電源噪聲會在解調器中形成混頻積
，因而可能導致線性度下降，並對PLL/VCO 中的相位噪聲性能造成不利影響。本文將詳細描述電源評估方案
，同時提供采用低壓差調節器(LDO)和開關調節器的推薦電源設計。

 

憑借雙電源和超高RF 集成度，ADRF6820 是適合討論的一款理想器件。它使用的有源混頻內核與 ADL5380 正交解調器相似
，PLL/VCO 內核與 ADRF6720 相同，因此
，本文所提供信息也可用於這些器件。另外
，電源設計也可用於要求3.3 V 或5.0 V電源、功耗相似的新型設計。

 

ADRF6820 正交解調器和頻率合成器（如圖1 所示）非常適合新一代通信係統。該器件功能豐富，包括一個高線性度寬帶I/Q 解調器、一個集成小數N 分頻PLL 和一個低相位噪聲多核VCO。另外集成一個2:1 RF 開關、一個可調諧RF 巴倫

、一個可編程RF衰減器和兩個LDO。這款高度集成的RFIC 采用6 mm × 6 mmLFCSP 封裝。

 

圖1. ADRF6820 簡化功能框圖

 

電源靈敏度

 

受shou電dian源yuan噪zao聲sheng影ying響xiang最zui大da的de模mo塊kuai為wei混hun頻pin器qi內nei核he和he頻pin率lv合he成cheng器qi。耦ou合he至zhi混hun頻pin器qi內nei核he的de噪zao聲sheng會hui形xing成cheng無wu用yong信xin號hao，結jie果guo會hui導dao致zhi線xian性xing度du和he動dong態tai範fan圍wei下xia降jiang。這zhe對dui正zheng交jiao解jie調tiao器qi尤you其qi重zhong要yao
，因yin為wei低di頻pin混hun頻pin積ji在zai目mu標biao頻pin帶dai之zhi內nei。類lei似si地di
，電dian源yuan噪zao聲sheng可ke能neng導dao致zhiPLL/VCO 相(xiang)位(wei)噪(zao)聲(sheng)性(xing)能(neng)下(xia)降(jiang)。無(wu)用(yong)混(hun)頻(pin)產(chan)物(wu)和(he)相(xiang)位(wei)噪(zao)聲(sheng)性(xing)能(neng)下(xia)降(jiang)是(shi)多(duo)數(shu)混(hun)頻(pin)器(qi)和(he)頻(pin)率(lv)合(he)成(cheng)器(qi)的(de)常(chang)見(jian)問(wen)題(ti)，但(dan)確(que)切(qie)的(de)下(xia)降(jiang)幅(fu)度(du)取(qu)決(jue)於(yu)芯(xin)片(pian)的(de)架(jia)構(gou)和(he)布(bu)局(ju)。了(le)解(jie)這(zhe)些(xie)電(dian)源(yuan)靈(ling)敏(min)度(du)有(you)利(li)於(yu)設(she)計(ji)出(chu)更(geng)加(jia)魯(lu)棒(bang)的(de)電(dian)源(yuan)
，使(shi)性(xing)能(neng)和(he)效(xiao)率(lv)達(da)到(dao)最(zui)優(you)。

 

正交解調器靈敏度

 

ADRF6820 采用一個雙平衡吉爾伯特單元有源混頻器內核
，如圖2 所示。雙平衡意味著LO 和RF 端口都采用差分驅動方式。

 

圖2. 吉爾伯特單元雙平衡有源混頻器

 

在濾波器抑製高階諧波以後，所得到的混頻器輸出為RF 和LO輸入的和與差。差項（也稱為IF 頻率）在目標頻帶之內，是所需信號。和項在頻帶之外，要進行濾波處理。

 

 

理想情況下，隻有所需RF 和LO 信xin號hao會hui輸shu入ru混hun頻pin器qi內nei核he
，但dan很hen少shao是shi這zhe種zhong情qing況kuang。電dian源yuan噪zao聲sheng可ke能neng耦ou合he到dao混hun頻pin器qi輸shu入ru中zhong並bing表biao現xian為wei混hun頻pin雜za散san。根gen據ju噪zao聲sheng耦ou合he源yuan的de不bu同tong
，混hun頻pin雜za散san的de相xiang對dui幅fu度du可ke能neng不bu同tong。圖tu3 所示為一種示例混頻器輸出頻譜

