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电源调制比揭秘:PSMR与PSRR有何不同?

表1.HMC589A表征杂散与电源正弦波纹波的关系,3.2 GHz,0 dBm输入功率

电源调制比揭秘:PSMR与PSRR有何不同?

测试数据表明,RF放大器的电源灵敏度可以利用正弦波调制凭经验测量,结果可用来预测电源噪声对相位噪声的贡献。更一般地,这可以扩展到任何RF器件。这里我们用放大器表征和测量来演示原理。

首先,使用一个噪声相当高的电源。测量噪声密度。基于表征的H? (s)计算电源对相位噪声的贡献,并与相位噪声测量值进行比较。使用Rhode & Schwarz FSWP26进行测量。噪声电压通过基带噪声测量来衡量。利用测试装置的内部振荡器测量加性相位噪声,以此来衡量放大器残余相位噪声。测试配置如图5所示。在这种配置中,振荡器噪声在混频器中被消除,任何不常见的噪声都会在交互相关算法中予以消除。这样,用户便可实现非常低电平的残余噪声测量。

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图5.采用交互相关方法的放大器残余相位噪声测试设置。

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图6.使用高噪声电源进行技术验证。

电源噪声、实测相位噪声和预测的电源噪声贡献如图6所示。很明显,在100 Hz到100 kHz偏移之间,相位噪声主要由电源决定,关于电源贡献的预测非常准确。

用另外两个电源重复该测试。结果如图7所示。同样,电源对相位噪声的贡献是完全可以预测的。

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图7.用另外两个电源验证该技术。

低相位噪声器件表征的一个常见挑战是要确保测量结果属于器件而非周围环境。为了消除测量中的电源贡献,使用ADM7150 低噪声稳压器。从数据手册中引用的噪声密度以及用于相位噪声测试的器件的噪声电压测量结果如图8所示。

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电源调制比揭秘:PSMR与PSRR有何不同?

图8.低噪声稳压器ADM7150的噪声电压密度

表2列出了一系列低噪声稳压器及其关键参数。这里给出的器件都非常适合为低相位噪声RF设计中的RF器件供电;相关条件和特性曲线请参阅数据手册。数据手册中包括了多个偏移频率下的噪声密度和PSRR曲线。表中显示了10 kHz偏移的噪声密度,因为该区域对许多稳压器而言通常存在限制。所示的PSRR对应于1 MHz偏移,因为许多线性稳压器在这些偏移处会失去抑制能力,需要额外的滤波。电源调制比揭秘:PSMR与PSRR有何不同?

表2.低噪声稳压器系列最适合低相位噪声RF设计

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从ADM7150供电时,HMC589A残余相位噪声测试的结果如图9所示。该测量结果显示了放大器的真实性能,其本底噪声低于-170 dBc / Hz,并且此性能一直保持到10 kHz偏移。

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图9.HMC589A残余相位噪声,3.2 GHz,输入RF功率为0 dBm,ADM7150稳压器提供直流电源。

描述电源特性的系统化方法

低相位噪声应用的电源设计通常会不加考虑地选择可用的最佳稳压方案,而无视实际最低规格,这会导致过度设计。对于小批量设计,这种方法可能值得继续,但对于大批量生产,性能、成本和复杂性必须优化,过度设计可能是一种不受欢迎的浪费。

下面是一种定量推导电源规格的方法:

用正弦波调制电源以表征H(s)。H(s)将是频率的函数,每十倍频程测试一次。

分配电源对杂散和相位噪声的贡献,在RF规格之下留一定的裕量。

计算电源纹波规格,

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计算电源噪声规格,

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上述第一步中的一个重要事项是了解Hm(s)和H (s)在设计预期的工作条件下如何变化。在HMC589A表征中,此变化是在若干功率水平下进行测量,如图10所示。

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图10.Hm (s)和H (s)的变化与偏移频率和功率水平的关系,使用HMC589A评估电路,频率为3.2 GHz。

结语

虽然人们普遍认为,在RF应用中应限制电源纹波和噪声,但很少有人充分理解其定量影响。利用本文所述的系统化方法,工程师可以按部就班地量化电源对期望RF性能的影响,从而做出明智的电源选择。

参考文献

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,2017年。

Calosso E. Calosso、Yannick Gruson和Enrico Rubiola。“DDS中的相位噪声 和幅度噪声”。IFCS,2012年。

Peter Delos和Jarret 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,2017年。

Umesh Jayamohan。“为GSPS或RF采样ADC供电:开关稳压器与 LDO”。《模拟对话》,第50卷,2016年。“微波振荡器的相位噪声特性”。Agilent Technologies,产品笔记,11729B-1,2007年。

Rob Reeder。“高速ADC的电源设计”,ADI公司,2012年。

Walls,Warren F.,“交叉相关相位噪声测量”,IFCS,1992年。

ADI公司  Peter Delos

作者简介

Peter Delos是ADI公司航空航天和防务部门的技术主管,在美国北卡罗莱纳州格林斯博罗工作。他于1990年获得美国弗吉尼亚理工大学电气工程学士学位,并于2004年获得美国新泽西理工学院电气工程硕士学位。Peter拥有超过25年的行业经验。其职业生涯的大部分时间花在高级RF/模拟系统的架构、PWB和IC设计上。他目前专注于面向相控阵应用的高性能接收器、波形发生器和合成器设计的小型化工作。

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