改進(jìn)的DAC相位噪聲測量以支持超低相位噪聲DDS應(yīng)用

簡介

在雷達(dá)應(yīng)用中，相位噪聲是要求高雜波衰減的系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)。相位噪聲是所有無線電系統(tǒng)都會關(guān)心的問題，但是雷達(dá)相比通信系統(tǒng)來說特別要求非?？拷d波頻率的頻偏位置的相位噪聲性能。

這些高性能系統(tǒng)中的系統(tǒng)設(shè)計人員將選擇超低相位噪聲振蕩器，并且從噪聲角度來講，信號鏈的目標(biāo)就是使振蕩器相位噪聲曲線的惡化最小。這就要求對信號鏈上的各種元器件做殘余或加性的相位噪聲測量。

最近發(fā)布的高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)產(chǎn)品對于頻率轉(zhuǎn)換階段需要的任何LO的波形生成和頻率創(chuàng)建都非常有吸引力。然而，雷達(dá)目標(biāo)會挑戰(zhàn)DAC相位噪聲的性能。

圖1. AD9164相位噪聲的改進(jìn)

在本文中，我們將展示AD9164 DAC在10KHz 頻偏處超過10dB的改進(jìn)的測量結(jié)果。改進(jìn)如圖1所示，并且我們將會討論如何通過結(jié)合電源穩(wěn)壓器選擇和測試設(shè)置改進(jìn)來達(dá)到這一結(jié)果。

相位噪聲定義

相位噪聲是周期信號過零點(diǎn)偏差的測量?？紤]有相位波動的余弦波

相位噪聲可以通過相位變化的功率譜密度來確定

就線性而言，單邊相位噪聲定義為

相位噪聲 通常以10log(L(f))的dBc/Hz為單位來表示。然后可以將相位噪聲數(shù)據(jù)繪制到相對RF載波的偏移頻率中。

圖2. 相位噪聲繪圖方法

相位噪聲進(jìn)一步的重要定義就是絕對相位噪聲和殘余相位噪聲。絕對相位噪聲是系統(tǒng)中測量的總相位噪聲。殘余相位噪聲是測試設(shè)備的加性相位噪聲。這種區(qū)別在測試設(shè)置和確定系統(tǒng)中元件級別相位噪聲貢獻(xiàn)的過程中至關(guān)重要。

DAC/DDS相位噪聲測量方法

本部分圖表顯示DDS相位噪聲測試設(shè)置。對于DAC相位噪聲測量，可以設(shè)想將DAC作為直接數(shù)字頻率合成器(DDS)子系統(tǒng)的一部分。DDS是通過將與DAC通信的單片IC或FPGA或ASIC中的數(shù)字正弦波模式送給DAC來實現(xiàn)。在現(xiàn)代DDS設(shè)計中，數(shù)字相位誤差可以遠(yuǎn)低于DAC誤差，而且DDS相位噪聲測量通常受限于DAC的性能。

最簡單和最常見的測試設(shè)置如圖3所示。一個時鐘源用于DDS并且DDS的輸出饋入到一個互相關(guān)類型的相位噪聲分析儀 。由于只需要一個DDS，所以很容易實現(xiàn)。然而，在這樣的測試設(shè)置下，沒有辦法提取振蕩器的貢獻(xiàn)以便僅僅顯示DDS的相位噪聲。

圖3. 絕對相位噪聲DDS測試設(shè)置包含DAC和振蕩器噪聲

圖4顯示了兩種常用的方法用來從測量中去除振蕩器的相位噪聲，提供殘余噪聲測量。這些測量方法的缺點(diǎn)在于，在測試設(shè)置中需要額外的DAC。但是，優(yōu)點(diǎn)是可以應(yīng)用于系統(tǒng)級分析預(yù)算，作為DAC相位噪聲貢獻(xiàn)的一種非常好的指標(biāo)。

