广告

优化信号链的电源系统之一:多少电源噪声可以接受?

时间:2021-06-11 作者:Patrick Errgy Pasaquian,Pablo Perez 阅读:
本文概述如何量化信号处理链中负载的电源噪声灵敏度以及如何计算最大可接受电源噪声。还会讨论测量设置。最后,我们将讨论一些满足电源域灵敏度和现实电源噪声需求的策略。本系列的后续文章将深入详细探讨如何优化ADC、DAC和RF收发器的配电网络(PDN)。
广告

简介

从5G到工业应用,随着收集、传送和存储的数据越来越多,也在不断扩大模拟信号处理器件的性能极限,有些甚至达到每秒千兆采样。由于创新的步伐从未放缓,下一代电子解决方案将使解决方案体积进一步缩少,电源效率持续提高,并对噪声性能提出更高的要求。

人们可能认为应当最大限度地减少或隔离各电源域(模拟、数字、串行数字和数字输入输出(I/O))中产生的噪声,以实现出色的动态性能,但追求绝对最小噪声可能会使研究的收益递减。设计人员如何知道电源的噪声性能是否足够?首先要量化器件的灵敏度,使电源频谱输出与该电源域要求匹配。知识就是力量:通过避免过度设计来节约设计时间,对设计会有很大的帮助。

本文概述如何量化信号处理链中负载的电源噪声灵敏度以及如何计算最大可接受电源噪声。还会讨论测量设置。最后,我们将讨论一些满足电源域灵敏度和现实电源噪声需求的策略。本系列的后续文章将深入详细探讨如何优化ADC、DAC和RF收发器的配电网络(PDN)。

了解并量化信号处理负载对电源噪声的灵敏度

电源优化的第一步是研究分析模拟信号处理器件对电源噪声的真正灵敏度。其中包括了解电源噪声对关键动态性能规格的影响,以及电源噪声灵敏度的表征 — 即,电源调制比(PSMR)和电源抑制比(PSRR)。

PSMR和PSRR表明是否具有良好的电源抑制特性,但仅凭它们并不足以确定纹波应有多低。本文介绍如何利用PSMR和PSRR确定纹波容限阈值或最大允许电源噪声。只有确定与电源频谱输出相匹配的阈值才可能实现优化电源系统设计。如果确保电源噪声低于其最大规格值,则优化电源不会降低每个模拟信号处理器件的动态性能。

电源噪声对模拟信号处理器件的影响

应了解电源噪声对模拟信号处理器件的影响。这些影响可通过三个测量参数进行量化:

●无杂散动态范围(SFDR)

●信噪比(SNR)

●相位噪声(PN)

了解电源噪声对这些参数的影响是优化电源噪声规格的第一步。

无杂散动态范围(SFDR)

电源噪声可耦合到任何模拟信号处理系统的载波信号中。电源噪声的影响取决于其相对于频域中载波信号的强度。一种测量方法是SFDR,它代表能与大干扰信号区分开来的最小信号 — 具体来讲,就是载波信号的幅度与最高杂散信号幅度的比值,不管它在频谱的哪个位置,都得出下式:

 

 

载波信号

杂散信号

SFDR = 无杂散动态范围(dB)

载波信号 = 载波信号幅度的均方根值(峰值或满量程)

杂散信号 = 频谱中最高杂散幅度的均方根值

 

1.使用(a)干净电源和(b)噪声电源两种情况下,AD9208高速ADCSFDR

SFDR可以相对于满量程(dBFS)或载波信号(dBc)来指定。电源纹波耦合到载波信号可产生干扰杂散信号,这会降低SFDR。图1比较了采用干净电源和噪声电源供电两种情况下,AD9208高速ADC的SFDR性能。在这种情况下,当1 MHz电源纹波作为调制杂散出现在ADC的快速傅立叶变换(FFT)频谱输出的载波频率附近时,电源噪声会使SFDR降低约10 dB。

信噪比(SNR)

SFDR取决于频谱中的最高杂散,而SNR则取决于频谱内的总噪声。SNR限制模拟信号处理系统识别低振幅信号的能力,并且理论上受系统中转换器分辨率的限制。SNR在数学上定义为载波信号电平与所有噪声频谱分量(前五次谐波和直流除外)之和的比值,其中:

 

SNR = 信噪比(dB)

载波信号 = 载波信号的均方根值(峰值或满量程)

频谱噪声 = 除前五次谐波之外的所有噪声频谱分量的均方根和

噪声电源通过在载波信号中耦合并在输出频谱中添加噪声频谱分量,可降低SNR。如图2所示,当1 MHz电源纹波在FFT输出频谱中产生频谱噪声分量时,AD9208高速ADC的SNR从56.8 dBFS降低到51.7 dBFS。

