8411频谱显示无杂散。

结论

在执行信号链分析时，考虑所有噪声源非常重要。一个经常被忽视的来源是直流电源解决方案，它可能会耦合并严重降低信号链的性能。我们的结果表明，正确选择功率模块至关重要，并且可以在10 kHz偏移时将相位噪声改善多达10 dB。对于此应用，LTM8063 返回了最佳结果。虽然与 LT3045 级联的 LTM4626 提供了相当的相位噪声性能，但了解要选择的正确电源解决方案对于优化您的 RF 信号链非常重要。

审核编辑：郭婷