，其中
，由於電源噪聲的耦合
，其與有用信號的混頻產物也出現在輸出頻譜上。在圖中，CW 對應於耦合到供電線路的連續波或正弦信號。比如
，噪聲可能是來自600 kHz 或1.2 MHz 開關調節器的時鍾噪聲。電源噪聲可能導致兩個不同的問題
；如果噪聲耦合到混頻器輸出，CW 音將沒有經過任何頻率轉換，出現在輸出端。如果耦合發生在混頻器輸入端，則CW 音會調製RF 和LO 信號

，並在IF ± CW 產生積。

 

圖3. 電源噪聲耦合條件下的示例混頻器輸出頻譜

 

這些混頻積可能接近目標IF 信號，因此
，要濾除它們是很困難的
，動態範圍損失是不可避免的。正交解調器尤其如此

，因為它們的基帶是複數且以直流為中心。ADRF6820 的解調帶寬範圍為直流至600 MHz。如果用噪聲頻率為1.2 MHz 的開關調節器驅動混頻器內核，則無用混頻積會出現在IF ± 1.2 MHz。

 

頻率合成器靈敏度

 

本文末尾的參考文獻針對電源噪聲如何影響集成PLL和VCO提供了非常有價值的信息。其原理適用於采用相同架構的其他設計，但不同的設計需要單獨進行電源評估。例如，ADRF6820VCO 電源上的集成LDO 比不采用集成LDO 的PLL 電源具有更強的噪聲抑製能力。

 

ADRF6820 電源域和功耗

 

ADRF6820 電源域和功耗

 

ADRF6820 的每個主要功能模塊都有自己的電源引腳。兩個域由5 V 電源供電。VPMX 驅動混頻器內核，VPRF 驅動RF 前端和輸入開關。其他域由3.3 V 電源供電。VPOS_DIG 驅動一個集成LDO，後者輸出2.5 V 以驅動SPI 接口、PLL 的Σ-Δ 調製器和頻率合成器的FRAC/INT 分壓器。VPOS_PLL 驅動PLL 電路，包括參考輸入頻率(REFIN)
、相位頻率檢測器(PFD)和電荷泵(CP)。VPOS_LO1 和VPOS_LO2 驅動LO 路徑
，包括基帶放大器和直流偏置基準電壓源。VPOS_VCO 驅動另一個集成LDO，後者輸出2.8 V 以驅動多核VCO。該LDO 對降低對電源噪聲的靈敏度十分重要。

 

ADRF6820 可配置為多種工作模式。正常工作模式下，采用2850 MHz LO 時，功耗小於1.5 mW。降低偏置電流會同時降低功耗和性能。增加混頻器偏置電流會提高混頻器內核的線性度並改善IIP3，但dan會hui降jiang低di噪zao聲sheng係xi數shu
，增zeng加jia功gong耗hao。如ru果guo噪zao聲sheng係xi數shu非fei常chang重zhong要yao，可ke以yi降jiang低di混hun頻pin器qi偏pian置zhi電dian流liu

，結jie果guo可ke減jian少shao混hun頻pin器qi內nei核he中zhong的de噪zao聲sheng並bing降jiang低di功gong耗hao。類lei似si地di，輸shu出chu端duan的de基ji帶dai放fang大da器qi對dui低di阻zu抗kang輸shu出chu負fu載zai具ju有you可ke變bian電dian流liu驅qu動dong能neng力li。低di輸shu出chu阻zu抗kang負fu載zai要yao求qiu較jiao高gao的de電dian流liu驅qu動dong，功gong耗hao也ye更geng高gao。數shu據ju手shou冊ce列lie出chu了le一yi些xie數shu據ju表biao，其qi中zhong展zhan示shi了le各ge種zhong工gong作zuo模mo式shi下xia的de功gong耗hao。

 

測量步驟和結果

 

供電軌上的噪聲耦合會在CW 和IF ± CW 時產生無用噪聲。要模擬該噪聲耦合情形
，在每個電源引腳上施加一個CW 音，測量所形成的混頻積相對於輸入CW 音的幅度。把該測量值記為電源抑製能力，單位為dB。電源抑製因頻率而異，因此，要對30 kHz 至1 GHz 的CW 頻率進行掃描
，以捕捉到具體的行為數據。目標頻帶內的電源抑製能力決定了是否需要濾波。PSRR 計算方法如下：

 

   CW PSRR in dB = input CW amplitude (dBm) – measured CW feedthrough at I/Q output (dBm)

 

