電源調(diào)制比揭秘：PSMR與PSRR有何不同？

導(dǎo)言和定義

電源調(diào)制比與眾所周知的電源抑制比(PSRR)相似，但有一個(gè)關(guān)鍵不同點(diǎn)。PSRR衡量電源缺陷直接耦合到器件輸出的程度。PSMR衡量電源缺陷（紋波和噪聲）如何被調(diào)制到RF載波上。

下面的“原理”部分引入了一個(gè)將PSMR與電源缺陷相關(guān)聯(lián)的傳遞函數(shù)H(s)，用以定量地說(shuō)明電源缺陷如何被調(diào)制到載波上。H(s)具有幅度和相位兩個(gè)分量，可以隨著頻率和器件工作條件而變化。盡管變量很多，但一旦確定其特征，便可以利用電源調(diào)制比并根據(jù)電源數(shù)據(jù)手冊(cè)中的紋波和噪聲規(guī)格來(lái)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電源的相位噪聲和雜散貢獻(xiàn)。

原理

考慮用于RF器件的直流電源上的紋波。電源紋波用一個(gè)正弦波信號(hào)來(lái)模擬，其峰峰值電壓以直流輸出為中心。該正弦波被調(diào)制到RF載波上，在等于正弦波頻率的頻率偏移處產(chǎn)生雜散信號(hào)。

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

      雜散水平與正弦波幅度和RF電路靈敏度均有關(guān)系。雜散信號(hào)可以進(jìn)一步分解為幅度調(diào)制分量和相位調(diào)制分量?？傠s散功率水平等于幅度調(diào)制(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)于這里的討論，H(s)是從電源缺陷到RF載波上的干擾調(diào)制項(xiàng)的傳遞函數(shù)。H(s)同樣有AM和PM兩個(gè)分量。H(s)的AM分量是Hm(s)，H(s)的PM分量是H?(s)。以下等式利用H(s)進(jìn)行實(shí)際RF測(cè)量，假設(shè)低電平調(diào)制可用來(lái)模擬電源對(duì)RF載波的影響。

信號(hào)的幅度調(diào)制可以寫成

幅度調(diào)制分量m(t)可以寫成

其中fm是調(diào)制頻率

RF載波的AM調(diào)制電平可以直接與電源紋波相關(guān)，關(guān)系式如下：

vrms是電源電壓的交流分量的均方根值。等式3是關(guān)鍵等式，它提供了一種計(jì)算電源紋波引起的RF載波AM調(diào)制的機(jī)制。

雜散電平可以通過(guò)幅度調(diào)制來(lái)計(jì)算

類似地可以寫出電源對(duì)相位調(diào)制的影響。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)，關(guān)系式如下：

等式7是提供了一種計(jì)算電源紋波引起的RF載波PM調(diào)制的機(jī)制。相位調(diào)制引起的雜散電平為

為了幫助可視化mrms和?rms的雜散影響，圖2顯示了雜散電平與mrms和?rms的關(guān)系。

圖2.雜散電平與mrms和?rms的關(guān)系

      總結(jié)一下上面的討論，電源上的紋波轉(zhuǎn)換為電源電壓交流項(xiàng)的均方根電壓vrms的調(diào)制項(xiàng)mrms和?rms。Hm(s)和H?(s)分別是從vrms到mrms和?rms的傳遞函數(shù)。

      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電壓噪聲密度也會(huì)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RF載波上產(chǎn)生相位噪聲。

同樣，如果我們考慮一個(gè)具有相位調(diào)制的信號(hào)x(t)，那么

在這種情況下，?(t)是一個(gè)噪聲項(xiàng)。

功率譜密度定義為

單位是

相位噪聲依據(jù)功率譜密度來(lái)定義

      接下來(lái)，對(duì)于電源紋波引起的相位調(diào)制所產(chǎn)生的雜散，將同樣的H? (s)應(yīng)用于相位噪聲。 在這種情況下，H? (s)用于計(jì)算電源上1/f噪聲產(chǎn)生的相位噪聲。

測(cè)量實(shí)例

      為了演示上述原理，我們表征了HMC589A RF放大器的電源靈敏度和相位噪聲，利用多個(gè)電源測(cè)量了這些量。用于表征的HMC589A評(píng)估電路如圖4所示。

   圖4.使用HMC589A放大器來(lái)演示PSMR原理。

       為了表征電源靈敏度，將一個(gè)正弦波注入5 V電源。正弦波在RF上產(chǎn)生雜散信號(hào)，以dBc來(lái)衡量雜散信號(hào)大小。雜散內(nèi)容進(jìn)一步分解為AM分量和PM分量。采用Rohde ＆ Schwarz 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(guò)AM和PM噪聲測(cè)量來(lái)衡量，并使能雜散測(cè)量。結(jié)果列成表格，測(cè)試條件為3.2 GHz，RF輸入為0 dBm。

表1.HMC589A表征雜散與電源正弦波紋波的關(guān)系，3.2 GHz，0 dBm輸入功率

       測(cè)試數(shù)據(jù)表明，RF放大器的電源靈敏度可以利用正弦波調(diào)制憑經(jīng)驗(yàn)測(cè)量，結(jié)果可用來(lái)預(yù)測(cè)電源噪聲對(duì)相位噪聲的貢獻(xiàn)。更一般地，這可以擴(kuò)展到任何RF器件。這里我們用放大器表征和測(cè)量來(lái)演示原理。

