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
Mitchell Sternberg, Erkan Acar, David Ng, 和 Sydney Wells
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：
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：
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：LTM8063、LTM4626和 LT3045。表1汇总了所用电源解决方案的部分数据手册规格。
| 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。
| 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：
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。
审核编辑：郭婷
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