   (IF ± CW) PSRR in dB = input CW amplitude (dBm) – measured IF ± CW feedthrough at I/Q output (dBm)

 

   (IF + CW) in dBm = (IF – CW) dBm, as CW tones modulated around the carrier have equal amplitudes

 

實驗室設置

 

圖4 所示為實驗室設置。向網絡分析儀施加一個3.3 V 或5 V 直流源，以產生失調為3.3 V 或5 V 的掃頻連續正弦信號。將該信號施加到RFIC 上的各個供電軌。兩個信號發生器提供RF 和LO輸入信號。測量頻譜分析儀的輸出。

 

圖4. ADRF6820 PSRR 測量設置

 

測量步驟

 

無用混頻積的幅度取決於芯片的電源抑製性能，以及評估板上去耦電容的大小和位置。圖5 所示為輸出端(IF + CW)音的幅度，其中
，電源引腳上給定0 dB 的正弦信號。無去耦電容時
，無用音的幅度在–70 dBc 和–80 dBc 之間。數據手冊建議在板正麵器件旁邊設置一個100 pF 的電容
，在背麵設置一個0.1 μF 的電容。從圖中可以看到這些外部去耦電容的諧振。16 MHz 處的瞬變是0.1 μF 電容諧振的結果（寄生電感為1 nH）。356 MHz 處的瞬變是100 pF 電容諧振的結果（兩個電容的寄生電感均為2 nH）。500 MHz 處的瞬變是100 pF 電容諧振的結果（寄生電感為1nH）。

 

圖5. IF ± CW去耦電容諧振的影響

 

結果

 

測量了基帶輸出端的供電軌上幹擾信號(CW)和調製信號(IF ± CW)的幅度。在被測供電軌上引入了噪聲，其他電源則保持潔淨。圖6 所示為在電源引腳上注入0 dB 正弦信號並在30 kHz 至1 GHz 範圍內掃頻時(IF ± CW)音的幅度。圖7 所示為從CW 音到基帶輸出的饋通。

 

圖6. (IF ± CW)音的PSRR

 

圖7. CW音的PSRR

 

分析

 

圖中提供了各電源引腳處的電源靈敏度數據，這些數據非常有用。VPOS_PLL 具有最差電源抑製性能，因此，是最靈敏的電源節點。該電源引腳驅動PLL 電路，包括參考輸入頻率、相位頻率檢測器和電荷泵。這些靈敏的功能模塊決定著LO 信號的精度和相位性能，因此
，其上耦合的任何噪聲都會直接傳播到輸出端。

 

同理，可以認為VCO 電源也是一個非常重要的節點。從圖中可以看出，VPOS_VCO 的抑製性能遠遠優於VPOS_PLL。這是實際驅動VCO 的內置LDO 造成的結果。LDO 將VCO 與外部引腳上的噪聲隔離開，同時為其提供固定噪聲頻譜密度。PLL 電源無LDO
，因而是最敏感的供電軌。可見，將其與潛在噪聲耦合相隔離對於獲得最佳性能至關重要。

 

PLL 環路濾波器會衰減高CW 頻率，因此，VPOS_PLL 在低頻下的靈敏度較差，當頻率從30 kHz 掃描至1 GHz 時會緩慢改善。在較高頻率下
，幹擾音的幅度會衰減
，注入PLL 的功率水平顯著降低。可見，VPOS_PLL 的高頻電源抑製性能優於其他電源域。環路濾波器組件是針對20 kHz 配置的，如圖8 所示。

 

供電軌（從靈敏度最高到最低）為：VPOS_PLL、VPOS_LO2、VPOS_VCO、VPOS_LO1、VPOS_DIG、VPMX 和VPRF。

 

圖8. 針對20 kHz 環路帶寬配置的PLL 環路濾波器

 

電源設計

 

經過前麵的討論，我們對ADRF6820 在各種模式下的最大功耗以及各電源域的靈敏度有了較好的理解，我們利用開關調節器和LDO 來設計電源管理解決方案，以決定兩種電源解決方案的可行性。首先，把一個6 V 源調節至5 V 和3.3 V，供ADRF6820供電軌使用。圖9 所示為針對VPMX 和VPRF 的5 V 電源設計。ADP7104 CMOS LDO 最多可以提供500 mA 的負載電流。ADP2370 低靜態電流降壓開關調節器可以在1.2 MHz 或600 kHz 下工作。在開關調節器輸出端增加了額外的濾波理，以衰減開關噪聲。ADP2370 最高可以提供800 mA 的負載電流。ADRF6820 的5 V 供電軌可以由ADP7104 或ADP2370 驅動。在每個電源引腳上施加額外的去耦和濾波處理。

