作者：Mitchell Sternberg,Erkan Acar,David Ng, andSydney Wells

當今的射頻 （RF） 系統(tǒng)變得越來越復雜。這種增加的復雜性要求在所有系統(tǒng)指標（例如嚴格的鏈路和噪聲預算）中實現(xiàn)最佳性能。確保整個信號鏈的正確設計至關重要。該信號鏈中經(jīng)常被忽視的部分是直流電源。它在系統(tǒng)中起著重要作用，但它也可能引入不良影響。RF系統(tǒng)的一個重要測量是相位噪聲，根據(jù)電源解決方案的選擇，該指標可能會降低。本文探討了電源設計對RF放大器相位噪聲的影響。根據(jù)我們收集的數(shù)據(jù)，我們得出結論，正確選擇功率模塊可以使相位噪聲改善多達10 dB，對于優(yōu)化RF信號鏈性能至關重要。

什么是相位噪聲？

相位噪聲是信號中存在的噪聲，當信號到達系統(tǒng)的接收側時，來自意外的超前或滯后。正如幅度噪聲是信號標稱幅度的偏移或偏差一樣，相位噪聲是信號標稱相位的偏移或偏差。

理想振蕩器輸出正弦波，如公式1所示：

這個正弦波具有完美的周期性，V的傅里葉變換理想（t） 表示為輸出波形頻率處的增量函數(shù)。振蕩器輸出的更真實表示包括相位（和幅度）的隨機波動，如公式2所示：

該波形包括一些隨機過程φ（t），該過程將信號的相位偏移一定量。這種相位偏移導致非理想時鐘輸出的傅里葉變換看起來更像圖1。

圖1.非理想正弦波的相位噪聲。

由于相位略有偏移，信號中現(xiàn)在存在多個頻率分量。因此，信號圍繞中心頻率分布。

相位噪聲的原因和貢獻

相位噪聲的一個重要且經(jīng)常被忽視的原因是信號鏈的直流電源解決方案。為信號鏈供電的電源軌上的任何噪聲或紋波都可以在內部耦合。這可能導致相位噪聲增加，這可能會隱藏傳輸帶寬中的關鍵頻率分量，或者可能引起載波的雜散偏移。這些雜散可能特別難以處理，因為它們靠近載波，并且由于嚴格的過渡帶要求，會對濾波器構成挑戰(zhàn)。

圖2.電源軌上的噪聲及其對RF載波信號的影響。

許多不同的因素都會產(chǎn)生相位噪聲。有三個主要來源，稱為白地板、射擊和 1/f 或閃爍噪聲。白地板噪聲來自電流通過時自由電子的隨機熱運動。它類似于散粒噪聲，后者來自電流的隨機性。與白色地板和鏡頭不同，閃爍噪聲隨頻率變化。由于半導體晶格結構的缺陷，它本質上也是隨機的。閃爍噪聲確實會隨著頻率而降低;因此，非常需要低1/f轉折頻率。典型的相位噪聲曲線由斜率為1/f的區(qū)域近似x，其中 x = 0 是本底白噪聲區(qū)域（斜率 = 0 dB/十倍頻程），x = 1 對應于閃爍相位噪聲區(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。

確保RF信號鏈中的放大器正確偏置和供電可能是一個挑戰(zhàn)，特別是當漏極電壓也用作輸出端口時。市場上有多種類型的電源解決方案和拓撲。您可能需要哪種電源解決方案取決于您的應用和系統(tǒng)要求。在本實驗中，使用低壓差（LDO）線性穩(wěn)壓器和降壓或降壓開關穩(wěn)壓器獲取數(shù)據(jù)，如圖3所示。降壓開關穩(wěn)壓器是大壓降的典型解決方案，具有高效率和較低的工作溫度。開關電源可以將更高的電壓（如 12 V）降至更常見的芯片級電壓（如 3.3 V 和 1.8 V）。但是，它們會在輸出電壓上引入嚴重的開關噪聲或紋波，從而導致性能大幅下降。LDO穩(wěn)壓器也可以降壓這些電壓，并且噪聲更低;然而，它們的功耗主要表現(xiàn)為熱量。當輸入和輸出電壓之間的差異較小，但結溫到環(huán)境熱阻θ賈，在 30°C/W 以上，來自 FPGA 和 ASIC 的高電流會迅速降低 LDO 穩(wěn)壓器的性能。

測試設置

該實驗利用了三種不同的ADI公司電源產(chǎn)品：LTM8063、LTM4626和LT3045。表1總結了所用電源解決方案的一些數(shù)據(jù)手冊規(guī)格。

