電源調(diào)制比揭秘：PSMR與PSRR有何不同

許多雷達(dá)系統(tǒng)需要低相位噪聲，以最大限度地提高雜波抑制。高性能雷達(dá)需要仔細(xì)注意相位噪聲，因此在降低頻率合成器的相位噪聲和表征頻率合成器組件的相位噪聲方面需要大量設(shè)計(jì)投資。

眾所周知，低相位噪聲性能（特別是超低相位噪聲性能）需要低噪聲電源才能實(shí)現(xiàn)最佳性能。目前還沒有充分記錄的是量化電源噪聲電壓電平對(duì)相位噪聲影響的系統(tǒng)方法。本文旨在改變這一點(diǎn)。

介紹了電源調(diào)制比（PSMR）理論，即如何將其調(diào)制到RF載波上的電源缺陷的度量。RF放大器的特征在于，測(cè)量結(jié)果表明，可以計(jì)算并相當(dāng)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)電源噪聲對(duì)相位噪聲的貢獻(xiàn)?；谠摻Y(jié)果，討論了電源規(guī)格的系統(tǒng)方法。

簡(jiǎn)介和定義

電源調(diào)制比類似于眾所周知的電源抑制比（PSRR）術(shù)語，但有一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)不同。PSRR是衡量電源缺陷與組件輸出直接耦合的程度的指標(biāo)。PSMR是衡量如何將紋波和噪聲的電源缺陷調(diào)制到RF載波上的指標(biāo)。

下面的理論部分介紹了H（s），這是一種將PSMR與電源缺陷相關(guān)的傳遞函數(shù)，即如何將它們量化地調(diào)制到載波上。H（s）具有幅度和相位分量，并且可能隨頻率和分量工作條件而變化。盡管存在許多變量，但一旦表征，電源調(diào)制比可用于根據(jù)電源數(shù)據(jù)手冊(cè)中紋波和噪聲的規(guī)格準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電源的相位噪聲和雜散貢獻(xiàn)。

理論

考慮RF組件的直流電源上的紋波。電源紋波被建模為正弦波信號(hào)，其峰峰值電壓以直流輸出為中心。正弦波被調(diào)制到RF載波上，產(chǎn)生頻率偏移等于正弦波頻率的雜散信號(hào)。

圖1.電源上的正弦波紋波調(diào)制到RF載波上以產(chǎn)生雜散信號(hào)。

雜散電平是正弦波幅度和RF電路靈敏度的函數(shù)。雜散信號(hào)可以進(jìn)一步細(xì)分為調(diào)幅分量和相位調(diào)制分量?？傠s散功率電平等于調(diào)幅（AM）分量的雜散功率加上相位調(diào)制（PM）分量的雜散功率。

對(duì)于此處的討論，H（s）是從電源缺陷到RF載波上不需要的調(diào)制項(xiàng)的傳遞函數(shù)。H（s）也有AM和PM組件。H（s） 的 AM 成分是 Hm（s） 和 H（s） 的 PM 分量為 H?以下等式利用H（s）進(jìn)行實(shí)際的RF測(cè)量，假設(shè)低調(diào)制水平可以接受電源對(duì)RF載波的影響。

信號(hào)的幅度調(diào)制可以寫為

調(diào)幅分量m（t）可以寫為

其中 fm是調(diào)制頻率

RF載波的AM調(diào)制電平可與電源紋波直接相關(guān)：

v有效值是電源電壓的交流分量的均方根值。公式3是關(guān)鍵公式，它提供了一種機(jī)制來計(jì)算RF載波因電源紋波引起的AM調(diào)制。

雜散電平可通過幅度調(diào)制計(jì)算：

電源對(duì)相位調(diào)制的影響也可以類似地寫出來。相位調(diào)制信號(hào)為

相位調(diào)制項(xiàng)為

同樣，相位調(diào)制可以直接與電源相關(guān)：

公式7提供了一種機(jī)制，用于計(jì)算電源紋波引起的RF載波的PM調(diào)制。相位調(diào)制引起的雜散電平為

幫助可視化 m 的雜散影響有效值和?有效值，雜散電平與 m 的關(guān)系圖有效值和?有效值如圖 2 所示。

圖2.雜散電平與m有效值和?有效值.