 

圖9. 5 V 電源設計

 

圖10 所示為3.3 V 電源設計。源電壓仍為6.0 V，但一個額外的LDO 使源電壓降至中間電壓
，然後，源電壓進一步降至3.3 V。需要一個額外級以減少功率損耗
，因為一個直接降壓至3.3 V 的6 V 源電壓工作時的最大效率為55%。開關調節器路徑不需要中間級，因為其脈衝寬度調製(PWM)架構可降低功率損耗。

 

3.3 V 設計允許進行更多實驗。除了用一個LDO 或開關調節器驅動3.3 V 供電軌以外
，VPOS_PLL 供電軌有額外LDO 選項
，VPOS_DIG 供電軌有一個可選的隔離式LDO。由於PLL 電源靈敏度最高
，因此
，我們嚐試了三種電源解決方案，每一種都有不同的輸出噪聲：ADP151 3.3 V 超低噪聲CMOS LDO，輸出噪聲為9 μV

；ADP7104 3.3 V 低噪聲CMOS LDO，輸出噪聲為15 μV rms；ADP2370 3.3 V 降壓調節器。我們希望確定仍能維持所需相位噪聲性能的最高電源噪聲。最高性能、最低噪聲LDO是不可或缺的嗎？

 

另外還嚐試在VPOS_DIG 供電軌上采用 ADP121 3.3 V 低噪聲CMOS LDO，以確定數字噪聲是否會影響性能。受SPI 接口開關影響，數字供電軌的噪聲一般高於模擬電源。我們希望確定3.3 V 數字電源是需要自己的LDO，還是可以直接耦合到模擬電源。我們選擇ADP121 作為低成本解決方案。

 

圖10. 3.3 V 電源設計

 

結論和推薦電源設計

 

對於VPOS_PLL（最靈敏的供電軌）
，低成本的ADP151 LDO可以實現與ADP7104 高性能
、低噪聲LDO 相同的相位噪聲
，如圖11 所示。然而
，在采用ADP2370 開關調節器時，性能下降

，如圖12 所示。噪聲波峰由開關調節器導致，在其輸出端可見，如圖13 所示。因此，VPOS_PLL 最多可以承受15 μV rms的噪聲而不造成集成相位噪聲性能下降，但不能使用開關調節器來驅動該引腳。使用性能更高
、噪聲更低的LDO 並未帶來好處。

 

圖11. 使用ADP151 和ADP7104 時的集成相位噪聲

 

圖12. 使用ADP151 和ADP2370 時的集成相位噪聲

 

在用開關調節器或LDO 驅動剩餘供電軌時，可維持良好的相位噪聲性能，如圖14 所示。5 V 供電軌引腳VMPX 和VPRF 可以相連並用單電源供電。3.3 V 電源引腳VPOS_LO1、VPOS_LO2和VPOS_VCO 也可相連並用單電源供電。VPOS_DIG 不需要獨立的LDO，可以連接模擬3.3 V 電源。

 

圖13. ADP2370 的輸出頻譜

 

圖14. 開關與LDO 噪聲係數

 

推薦電源設計（如圖15 所示）采用6 V 源電壓，包括ADP7104 5.0 V 和ADP7104 3.3 V LDO。該解決方案隻使用了LDO
，因為源電壓接近所需的電源電壓。功效處於可接受水平
，因此
，無需額外增添濾波元件和開關調節器。

 

推薦的電源設計（如圖16 所示）采用12 V 源電壓
，包括兩個開關調節器和一個LDO。源電壓遠遠大於所需電源電壓，因此使用了開關調節器來提高功效。除靈敏的VPOS_PLL 電源以外的所有電源引腳都可用開關調節器供電。ADP7104 或ADP151均可用於VPOS_PLL。

 

圖15. 6 V 源電壓的推薦電源設計

 

圖16. 12 V 源電壓的推薦電源設計

 

參考電路

 

電路筆記CN0147，利用低噪聲LDO 調節器為小數N 分頻壓控振蕩器(VCO)供電
，以降低相位噪聲， ADI 公司，2010 年。

 

Collins, Ian. 集成PLL 和VCO[第2 部分]. Radio-Electronics.com

，2010 年11 月。

 

調製器/解調器

 

線性穩壓器

 

開關穩壓器

 

 

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