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

當今的射頻 （RF） 系統變得越來越復雜。這種增加的復雜性要求在所有系統指標（例如嚴格的鏈路和噪聲預算）中實現最佳性能。確保整個信號鏈的正確設計至關重要。該信號鏈中經常被忽視的部分是直流電源。它在系統中起著重要作用，但它也可能引入不良影響。RF系統的一個重要測量是相位噪聲，根據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。根據我們收集的數據，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。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。

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的區域近似x，其中 x = 0 是本底白噪聲區域（斜率 = 0 dB/十倍頻程），x = 1 對應于閃爍相位噪聲區域（斜率 = –20 dB/十倍頻程）。x = 2， 3， 4 的區域更接近載波頻率。

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，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要求。在本實驗中，使用低壓差（LDO）線性穩壓器和降壓或降壓開關穩壓器獲取數據，如圖3所示。降壓開關穩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為熱量。當輸入和輸出電壓之間的差異較小，但結溫到環境熱阻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公司電源產品：LTM8063、LTM4626和LT3045。表1總結了所用電源解決方案的一些數據手冊規格。

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，以便可以根據每個電路模塊的要求對配電網絡進行降壓。在圖 8 中，我們看到 LTM8063 表現出與 LTM4626 級聯 LT3045 超低噪聲 LDO 穩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 專為為高端數字產品供電而設計和優化。這些器件通常需要高效率和快速瞬態響應，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路增益和帶寬等特性。這些特性會在輸出電壓中產生幾毫伏的擾動。雖然這些擾動在數字系統中無關緊要，但會降低信號鏈產品的性能。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，從而優化了其在信號鏈應用中的性能。它具有非常好的低頻穩定性、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

在執行信號鏈分析時，考慮所有噪聲源非常重要。一個經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 級聯的 LTM4626 提供了相當的相位噪聲性能，但了解要選擇的正確電源解決方案對于優化您的 RF 信號鏈非常重要。

審核編輯：郭婷