相位噪声(PN)

相位噪声是衡量信号频率稳定性的参数。理想情况下,振荡器应能够在一定时间段内产生一组特定的稳定频率。但是在现实世界中,信号中总是存在一些小的干扰幅度和相位波动。这些相位波动或抖动分布在频谱中的信号两侧。

相位噪声可采用多种方式定义。在本文中,相位噪声定义为单边带(SSB)相位噪声,这是一种常用定义,其使用载波信号偏移频率的功率密度与载波信号总功率的比值,其中:

SSB PN = 单边带相位噪声(dBc/Hz)

边带功率密度 = 载波信号偏移频率下每1 Hz带宽的噪声功率(W/Hz)

载波功率 = 总载波功率(W)

2.使用(a)干净电源和(b)噪声电源两种情况下,AD9208高速ADCSNR。

3.(a) 输出噪声量有显著差异的两个不同电源。(b) 分别由这两个电源供电时,ADRV9009产生的相位噪声性能。

对于模拟信号处理器件,通过时钟电源电压耦合到器件时钟中的电压噪声会产生相位噪声,进而影响内部本振(LO)的频率稳定性。这扩大了频谱中LO频率的范围,增加了与载波相对应的偏移频率下的功率密度,从而增加了相位噪声。

图3比较了由两个不同电源供电时ADRV9009收发器的相位噪声性能。图3a显示两个电源的噪声频谱,图3b显示产生的相位噪声。两个电源都基于采用展频(SSFM)的LTM8063 µModule®稳压器。 SSFM的优势在于,通过将基频分布在一定范围内,可改善转换器的基波开关频率及其谐波的噪声性能。从图3a中可以看出这一点 — 注意在1 MHz及其谐波处具有相对较宽的噪声峰值。需要权衡考量的一点是,SSFM的三角波调制频率会产生低于100 kHz的噪声 — 注意峰值从2 kHz左右开始。

备用电源添加一个低通滤波器以抑制高于1 MHz的噪声,添加一个ADP1764低压差(LDO)后置稳压器以减少整体本底噪声,特别是低于10 kHz的噪声(主要是SSFM产生的噪声)。由于额外滤波,整体电源噪声获得改善,从而增强了10 kHz偏移频率以下的相位噪声性能,如图3b所示。

模拟信号处理器件的电源噪声灵敏度

负载对电源纹波的灵敏度可以通过两个参数来量化:

●电源抑制比(PSRR)

●电源调制比(PSMR)

电源抑制比(PSRR)

PSRR表示器件在一定频率范围内衰减电源引脚噪声的能力。通常,有两种类型的PSRR:静态(直流)PSRR和动态(交流)PSRR。直流PSRR用于衡量直流电源电压变化引起的输出失调变化。这一点几乎无需关注,因为电源系统应该会为负载提供稳定调节的直流电压。另一方面,交流PSRR表示器件在一定频率范围内抑制直流电源中交流信号的能力。

交流PSRR通过在器件的电源引脚注入正弦波信号,并观察在注入频率下出现在数据转换器/收发器输出频谱本底噪声上的误差杂散来确定(图4)。交流PSRR定义为测得的注入信号幅度与输出频谱上相应的误差杂散幅度之比,其中:

误差杂散 = 注入纹波引起的输出频谱中的杂散幅度

注入纹波 = 在输入电源引脚处耦合并测量的正弦波幅度

4.电源纹波引起的模拟信号处理器件输出频谱中的误差杂散。

图5所示为典型PSRR设置的方框图。以AD921310 GSPS高速ADC为例,在1.0 V模拟电源轨上有源耦合1 MHz、13.3 mV峰峰值正弦波。在ADC的–108 dBFS FFT频谱本底噪声之上出现相应的1 MHz数字化杂散。1 MHz数字化杂散为–81 dBFS,对应的峰峰值电压为124.8 μV,参考1.4 V峰峰值的模拟输入满量程范围。使用公式4计算1 MHz的交流PSRR,得到1 MHz的交流PSRR为40.5 dB。图6显示了AD9213 1.0 V AVDD轨的交流PSRR。

5.PSRR/PSMR测试设置的简化方框图。

 

6.1.0 V AVDD轨的AD9213高速ADC交流PSRR

电源调制比(PSMR)

PSMR对模拟信号处理器件的影响与PSRR不同。PSMR表示使用RF载波信号进行调制时,器件对电源噪声的灵敏度。这种效应可以看作是施加于器件的载波频率周围的调制杂散,表现为载波边带。

