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Optimizing Power Systems for the Signal Chain—Part 3: RF Transceivers 作者：ADI公司 Pablo Perez, Jr.，高級應用工程師 ｜ John Martin Dela Cruz，應用工程師 簡(jiǎn)介 本信號鏈電源優(yōu)化系列文章的第1部分討論了如何量化電源噪聲以確定其影響信號鏈器件的哪些參數。通過(guò)確定信號處理器件可以接受而不影響其所產(chǎn)生信號的完整性的實(shí)際噪聲限值，可以創(chuàng )建優(yōu)化的配電網(wǎng)絡(luò )(PDN)。在第2部分中，該方法被應用于高速模數和數模轉換器，證明將噪聲降低到必要水平并不一定要提高成本、增加尺寸、降低效率。這些設計參數實(shí)際上可以在一個(gè)優(yōu)化的電源解決方案中滿(mǎn)足。 本文重點(diǎn)關(guān)注信號鏈的另一部分——RF收發(fā)器。本文將探討器件對來(lái)自各電源軌的噪聲的敏感度，確定哪些器件需要額外的噪聲濾波。本文提供了一種優(yōu)化的電源解決方案，并通過(guò)將其SFDR和相位噪聲性能與當前PDN（當連接到RF收發(fā)器時(shí)）進(jìn)行比較來(lái)進(jìn)一步驗證。 優(yōu)化ADRV9009 6 GHz雙通道RF收發(fā)器的電源系統 ADRV9009是一款高集成度射頻(RF)、捷變收發(fā)器，提供雙通道發(fā)射器和接收器、集成式頻率合成器以及數字信號處理功能。這款I(lǐng)C具備多樣化的高性能和低功耗組合，可滿(mǎn)足3G、4G和5G宏蜂窩時(shí)分雙工(TDD)基站應用要求。 
圖1.ADRV9009雙通道收發(fā)器的標準評估板配電網(wǎng)絡(luò )。此設置使用一個(gè)ADP5054四通道穩壓器和四個(gè)LDO后置穩壓器來(lái)滿(mǎn)足噪聲規格，并最大限度地提高收發(fā)器的性能。目標是改善該解決方案。 圖1顯示了ADRV9009雙通道收發(fā)器的標準PDN。PDN由一個(gè)ADP5054四通道開(kāi)關(guān)穩壓器和四個(gè)線(xiàn)性穩壓器組成。這里的目標是了解配電網(wǎng)絡(luò )的哪些性能參數可以改善，同時(shí)產(chǎn)生的噪聲不會(huì )降低收發(fā)器的性能。 如本系列文章所述1,2，為了優(yōu)化PDN，量化ADRV9009對電源噪聲的敏感度是必要的。ADRV9009 6 GHz雙通道RF收發(fā)器需要如下五個(gè)不同的電源軌： ► 1.3 V模擬(VDDA1P3_AN) ► 1.3 V數字(VDDD1P3_DIG) ► 1.8 V發(fā)射器和BB (VDDA_1P8) ► 2.5 V接口(VDD_INTERFACE) ► 3.3 V輔助(VDDA_3P3) 分析 圖2顯示了模擬電源軌（VDDA1P3_AN、VDDA_1P8和VDDA_3P3）的接收器1端口PSMR結果。對于數字電源軌（VDDD1P3_DIG和VDD_INTERFACE），我們利用信號發(fā)生器能夠產(chǎn)生的最大注入紋波在輸出頻譜中未產(chǎn)生雜散，因此我們無(wú)需擔心最小化這些電源軌上的紋波。調制雜散幅度用dBFS表示，其中最大輸出功率(0 dBF)相當于50Ω系統中的7 dBm或1415.89 mV p-p。