圖4a. 使用鑒相器方法的DDS殘余相位噪聲測量

圖4a顯示的是鑒相器方法。這種情況下，使用兩個DAC，將兩個DUT都下變頻至DC，可以減去振蕩器的貢獻(xiàn)。

圖4b. 使用互相關(guān)方法測量DDS殘余相位噪聲

圖4b顯示的是使用互相關(guān)相位噪聲分析的方法。這種情況下，DDS2和DDS3可以用于將時鐘貢獻(xiàn)轉(zhuǎn)換到測量的LO端口，在互相關(guān)算法中去除它們的貢獻(xiàn)，并在測量中獲取DDS1殘余相位噪聲。

電源噪聲貢獻(xiàn)

在低噪聲模擬和RF設(shè)計中，電源噪聲是公認(rèn)需要考慮的因素。電源紋波會周期性的調(diào)制到RF載波并在RF載波的頻偏等于紋波頻率的地方產(chǎn)生雜散。穩(wěn)壓器1/f噪聲也會調(diào)制到RF載波中，并體現(xiàn)在相位噪聲曲線中。圖5顯示了這些原理。

圖5. 電源缺陷調(diào)制到RF載波上。

測量結(jié)果

在研究DAC真正的相位噪聲性能的過程中，需要同時考慮測試設(shè)置和穩(wěn)壓器的噪聲性能。

DAC初始評估板包含ADP7140穩(wěn)壓器用于給模擬和時鐘提供電壓。將噪聲譜密度與最近發(fā)布的超低噪聲穩(wěn)壓器和所選的ADM7155進(jìn)行對比。圖6如產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊所示顯示了這些噪聲密度的對比情況。電源修改僅將ADM7155用于AD9164時鐘(數(shù)據(jù)手冊引腳VDD12_CLK)和模擬電壓(數(shù)據(jù)手冊引腳VDD12A)。

接下來，考慮殘余相位噪聲的測試設(shè)置選項。由于實用性和方便性，自帶互相關(guān)方法的Rohde and Schwarz FSWP成為首選。使用的測試設(shè)置如圖7所示。

圖6. 穩(wěn)壓器噪聲密度比較。注意Y軸單位——ADM7155提高了一個數(shù)量級

圖7. AD9164相位噪聲測量的測試設(shè)置

圖8. AD9164 800 MHz輸出相位噪聲比較

圖8顯示了三種情況的測量結(jié)果。紅色曲線顯示了初始評估板的絕對相位噪聲測量結(jié)果。淺藍(lán)色曲線也是一種絕對測量結(jié)果，但提升了穩(wěn)壓器性能。深藍(lán)色曲線是殘余相位噪聲測量結(jié)果，也提升了穩(wěn)壓器性能。

測量結(jié)果指出了在初始研究中并不明顯的三種常規(guī)的限制區(qū)間。低于1 kHz的頻率受限于時鐘源近載波噪聲。1 kHz至100 kHz的頻率受限于穩(wěn)壓器選擇。高于100 kHz的頻率受限于時鐘源。由于使用的時鐘是用晶體振蕩器倍頻產(chǎn)生的6GHz，滾降來自于倍頻電路中的RF濾波器，因此高于10 MHz的急劇下降來自于時鐘源。

其他的一些DAC頻率也使用了提升穩(wěn)壓器性能的殘余相位噪聲方法進(jìn)行了測量，圖9中概述了部分。這些改進(jìn)在幾個評估板上都做了復(fù)現(xiàn)，所有的情況都顯示了同樣的改進(jìn)后的結(jié)果。

圖9. 改進(jìn)了低噪聲穩(wěn)壓器性能的AD9164殘余相位噪聲測量

表1. 包含一流的噪聲密度性能的穩(wěn)壓器系列

超低噪聲穩(wěn)壓器系列的噪聲密度相似，如表1所示。正如本文所展示的，穩(wěn)壓器對DAC的相位噪聲影響是值得注意的，超低噪聲穩(wěn)壓器系列推薦用于任何要求最佳的相位噪聲性能的RF系統(tǒng)中。