輸入信號掃過100 MHz、200 MHz、500 MHz和1 GHz至10 GHz的頻率范圍。 分析相位噪聲的頻率偏移為10 Hz至30 MHz。測試設置如圖4所示。輸入RF信號由羅德與施瓦茨FSWP50相位噪聲分析儀在內部產(chǎn)生。該振蕩器具有出色的性能，之所以使用，是因為電源引起的任何附加相位噪聲或調制雜散都會清晰顯示出來。

圖4.實驗中使用的測試設置的簡化框圖。

ADI公司的兩個放大器產(chǎn)品用于表示RF信號鏈中的一個模塊。

結果

圖 5 比較了采用 LTM8063 和臺式電源供電時 PA 的相位噪聲響應。觀察到PA在超過1/f頻率時的性能略低。PA消耗的電源電流要大得多，導致觀察到的相位噪聲增加約2 dB至4 dB。

圖5.（a） HMC8411 和 ADPA9002 在 2 GHz 下的性能，以及 （b） 由工作臺和 LTM8063 在兩個不同輸入頻率下供電的ADPA9002的相位噪聲響應。

圖6顯示了輸入頻率為2 GHz和8 GHz時的HMC8411相位噪聲響應。響應與公式3所示的常見相位噪聲/頻率關系緊隨其后：

圖6.HMC8411與LTM8063的相位噪聲響應，顯示相位噪聲/頻率關系。

這種關系表明，輸入頻率每增加一倍，相位噪聲就會增加約6 dB。這可以從頻率增加 4× 可以看出，導致從 10 Hz 到 100 Hz 的頻率偏移增加約 12 dB。

圖7顯示了由LTM8063供電的HMC8411與100 MHz和10 GHz臺式電源的相位噪聲響應。 基準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。與臺式電源相比，LTM8063在各種頻率范圍內具有出色的性能，寬帶本底噪聲僅增加約2 dB。

圖7.由工作臺供電的HMC8411和LTM8063在兩個不同輸入頻率下的相位噪聲響應。

通常，高電流模塊（如 LTM4626）將用作主電源，以便可以根據(jù)每個電路模塊的要求對配電網(wǎng)絡進行降壓。在圖 8 中，我們看到 LTM8063 表現(xiàn)出與 LTM4626 級聯(lián) LT3045 超低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器相似的相位噪聲性能。如果 LTM8063 提供的電壓和電流輸出能夠滿足設計要求，則此電源解決方案可以節(jié)省大量成本和電路板空間。

圖8.采用各種電源解決方案的HMC8411相位噪聲響應。fc= 5 千兆赫。

圖9a顯示，開關電源在不同的頻段中可能表現(xiàn)出明顯不同的行為。LTM8063 和 LTM4626 對低于 5 kHz 的功率 LNA 相位噪聲的影響同樣可以忽略不計，但高于此頻率時差異很大。LTM4626 專為為高端數(shù)字產(chǎn)品供電而設計和優(yōu)化。這些器件通常需要高效率和快速瞬態(tài)響應，因此其電源可能具有極低的無源阻抗、快速開關邊沿速率以及高控制環(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)中無關緊要，但會降低信號鏈產(chǎn)品的性能。盡管如此，使用LTM4626的輸出頻譜在SFDR為102.7 dB時沒有明顯的雜散，如圖9b所示。然而，LTM8063 專為低噪聲 （EMI 和輸出） 而設計，從而優(yōu)化了其在信號鏈應用中的性能。它具有非常好的低頻穩(wěn)定性、小的輸出擾動以及開關基波及其諧波處的噪聲小得多。

圖9.（a） HMC8411在5 GHz時由不同開關穩(wěn)壓器供電時的相位噪聲響應，以及（b）由LTM4626供電的HMC8411頻譜顯示無雜散。

結論

在執(zhí)行信號鏈分析時，考慮所有噪聲源非常重要。一個經(jīng)常被忽視的來源是直流電源解決方案，它可能會耦合并嚴重降低信號鏈的性能。我們的結果表明，正確選擇功率模塊至關重要，并且可以在10 kHz偏移時將相位噪聲改善多達10 dB。對于此應用，LTM8063 返回了最佳結果。雖然與 LT3045 級聯(lián)的 LTM4626 提供了相當?shù)南辔辉肼曅阅埽私庖x擇的正確電源解決方案對于優(yōu)化您的 RF 信號鏈非常重要。

審核編輯：郭婷