如何选择出色电源解决方案，以提高RF信号链相位噪声性能

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。

1 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：

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。

图1 非理想正弦波的相位噪声

2 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

3 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 ℃/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。

4 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。

表1 所用电源解决方案的数据手册规格。

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。

表2 所用RF放大器的数据手册规格

5 结果

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6 HMC8411与LTM8063的相位噪声响应，显示相位噪声/频率关系

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：

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 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

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8 采用各种电源解决方案时，HMC8411的相位噪声响应。f_c = 5 GHz

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。

从图 9(a) 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 9(b) 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

6 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。

(注：本文转载自《电子产品世界》2022年7月期)