總結(jié)一下這個(gè)討論，電源上的紋波轉(zhuǎn)化為調(diào)制項(xiàng)m有效值和?有效值從V電源上的正弦波均方根電壓有效值.Hm（s）和H?（s） 是來自 v 的傳遞函數(shù)有效值到 m有效值和?有效值分別。

現(xiàn)在，考慮相位噪聲。正如正弦波調(diào)制到載波上產(chǎn)生雜散信號(hào)一樣，1/f電壓噪聲密度調(diào)制到載波上產(chǎn)生相位噪聲。

圖3.電源上的 1/f 噪聲調(diào)制到射頻載波上以產(chǎn)生相位噪聲。

同樣，如果我們考慮具有相位調(diào)制的信號(hào)x（t），則

在這種情況下，?（t）是一個(gè)噪聲項(xiàng)。

功率譜密度定義為

相位噪聲由功率譜密度定義為

接下來，相同的 H? (S） 用于由電源紋波產(chǎn)生的相位調(diào)制產(chǎn)生的雜散，應(yīng)用于相位噪聲。在這種情況下 H? (s） 用于根據(jù)電源上的 1/f 噪聲計(jì)算相位噪聲。

測(cè)量示例

為了演示這些原理，HMC589A RF放大器通過使用多個(gè)電源測(cè)量這些量來表征電源靈敏度和相位噪聲。用于表征的HMC589A評(píng)估電路如圖4所示。

圖4.HMC589A放大器用于演示PSMR原理。

為了表征電源靈敏度，在5 V電源上注入正弦波。正弦波在RF上產(chǎn)生雜散，雜散信號(hào)以dBc為單位測(cè)量。雜散內(nèi)容進(jìn)一步分解為AM分量和PM分量。使用了羅德與施瓦茨FSWP26相位噪聲分析儀和頻譜分析儀。AM和PM雜散電平分別通過AM和PM噪聲測(cè)量進(jìn)行測(cè)量，并啟用雜散測(cè)量。結(jié)果在 3.2 GHz 和 RF 輸入為 0 dBm 的測(cè)試條件下以表格形式列出。

測(cè)試數(shù)據(jù)表明，射頻放大器的電源靈敏度可以通過正弦波調(diào)制進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)測(cè)量，結(jié)果可用于預(yù)測(cè)電源噪聲對(duì)相位噪聲的貢獻(xiàn)。更一般地說，這可以擴(kuò)展到任何RF組件;在這里，我們通過放大器表征和測(cè)量來演示原理。

首先，使用了相當(dāng)嘈雜的電源。測(cè)量噪聲密度。電源對(duì)相位噪聲的貢獻(xiàn)是根據(jù)表征的H?（s）并與相位噪聲測(cè)量進(jìn)行比較。Rhode & Schwarz FSWP26用于測(cè)量。噪聲電壓通過基帶噪聲測(cè)量進(jìn)行測(cè)量。放大器殘余相位噪聲是使用測(cè)試裝置的內(nèi)部振蕩器通過加性相位噪聲測(cè)量來測(cè)量的。測(cè)試配置如圖 5 所示。在這種配置中，振蕩器噪聲在混頻器中被消除，任何不常見的噪聲都會(huì)在互相關(guān)算法中被消除。這允許用戶實(shí)現(xiàn)非常低水平的殘余噪聲測(cè)量。

圖5.使用互相關(guān)方法進(jìn)行放大器殘余相位噪聲測(cè)試設(shè)置。

電源噪聲、實(shí)測(cè)相位噪聲和預(yù)測(cè)的電源噪聲貢獻(xiàn)如圖6所示。顯而易見的是，相位噪聲主要由100 Hz至100 kHz偏移之間的電源主導(dǎo)，并且可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電源貢獻(xiàn)。

