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電源噪聲對(duì)高速DAC相位噪聲影響有多大?如何消除它?

發(fā)布時(shí)間:2022-09-16 來(lái)源:DigiKey,Alan Yang 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】在所有器件特性中,噪聲可能是一個(gè)特別具有挑戰(zhàn)性、難以掌握的設(shè)計(jì)課題。本文主要介紹電源噪聲對(duì)于高速DAC相位噪聲的影響。


DAC相位噪聲來(lái)源


對(duì)于高速DAC來(lái)說(shuō),相位噪聲主要來(lái)自以下幾個(gè)方面:時(shí)鐘噪聲、電源噪聲,以及內(nèi)部噪聲與接口噪聲。


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圖1:DAC相位噪聲來(lái)源 (圖片來(lái)源:ADI)


其中最重要的兩個(gè)來(lái)源是時(shí)鐘噪聲與電源噪聲。本文將主要介紹電源噪聲對(duì)于DAC相位噪聲的影響。


深入了解ADI的DAC芯片產(chǎn)品


DAC電源相位噪聲傳播路徑


芯片上的所有電路都必須通過(guò)某種方式供電,這就給噪聲傳播到輸出提供了很多機(jī)會(huì)。不同電路電源噪聲的傳播路徑也不一樣,下面著重指出了幾種常見(jiàn)的DAC電源噪聲傳播路徑。


如下圖,DAC輸出端通常由電流源和MOS管組成,MOS管引導(dǎo)電流通過(guò)正引腳或負(fù)引腳供電。電流源從外部電源獲得功率,任何噪聲都會(huì)反映為電流波動(dòng)。


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圖2:DAC電源噪聲來(lái)源(圖片來(lái)源:ADI)


MOS管


電流源的噪聲可以經(jīng)過(guò)MOS管到達(dá)輸出端,但這僅解釋了噪聲的耦合現(xiàn)象。


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圖 3 : DAC電源噪聲傳播路徑——MOS管(圖片來(lái)源于ADI)


要“貢獻(xiàn)”相位噪聲,此噪聲還需要通過(guò)MOS管混頻到載波頻率。這里的MOS管,相當(dāng)于一個(gè)平衡混頻器。


上拉電感


上拉電感是另一條噪聲路徑,噪聲從供電軌流至輸出端。


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圖4:DAC電源噪聲傳播路徑——上拉電感(圖片來(lái)源:ADI)


這里任何供電軌和負(fù)載的變化,都會(huì)引起電流變化,從而又一次把噪聲混頻到載波頻率。


更多噪聲傳導(dǎo)路徑


一般來(lái)說(shuō),如果開(kāi)關(guān)切換能夠把噪聲混頻到載波頻率, 這些開(kāi)關(guān)電路都是電源相位噪聲的貢獻(xiàn)者。


分析相位噪聲


對(duì)于上面提到的混頻現(xiàn)象,要快速模擬所有這些行為并且去改善是相當(dāng)困難的。相反,通過(guò)測(cè)量電源抑制比的做法,快速了解哪些電源對(duì)噪聲敏感,然后針對(duì)性地選擇一些高精度低噪聲的電源,才能事半功倍。


其他模擬模塊也會(huì)有類似的電源抑制比的分析,比如穩(wěn)壓器、運(yùn)算放大器和其他IC,一般都會(huì)規(guī)定電源抑制比。


電源抑制性能衡量負(fù)載對(duì)電源變化的靈敏度,可用于這里的相位噪聲分析。然而,這里使用的不是抑制比,而是調(diào)制比:電源調(diào)制比(PSMR)。當(dāng)然,傳統(tǒng)的電源抑制比(PSMR) 依舊有參考意義。


我們專門調(diào)制一個(gè)噪聲去測(cè)試。下一步是獲得具體數(shù)據(jù)。


測(cè)量PSMR


分析相位噪聲的很重要的一個(gè)方法便是測(cè)量PSMR。


典型測(cè)量PSMR測(cè)試原理圖:


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圖5:PSMR測(cè)量(圖片來(lái)源:ADI)


PSMR測(cè)量可以分成三步:調(diào)制供電軌,獲取數(shù)據(jù),分析數(shù)據(jù)。


調(diào)制供電軌


電源調(diào)制通過(guò)一個(gè)插在供電電源與負(fù)載之間的耦合電路獲得,疊加上一個(gè)由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波信號(hào)。


獲取數(shù)據(jù)


耦合電路的輸出通過(guò)一個(gè)示波器監(jiān)控,以監(jiān)控實(shí)際電源調(diào)制。最終得到的DAC輸出,由頻譜分析儀檢測(cè)得出。


分析數(shù)據(jù)


PSMR等于從示波器顯示的電源交流分量與載波周圍的調(diào)制邊帶電壓之比。


以下是PSMR測(cè)量的幾個(gè)要點(diǎn):