圖2.ADRV9009收發(fā)器的模擬電源軌在接收器1處的PSMR性能 對于VDDA1P3_AN電源軌，測量是在收發(fā)器板的兩個(gè)不同分支上進(jìn)行。請注意，在圖2中，PSMR在<200kHz紋波頻率時(shí)低于0 dB，表示這些頻率下的紋波產(chǎn)生更高的相同幅度調制雜散。這意味著(zhù)在200 kHz以下，接收器1對VDDA1P3_AN電源軌產(chǎn)生的最小紋波也非常敏感。 VDDA_1P8電源軌在收發(fā)器板上分為兩個(gè)分支：VDDA1P8_TX和VDDA1P8_BB。VDDA1P8_TX電源軌在100 kHz時(shí)達到最小PSMR，約為27 dB，對應于100kHz紋波的63.25 mV p-p，產(chǎn)生2.77 mV p-p的調制雜散。VDDA1P8_BB在5 MHz紋波頻率時(shí)測量約11 dB的最小值，相當于0.136 mV p-p的注入紋波產(chǎn)生的0.038 mV p-p雜散。 VDDA_3P3數據顯示，在大約130 kHz及以下，PSMR低于0 dB，表示接收器1處的RF信號對來(lái)自VDDA_3P3的噪聲非常敏感。該電源軌的PSMR隨著(zhù)頻率提高而上升，在5 MHz達到72.5 dB。 總之，PSMR結果表明，在這些電源軌中，VDDA1P3_AN和VDDA_3P3電源軌噪聲最令人擔憂(yōu)，貢獻了ADRV9009收發(fā)器最大部分的耦合到接收器1的紋波量。
圖3.ADRV9009收發(fā)器的模擬電源軌在接收器1處的PSRR性能 圖3顯示了ADRV9009模擬電源軌的PSRR性能。VDDA1P3_AN的PSRR在最高 1MHz時(shí)保持平坦，約為60 dB；在5 MHz時(shí)略有下降，最小值為46 dB。這可以被視為5 MHz的0.127 mV p-p紋波，其產(chǎn)生0.001 mV p-p雜散，該雜散與調制RF信號一起位于LO頻率之上。 ADRV9009的VDDA1P8_BB電源軌的PSRR在5 MHz時(shí)達到約47 dB的最小值，而VDDA1P8_TX電源軌的PSRR不會(huì )低于約80 dB。在1 MHz以下的頻譜中，VDDA_3P3的PSRR高于所示的90 dB。測量在90 dB時(shí)發(fā)生削波，因為最高1 MHz的最大注入紋波為20 mV p-p——這不夠高，無(wú)法產(chǎn)生高于本振的本底噪聲的雜散。該電源軌的PSRR高于所示的1 MHz以下的情況，因為隨著(zhù)頻率提高，它在4 MHz時(shí)下降到76.8 dB，其最低值在10 kHz至10 MHz范圍內。 與PSMR結果類(lèi)似，PSRR數據表明，耦合到本振頻率（特別是高于1 MHz）的大部分噪聲來(lái)自VDDA1P3_AN和VDDA_3P3電源軌。 為了確定電源是否能夠滿(mǎn)足噪聲要求，測量直流電源的紋波輸出，并繪制一個(gè)100 Hz至100 MHz頻率范圍的波形，例如圖4所示。在該頻譜上增加一個(gè)覆蓋層：調制信號上將出現邊帶雜散的閾值。覆蓋的數據是通過(guò)在幾個(gè)參考點(diǎn)將正弦紋波注入到指定電源軌而獲得的，用以了解什么紋波水平產(chǎn)生邊帶雜散，如本系列的第1部分所討論的。 圖4至圖6中所示的閾值數據是針對收發(fā)器最敏感的三個(gè)電源軌的。圖中顯示了不同DC-DC轉換器配置、使能/未使能展頻(SSFM)、通過(guò)LDO穩壓器或低通(LC)濾波器進(jìn)行更多濾波等情況下的電源軌頻譜。這些波形是在電源板上測量，并留下了比噪聲限值低6 dB甚至更多的裕量。