圖6.使用嘈雜的電源驗(yàn)證技術(shù)。

使用兩個(gè)額外的電源重復(fù)測(cè)試。結(jié)果如圖 7 所示。同樣，電源對(duì)相位噪聲的貢獻(xiàn)是非?？深A(yù)測(cè)的。

圖7.使用兩個(gè)額外的電源驗(yàn)證該技術(shù)。

低相位噪聲元件表征的一個(gè)常見挑戰(zhàn)是確保測(cè)量是針對(duì)器件而不是周圍環(huán)境進(jìn)行的。為了消除測(cè)量中的電源貢獻(xiàn)，使用低噪聲穩(wěn)壓器ADM7150。數(shù)據(jù)手冊(cè)中引用的噪聲密度以及用于相位噪聲測(cè)試的器件的噪聲電壓測(cè)量值如圖8所示。

圖8.低噪聲穩(wěn)壓器ADM7150噪聲電壓密度

表2顯示了一系列低噪聲穩(wěn)壓器，并列出了關(guān)鍵參數(shù)。此處所示的器件都非常適合為低相位噪聲RF設(shè)計(jì)中的RF組件供電;有關(guān)條件和特性曲線，請(qǐng)參閱數(shù)據(jù)手冊(cè)。在數(shù)據(jù)手冊(cè)中，噪聲密度和PSRR曲線包含在多個(gè)失調(diào)頻率上。表中顯示了10 kHz偏移的噪聲密度，因?yàn)樵搮^(qū)域通常是許多穩(wěn)壓器的限制器。圖中顯示了1 MHz偏移的PSRR，因?yàn)樵S多線性穩(wěn)壓器在這些失調(diào)時(shí)會(huì)失去抑制能力，需要額外的濾波。

由ADM7150供電時(shí)HMC589A殘余相位噪聲測(cè)試結(jié)果如圖9所示。該測(cè)量結(jié)果顯示了放大器的真實(shí)性能，其中本底噪聲低于–170 dBc/Hz，并且該性能一直保持到10 kHz偏移。

圖9.HMC589A殘余相位噪聲為3.2 GHz，輸入RF功率為0 dBm，直流電源來自ADM7150穩(wěn)壓器。

電源規(guī)格的系統(tǒng)化方法

低相位噪聲應(yīng)用的電源設(shè)計(jì)通常會(huì)導(dǎo)致隨意選擇可用的最佳穩(wěn)壓選項(xiàng)，而忽略實(shí)際的最小規(guī)格，從而導(dǎo)致可能的過度設(shè)計(jì)。對(duì)于小批量設(shè)計(jì)，這種方法可能值得繼續(xù)，但對(duì)于大批量生產(chǎn)，必須優(yōu)化性能、成本和復(fù)雜性 - 過度設(shè)計(jì)可能是一種不受歡迎的奢侈品。

以下是定量推導(dǎo)電源規(guī)格的方法：

在電源上使用正弦波調(diào)制來表征H（s）。H（s）將是頻率的函數(shù)，每十年測(cè)試一次

為雜散和相位噪聲分配電源貢獻(xiàn)，并略低于RF規(guī)格

計(jì)算電源紋波規(guī)格，

計(jì)算電源噪聲規(guī)格，

上述步驟 1 中的一個(gè)重要考慮因素是了解 H 如何m（s）和H?（s） 根據(jù)設(shè)計(jì)中預(yù)期的操作條件而變化。在HMC589A表征中，在多個(gè)功率電平下測(cè)量了這種變化，如圖10所示。

圖 10.H的變化m（s）和H?（s）與HMC589A評(píng)估電路中3.2 GHz時(shí)的失調(diào)頻率和功率電平的關(guān)系。

總結(jié)

雖然人們普遍認(rèn)為，在RF應(yīng)用中應(yīng)限制電源紋波和噪聲，但定量影響很少（如果有的話）得到很好的理解。此處所示的系統(tǒng)方法使工作工程師能夠做出明智的電源選擇，方法是在量化電源對(duì)所需RF性能的影響的過程中引入紀(jì)律。

審核編輯：郭婷