●   耦合電路:耦合電路存在多種不同的耦合機(jī)制,耦合電路可以選擇LC電路,電源運(yùn)算放大器、變壓器或?qū)S谜{(diào)制電源。這里使用的方法是1:100匝數(shù)比的電流檢測(cè)變壓器和函數(shù)發(fā)生器。建議使用高匝數(shù)比以降低信號(hào)發(fā)生器的源阻抗。


●   電源調(diào)制:1.2V直流電源上疊加一個(gè)500kHz峰峰值電壓38 mV信號(hào)調(diào)制所得。


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圖6:時(shí)鐘電源調(diào)制 (圖片來(lái)源:ADI)


●   DAC: 采用的是ADI的AD9164 。DAC時(shí)鐘速度為5GSPS。所得輸出在一個(gè)滿量程1GHz、–35dBm載波上引起邊帶。


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圖7:調(diào)制邊帶(圖片來(lái)源:ADI)


將功率轉(zhuǎn)換為電壓,然后利用調(diào)制電源電壓求比值,所得PSMR為–11 dB。AD9164有八個(gè)電源,我們選擇重點(diǎn),關(guān)鍵掃描以下四個(gè)電源:1.2V時(shí)鐘電源,負(fù)1.2 V和2.5V模擬電源,1.2 V模擬電源。結(jié)果圖下圖所示:


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圖8:掃描頻率測(cè)得的電源PSMR(圖片來(lái)源:ADI)


時(shí)鐘電源是最為敏感的供電軌,然后是負(fù)1.2V和2.5V模擬電源,1.2V模擬電源則不是很敏感。加以適當(dāng)考慮的話,1.2V模擬電源可由開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器供電,但時(shí)鐘電源完全相反:它需要由超低噪聲LDO供電,以獲得優(yōu)質(zhì)性能。


選擇超低噪聲的電源


LDO的選擇


LDO是久經(jīng)考驗(yàn)的穩(wěn)壓器,尤其適合用來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)噪聲性能。對(duì)于敏感的電源軌道,也不是所有的LDO都可以勝任,依舊需要根據(jù)整體系統(tǒng)要求去選擇與測(cè)試。


測(cè)試的方法是:利用此LDO的頻譜噪聲密度曲線和DAC PSMR測(cè)量結(jié)果去比對(duì)。


舉例,某一電路,在初始的版本的時(shí)候,使用LDO ADP1740,對(duì)比LDO的頻譜噪聲密度曲線和DAC PSMR測(cè)量結(jié)果,如下圖所示:


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圖9:AD9162評(píng)估板相位噪聲(圖片來(lái)源:ADI)


這證實(shí)了時(shí)鐘電源(上圖紅色的點(diǎn))對(duì)噪聲的影響。改版后,更換使用ADP1761,某些特定頻率處噪聲降低多達(dá)10dB。


在Digi-Key網(wǎng)站,可以根據(jù)參數(shù)來(lái)篩選合適的Digi-Key LDO,其中包括直接通過(guò)PSRR (電源抑制比) 來(lái)篩選的功能。


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圖10:通過(guò)PSRR (電源抑制比) 篩選LDO


其他方案


但也不意味著除了LDO, 別的電源不可以用,根據(jù)整體系統(tǒng)要求,通過(guò)適當(dāng)?shù)腖C濾波,開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器也可提供電源,從而簡(jiǎn)化電源解決方案。但由于采用LC濾波器,所以應(yīng)注意串聯(lián)諧振,否則噪聲可能變得更糟。對(duì)于諧振可通過(guò)對(duì)電路降低Q值——如給電路增加損耗性元件——加以控制。


下圖顯示了來(lái)自另一個(gè)設(shè)計(jì)的例子,其采用AD9162 DAC。時(shí)鐘電源也是由ADP1740 LDO提供,但其后接一個(gè)LC濾波器。


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圖11:LC濾波器和去Q網(wǎng)絡(luò) (圖片來(lái)源:ADI)


原理圖中顯示了所考慮的濾波器,RL模型表示電感,RC模型表示主濾波電容 (C1+R1)。


紅圈里是原始的LC濾波電路,藍(lán)圈是為了減小Q值額外增加的損耗性元件。


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圖12:LC濾波器響應(yīng)(圖片來(lái)源:ADI)


濾波器響應(yīng)如下圖所示,紅線是原始的LC電路響應(yīng)曲線,藍(lán)線是改進(jìn)后的響應(yīng)曲線。我們看到Q值減小了。


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圖13:相位噪聲響應(yīng)(圖片來(lái)源:ADI)


我們?cè)賮?lái)看看,對(duì)于相位噪聲響應(yīng),藍(lán)線是原始的LC電路響應(yīng)曲線,橙線是改進(jìn)后的響應(yīng)曲線。相位噪聲得到改進(jìn)。


本文小結(jié)


噪聲不僅會(huì)因?yàn)殡娫催x擇的不同而大不相同,而且可能受到輸出電容、輸出電壓和負(fù)載影響。應(yīng)當(dāng)仔細(xì)考慮這些因素,尤其是對(duì)于敏感的供電軌。



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