      首先，使用一個(gè)噪聲相當(dāng)高的電源。測(cè)量噪聲密度。基于表征的H? (s)計(jì)算電源對(duì)相位噪聲的貢獻(xiàn)，并與相位噪聲測(cè)量值進(jìn)行比較。使用Rhode & Schwarz FSWP26進(jìn)行測(cè)量。噪聲電壓通過(guò)基帶噪聲測(cè)量來(lái)衡量。利用測(cè)試裝置的內(nèi)部振蕩器測(cè)量加性相位噪聲，以此來(lái)衡量放大器殘余相位噪聲。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(jiàn)的噪聲都會(huì)在交互相關(guān)算法中予以消除。這樣，用戶便可實(shí)現(xiàn)非常低電平的殘余噪聲測(cè)量。

圖5.采用交互相關(guān)方法的放大器殘余相位噪聲測(cè)試設(shè)置。

圖6.使用高噪聲電源進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證。

      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。很明顯，在100 Hz到100 kHz偏移之間，相位噪聲主要由電源決定，關(guān)于電源貢獻(xiàn)的預(yù)測(cè)非常準(zhǔn)確。

       用另外兩個(gè)電源重復(fù)該測(cè)試。結(jié)果如圖7所示。同樣，電源對(duì)相位噪聲的貢獻(xiàn)是完全可以預(yù)測(cè)的。

圖7.用另外兩個(gè)電源驗(yàn)證該技術(shù)。

       低相位噪聲器件表征的一個(gè)常見(jiàn)挑戰(zhàn)是要確保測(cè)量結(jié)果屬于器件而非周圍環(huán)境。為了消除測(cè)量中的電源貢獻(xiàn)，使用ADM7150 低噪聲穩(wěn)壓器。從數(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)量結(jié)果如圖8所示。

圖8.低噪聲穩(wěn)壓器ADM7150的噪聲電壓密度

       表2列出了一系列低噪聲穩(wěn)壓器及其關(guān)鍵參數(shù)。這里給出的器件都非常適合為低相位噪聲RF設(shè)計(jì)中的RF器件供電；相關(guān)條件和特性曲線請(qǐng)參閱數(shù)據(jù)手冊(cè)。數(shù)據(jù)手冊(cè)中包括了多個(gè)偏移頻率下的噪聲密度和PSRR曲線。表中顯示了10 kHz偏移的噪聲密度，因?yàn)樵搮^(qū)域?qū)υS多穩(wěn)壓器而言通常存在限制。所示的PSRR對(duì)應(yīng)于1 MHz偏移，因?yàn)樵S多線性穩(wěn)壓器在這些偏移處會(huì)失去抑制能力，需要額外的濾波。

       表2.低噪聲穩(wěn)壓器系列最適合低相位噪聲RF設(shè)計(jì)

      從ADM7150供電時(shí)，HMC589A殘余相位噪聲測(cè)試的結(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，其本底噪聲低于-170 dBc / Hz，并且此性能一直保持到10 kHz偏移。

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

描述電源特性的系統(tǒng)化方法

      低相位噪聲應(yīng)用的電源設(shè)計(jì)通常會(huì)不加考慮地選擇可用的最佳穩(wěn)壓方案，而無(wú)視實(shí)際最低規(guī)格，這會(huì)導(dǎo)致過(guò)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)，性能、成本和復(fù)雜性必須優(yōu)化，過(guò)度設(shè)計(jì)可能是一種不受歡迎的浪費(fèi)。

      下面是一種定量推導(dǎo)電源規(guī)格的方法：

      ?用正弦波調(diào)制電源以表征H(s)。H(s)將是頻率的函數(shù)，每十倍頻程測(cè)試一次。

      ?分配電源對(duì)雜散和相位噪聲的貢獻(xiàn)，在RF規(guī)格之下留一定的裕量。

      ?計(jì)算電源噪聲規(guī)格，

      上述第一步中的一個(gè)重要事項(xiàng)是了解Hm(s)和H?(s)在設(shè)計(jì)預(yù)期的工作條件下如何變化。在HMC589A表征中，此變化是在若干功率水平下進(jìn)行測(cè)量，如圖10所示。

圖10.Hm (s)和H? (s)的變化與偏移頻率和功率水平的關(guān)系，使用HMC589A評(píng)估電路，頻率為3.2 GHz。

結(jié)語(yǔ)

      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，但很少有人充分理解其定量影響。利用本文所述的系統(tǒng)化方法，工程師可以按部就班地量化電源對(duì)期望RF性能的影響，從而做出明智的電源選擇。

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作者簡(jiǎn)介

      Peter Delos是ADI公司航空航天和防務(wù)部門的技術(shù)主管，在美國(guó)北卡羅萊納州格林斯博羅工作。他于1990年獲得美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位，并于2004年獲得美國(guó)新澤西理工學(xué)院電氣工程碩士學(xué)位。Peter擁有超過(guò)25年的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)。其職業(yè)生涯的大部分時(shí)間花在高級(jí)RF/模擬系統(tǒng)的架構(gòu)、PWB和IC設(shè)計(jì)上。他目前專注于面向相控陣應(yīng)用的高性能接收器、波形發(fā)生器和合成器設(shè)計(jì)的小型化工作。