电源噪声对高速DAC相位噪声影响有多大？如何消除它？
发布日期:2022-08-25
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在所有器件特性中，噪声可能是一个特别具有挑战性、难以掌握的设计课题。本文主要介绍电源噪声对于高速DAC相位噪声的影响。
DAC相位噪声来源
对于高速DAC来说，相位噪声主要来自以下几个方面：时钟噪声、电源噪声，以及内部噪声与接口噪声。
图1：DAC相位噪声来源 （图片来源：ADI）
其中最重要的两个来源是时钟噪声与电源噪声。本文将主要介绍电源噪声对于DAC相位噪声的影响。
DAC电源相位噪声传播路径
芯片上的所有电路都必须通过某种方式供电，这就给噪声传播到输出提供了很多机会。不同电路电源噪声的传播路径也不一样，下面着重指出了几种常见的DAC电源噪声传播路径。
如下图，DAC输出端通常由电流源和MOS管组成，MOS管引导电流通过正引脚或负引脚供电。电流源从外部电源获得功率，任何噪声都会反映为电流波动。
图2：DAC电源噪声来源（图片来源：ADI）
MOS管
电流源的噪声可以经过MOS管到达输出端，但这仅解释了噪声的耦合现象。
图 3 : DAC电源噪声传播路径——MOS管（图片来源于ADI）
要“贡献”相位噪声，此噪声还需要通过MOS管混频到载波频率。这里的MOS管，相当于一个平衡混频器。
上拉电感
上拉电感是另一条噪声路径，噪声从供电轨流至输出端。
图4：DAC电源噪声传播路径——上拉电感（图片来源：ADI）
这里任何供电轨和负载的变化，都会引起电流变化，从而又一次把噪声混频到载波频率。
更多噪声传导路径
一般来说，如果开关切换能够把噪声混频到载波频率， 这些开关电路都是电源相位噪声的贡献者。
分析相位噪声
对于上面提到的混频现象，要快速模拟所有这些行为并且去改善是相当困难的。相反，通过测量电源抑制比的做法，快速了解哪些电源对噪声敏感，然后针对性地选择一些高精度低噪声的电源，才能事半功倍。
其他模拟模块也会有类似的电源抑制比的分析，比如稳压器、运算放大器和其他IC，一般都会规定电源抑制比。
电源抑制性能衡量负载对电源变化的灵敏度，可用于这里的相位噪声分析。然而，这里使用的不是抑制比，而是调制比：电源调制比(PSMR)。当然，传统的电源抑制比(PSMR) 依旧有参考意义。
我们专门调制一个噪声去测试。下一步是获得具体数据。
测量PSMR
分析相位噪声的很重要的一个方法便是测量PSMR。
典型测量PSMR测试原理图：
图5：PSMR测量（图片来源：ADI）
PSMR测量可以分成三步：调制供电轨，获取数据，分析数据。
调制供电轨
电源调制通过一个插在供电电源与负载之间的耦合电路获得，叠加上一个由信号发生器产生的正弦波信号。
获取数据
耦合电路的输出通过一个示波器监控，以监控实际电源调制。最终得到的DAC输出，由频谱分析仪检测得出。
分析数据
PSMR等于从示波器显示的电源交流分量与载波周围的调制边带电压之比。
以下是PSMR测量的几个要点：
耦合电路：耦合电路存在多种不同的耦合机制，耦合电路可以选择LC电路，电源运算放大器、变压器或专用调制电源。这里使用的方法是1:100匝数比的电流检测变压器和函数发生器。建议使用高匝数比以降低信号发生器的源阻抗。
电源调制：1.2V直流电源上叠加一个500kHz峰峰值电压38 mV信号调制所得。
图6：时钟电源调制 （图片来源：ADI）
DAC: 采用的是ADI的AD9164 。DAC时钟速度为5GSPS。所得输出在一个满量程1GHz、–35dBm载波上引起边带。
图7：调制边带（图片来源：ADI）
将功率转换为电压，然后利用调制电源电压求比值，所得PSMR为–11 dB。AD9164有八个电源，我们选择重点，关键扫描以下四个电源：1.2V时钟电源，负1.2 V和2.5V模拟电源，1.2 V模拟电源。结果图下图所示：
图8：扫描频率测得的电源PSMR（图片来源：ADI）
时钟电源是最为敏感的供电轨，然后是负1.2V和2.5V模拟电源，1.2V模拟电源则不是很敏感。加以适当考虑的话，1.2V模拟电源可由开关稳压器供电，但时钟电源完全相反：它需要由超低噪声LDO供电，以获得优质性能。
选择超低噪声的电源
LDO的选择
LDO是久经考验的稳压器，尤其适合用来实现优质噪声性能。对于敏感的电源轨道，也不是所有的LDO都可以胜任，依旧需要根据整体系统要求去选择与测试。
测试的方法是：利用此LDO的频谱噪声密度曲线和DAC PSMR测量结果去比对。
举例，某一电路，在初始的版本的时候，使用LDO ADP1740，对比LDO的频谱噪声密度曲线和DAC PSMR测量结果，如下图所示：
图9：AD9162评估板相位噪声（图片来源：ADI）
这证实了时钟电源（上图红色的点）对噪声的影响。改版后，更换使用ADP1761，某些特定频率处噪声降低多达10dB。
在Digi-Key网站，可以根据参数来筛选合适的Digi-Key LDO，其中包括直接通过PSRR (电源抑制比) 来筛选的功能。
图10：通过PSRR (电源抑制比) 筛选LDO
其他方案
但也不意味着除了LDO, 别的电源不可以用，根据整体系统要求，通过适当的LC滤波，开关稳压器也可提供电源，从而简化电源解决方案。但由于采用LC滤波器，所以应注意串联谐振，否则噪声可能变得更糟。对于谐振可通过对电路降低Q值——如给电路增加损耗性元件——加以控制。
下图显示了来自另一个设计的例子，其采用AD9162 DAC。时钟电源也是由ADP1740 LDO提供，但其后接一个LC滤波器。
图11：LC滤波器和去Q网络 （图片来源：ADI）
原理图中显示了所考虑的滤波器，RL模型表示电感，RC模型表示主滤波电容 (C1+R1)。
红圈里是原始的LC滤波电路，蓝圈是为了减小Q值额外增加的损耗性元件。
图12：LC滤波器响应（图片来源：ADI）
滤波器响应如下图所示，红线是原始的LC电路响应曲线，蓝线是改进后的响应曲线。我们看到Q值减小了。
图13：相位噪声响应（图片来源：ADI）
我们再来看看，对于相位噪声响应，蓝线是原始的LC电路响应曲线，橙线是改进后的响应曲线。相位噪声得到改进。
本文小结
噪声不仅会因为电源选择的不同而大不相同，而且可能受到输出电容、输出电压和负载影响。应当仔细考虑这些因素，尤其是对于敏感的供电轨。
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