圖4.為VDDA1P3_AN電源軌供電的LTM8063（不同配置）的輸出噪聲頻譜， 以及該電源軌允許的最大紋波。 測試 圖4顯示了VDDA1P3_AN電源軌的雜散閾值，以及LTM8063 μModule®穩壓器不同配置的實(shí)測噪聲頻譜。 如圖4所示，在禁用展頻(SSFM)的情況下，使用LTM8063為電源軌直接供電，在LTM8063的基波工作頻率和諧波頻率處產(chǎn)生超過(guò)閾值的紋波。具體說(shuō)來(lái)，紋波在1.1 MHz時(shí)超過(guò)限值0.57 mV，表明需要后置穩壓器和濾波器的某種組合來(lái)抑制開(kāi)關(guān)穩壓器的噪聲。 如果僅增加LC濾波器（無(wú)LDO穩壓器），則開(kāi)關(guān)頻率處的紋波剛剛達到最大允許的紋波——可能沒(méi)有足夠的設計裕量來(lái)確保收發(fā)器性能最佳。增加ADP1764 LDO后置穩壓器并開(kāi)啟LTM8063的展頻模式，可以降低整個(gè)頻譜上的基波開(kāi)關(guān)紋波幅度及其諧波，以及SSFM在1/f區域中引起的噪聲峰值。 通過(guò)開(kāi)啟SSFM并增加LDO穩壓器和LC濾波器，可以實(shí)現最佳效果，降低開(kāi)關(guān)動(dòng)作所引起的剩余噪聲，給最大允許紋波留下約18 dB的裕量。 展頻將噪聲擴散到更寬頻帶上，從而降低開(kāi)關(guān)頻率及其諧波處的峰值和平均噪聲。這是通過(guò)3 kHz三角波上下調制開(kāi)關(guān)頻率來(lái)做到的。這會(huì )在3 kHz處引入新的紋波，LDO穩壓器會(huì )進(jìn)行處理。 使能SSFM后，由此產(chǎn)生的低頻紋波及其諧波在圖5和圖6所示的VDDA_1P8和VDDA_3P3輸出頻譜中顯而易見(jiàn)。如圖5所示，使能SSFM時(shí)LTM8074的噪聲頻譜為VDDA_1P8電源軌的最大允許紋波提供最小約8 dB的裕量。因此，滿(mǎn)足此電源軌的噪聲要求不需要后置穩壓器濾波。
圖5.為VDDA_1P8電源軌供電的LTM8074（SSFM開(kāi)啟）的輸出噪聲頻譜，以及該電源軌允許的最大紋波。
圖6.為VDDA_3P3電源軌供電的LTM8074（不同配置）的輸出噪聲頻譜，以及該電源軌允許的最大紋波。 請注意電源軌對低頻紋波的敏感性，因為此噪聲可能在3.3 V供電的時(shí)鐘中引起相位抖動(dòng)。 圖6顯示了LTM8074 μModule穩壓器不同配置的噪聲頻譜，以及3.3V VDDA_3P3電源軌的最大噪聲要求。對于此電源軌，我們使用LTM8074 Silent Switcher®μModule穩壓器來(lái)分析結果。僅使用LTM8074的配置（無(wú)濾波器或LDO后置穩壓器）產(chǎn)生的噪聲超過(guò)限值，無(wú)論是否使能展頻模式。 兩個(gè)備選配置的結果符合>6 dB裕量的噪聲規格：未使能SSFM的LTM8074加上LC濾波器，以及使能SSFM的LTM8074加上LDO后置穩壓器。雖然二者均以充足的裕量滿(mǎn)足了要求，但LDO后置穩壓器解決方案在此更有優(yōu)勢。這是因為VDDA_3P3電源軌還提供3P3V_CLK1時(shí)鐘電源，因此1/f噪聲的減少相對更重要——如果不予處理，這里的噪聲可以轉化為本振中的相位抖動(dòng)。