結(jié)語

相位噪聲基礎(chǔ)定義的復(fù)習(xí)、絕對和殘余相位噪聲、DAC相位噪聲測量測試設(shè)置以及穩(wěn)壓器噪聲貢獻(xiàn)。

本文演示的DAC相位噪聲性能改進(jìn)包含殘余相位噪聲測量方法和最佳穩(wěn)壓器選擇。最終結(jié)果是，通過ADI公司的低噪聲穩(wěn)壓器系列對模擬電壓和時鐘電壓供電時，AD9164現(xiàn)在可支持超低相位噪聲、基于DDS的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

Bergeron，Jarrah，“分析及管理電源噪聲和時鐘抖動對高速DAC相位噪聲的影響”，《模擬對話》，第51卷，2017年。

Calosso，Claudio E.，Yannick Gruson和Enrico Rubiola，“DDS中的相位噪聲和幅度噪聲”，IEEE頻率控制專題論文集，2012年。

Jayamohan，Umesh，“為GSPS或RF采樣ADC供電;開關(guān)與LDO”。《模擬對話》，第50卷，2016年。

“11729B-1產(chǎn)品筆記，微波振蕩器的相位噪聲特性：鑒相器方法”，Agilent，2007年5月。

Reeder，Rob，“高速ADC的電源設(shè)計”，ADI公司，2012年。

Walls，Warren F.，“交叉相關(guān)相位噪聲測量”，IEEE頻率控制專題論文集，1992年。

作者簡介：

Peter Delos

Peter Delos [peter.delos@analog.com]是ADI公司航空航天和防務(wù)部的技術(shù)主管。他于1990年獲得美國弗吉尼亞理工大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位(BSEE)，并于2004年獲得美國新澤西理工學(xué)院電氣工程碩士學(xué)位(MSEE)。1990年至1997年，他為美國海軍核電站計劃工作。工作內(nèi)容包括：完成海軍核電站學(xué)校官員計劃，擔(dān)任海軍潛艇基地教師，領(lǐng)導(dǎo)康涅狄格州格羅頓的海狼級潛艇的現(xiàn)場電氣工程師。

1997年，他接受了洛克希德馬丁公司在新澤西州穆爾斯頓的一個職位，開始了一段碩果累累的職業(yè)歷程，為多個雷達(dá)和電子戰(zhàn)計劃開發(fā)接收機(jī)/激勵器和頻率合成器。這段經(jīng)驗包括架構(gòu)定義、詳細(xì)設(shè)計、快速原型開發(fā)、制造、現(xiàn)場安裝和協(xié)調(diào)多個工程專業(yè)。他的工作引領(lǐng)了相控陣接收器/激勵器從集中式架構(gòu)到陣列上數(shù)字波束合成系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變。

Jarrett Liner

Jarrett Liner [ jarret.liner@analog.com]是ADI公司航空航天和防務(wù)部(位于美國北卡羅來納州格林斯博羅)的RF系統(tǒng)應(yīng)用工程師，他在RF系統(tǒng)和元件設(shè)計方面經(jīng)驗豐富。

此前，他是軍用和航空航天領(lǐng)域SiC襯底GaN放大器應(yīng)用工程師。其先前的經(jīng)歷還包括從事13年的RF IC WLAN功率放大器和前端模塊的設(shè)計與測試工作。他曾作為電子技師在美國海軍服役6年。Jarrett于2004年獲得美國北卡羅來納州農(nóng)業(yè)技術(shù)州立大學(xué)(位于北卡羅來納州格林斯博羅)電氣工程學(xué)士學(xué)位。

當(dāng)Jarrett不在實驗室仿真電路或測量數(shù)據(jù)時，他可能在山地上騎自行車、在健身房教授自行車課程、跑步或者在庭院與他的四個孩子追逐嬉戲。