圖7.使用LTM8063和LTM8074 μModule穩壓器的ADRV9009收發(fā)器優(yōu)化PDN 優(yōu)化解決方案 基于上述測試結果，圖7顯示了一種優(yōu)化解決方案，當用在A(yíng)DRV9009收發(fā)器板上時(shí)，它能提供>6 dB的噪聲裕量。 表1顯示了優(yōu)化PDN與標準PDN的對比。組件大小減小29.8%，效率從66.9%提高到69.9%，整體節能0.5 W。 表1.ADRV9009優(yōu)化PDN與當前PDN的比較
為了驗證該優(yōu)化電源解決方案在系統噪聲性能方面的效果，我們執行了相位噪聲測量。將圖7中的優(yōu)化解決方案與控制案例——ADRV9009評估板的工程版本，即使用圖1所示PDN的AD9378評估板——進(jìn)行比較。使用相同電路板，但采用圖7所示的PDN，比較相位噪聲結果。理想情況下，優(yōu)化解決方案達到或超過(guò)數據手冊參考曲線(xiàn)所示的性能。
圖8.ADP5054與μModule器件的PSU之間的AD9378相位噪聲性能比較， 測量條件：LO = 1900 MHz，PLL BW = 425 kHz，穩定性 = 8。 圖8比較了使用標準ADP5054電源的AD9378評估板相位噪聲結果與使用LTM8063和LTM8074電源的同一評估板的結果。相比于A(yíng)DP5054電源解決方案，μModule電源解決方案的性能略?xún)?yōu)，高出大約2 dB。如圖8和表2所示，由于外部本振使用了低相位噪聲信號發(fā)生器，兩種電源解決方案的測量結果均顯著(zhù)低于數據手冊規格。 表2.相位噪聲測量結果，LO = 1900 MHz
采用兩種電源解決方案的收發(fā)器的SFDR測量結果如表3所示，兩種方案的性能相當，除了LO = 3800 MHz，這種情況下ADP5054的開(kāi)關(guān)紋波開(kāi)始在載波信號輸出頻譜上產(chǎn)生調制雜散，如圖9所示。 表3.ADRV9009收發(fā)器SFDR性能
圖9.發(fā)射器1載波信號和電源開(kāi)關(guān)頻率引起的雜散頻率。 測量條件：LO = 3800 MHz，Fbb = 7 MHz，–10 dBm。 結論 不同應用有不同要求，評估板的配電網(wǎng)絡(luò )可能需要進(jìn)一步改進(jìn)或改變。量化信號處理IC噪聲要求的能力為電源設計或只是優(yōu)化現有電源解決方案提供了更有效的方式。對于A(yíng)DRV9009之類(lèi)的高性能RF收發(fā)器，在PDN中設置噪聲注入以確定可容許多大電源噪聲，有助于我們改進(jìn)當前PDN的空間需求、效率和至關(guān)重要的熱性能。請繼續關(guān)注本電源系統優(yōu)化系列的后續篇目。 作者簡(jiǎn)介 Pablo Perez, Jr.于2019年5月加入ADI公司，擔任ADEF高級應用工程師。他的工作經(jīng)驗包括修改和評估不同應用領(lǐng)域（工業(yè)、電信、醫療、軍事）的標準開(kāi)關(guān)模式電源，以及線(xiàn)性穩壓器、開(kāi)關(guān)穩壓器和電源管理IC的設計驗證和樣本評估。Pablo畢業(yè)于菲律賓奎松省盧塞納市的Manuel S. Enverga University Foundation, Inc.，獲得電子與通信工程學(xué)士學(xué)位。 John Martin Dela Cruz于2020年10月加入ADI公司，擔任電源應用工程師。他主要負責航空航天和防務(wù)(ADEF)電源系統。他畢業(yè)于菲律賓大學(xué)（位于菲律賓奎松市迪里曼），獲電子工程學(xué)士學(xué)位。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