电源调制通过使用线路注入器/耦合电路将输入纹波信号与干净的直流电压相结合来实现。电源纹波作为正弦波信号从信号发生器注入电源引脚。调制到RF载波的正弦波产生边带杂散,其偏移频率等于正弦波频率。杂散水平受正弦波幅度和器件灵敏度的影响。简化的PSMR测试设置与PSRR的相同,如图5所示,但输出主要显示载波频率及其边带杂散,如图7所示。PSMR定义为电源注入纹波幅度与载波周围调制边带杂散幅度的比值,其中:

调制杂散 = 注入纹波引起的载波频率边带杂散幅度

注入纹波 = 在输入电源引脚处耦合并测量的正弦波幅度

7.电源纹波引起的载波信号中的调制边带杂散。

假设AD917512.6 GSPS高速DAC在100 MHz载波下工作,在1.0 V AVDD轨上有源耦合约3.05 mV峰峰值的10 MHz电源纹波。载波信号的边带中出现相应的24.6 μV峰峰值调制杂散,偏移频率等于约10 MHz的电源纹波频率。使用公式5计算10 MHz的PSMR,得到41.9 dB。图8显示通道DAC0在各种载波频率下的AD9175 1.0V AVDD轨PSMR。

8.1.0 V AVDD通道DAC0AD9175高速DAC PSMR

确定最大允许电源纹波

PSMR可与受电器件的基准阈值相结合,用于确定模拟信号处理器件的每个电源域的最大允许电压纹波。基准阈值本身可以是几个值之一,代表器件可容忍而不会显著影响其动态性能的允许杂散电平(由电源纹波引起)。此杂散电平可以是无杂散动态范围(SFDR),最低有效位(LSB)的百分比或输出频谱本底噪声。公式6显示最大允许输入纹波(VR_MAX)与PSMR和各器件测得的本底噪声呈函数关系,其中:

VR_MAX = 在输出频谱本底噪声中产生杂散之前各个电源轨上的最大允许电压纹波

PSMR = 目标电源轨的噪声灵敏度(dB)

阈值 = 预定义的基准阈值(本文中为输出频谱本底噪声)

例如,AD9175的输出频谱本底噪声约为1 μV峰峰值。1800 MHz载波在10 MHz纹波下的PSMR约为20.9 dB。使用公式6,器件电源引脚中可容忍而不会降低其动态性能的最大允许纹波为11.1 μV峰峰值。

图9显示LT8650S降压型Silent Switcher 稳压器(带和不带输出LC滤波器)的频谱输出和AD9175 1.0 V AVDD轨的最大允许纹波的组合结果。稳压器频谱输出包含基波开关频率及其谐波处的杂散。直接为AD9175供电的LT8650S产生超过最大允许阈值的基频,导致在输出频谱中产生调制边带杂散,如图10所示。只需添加一个LC滤波器就可以将开关杂散降至最大允许纹波以下,如图11所示。

9.LT8650S1.0 V AVDD轨上的电源频谱输出和最大允许电压纹波的关系。

 

10.AD9175 DAC01800 MHz载波频率下的输出频谱使用LT8650S DC-DC Silent Switcher转换器直接输出到AVDD

 

11.AD9175 DAC01800 MHz载波频率下的输出频谱(使用带LC滤波器电源的LT8650S)。

结论

高速模拟信号处理器件出色的动态性能很容易被电源噪声削弱。为了避免系统性能下降,必须充分了解信号链对电源噪声的灵敏度。这可通过设定最大允许纹波来确定,最大允许纹波对于配电网络(PDN)设计至关重要。知道最大允许纹波阈值后,就可以采用各种方法来设计优化电源。如果最大允许纹波具有良好的裕度,则PDN不会降低高速模拟信号处理器件的动态性能。

参考资料

Delos, Peter. "电源调制比揭秘:PSMR与PSRR有何不同?"ADI公司,2018年12月。

Delos, Peter and Jarrett Liner. "改进的DAC相位噪声测量支持超低相位噪声DDS应用." 模拟对话,第51卷第3期,2017年8月。

"数据转换基本指南." ADI公司

Jayamohan, Umesh. "为GSPS或RF采样ADC供电:开关与LDO." ADI公司,2015年11月。

Limjoco、Aldrick、Patrick Errgy Pasaquian和Jefferson Eco。 "Silent Switcher µModule稳压器为GSPS采样ADC提供低噪声供电,并节省一半空间." ADI公司,2018年10月。

Naeem、Naveed和Samantha Fontaine。 "带内部旁路电容的数据采集μModule器件的PSRR特性表征." 《模拟对话》,第54卷第3期,2020年7月。

作者: Patrick Errgy Pasaquian,高级应用工程师;Pablo Perez, Jr.高级应用工程师

责编:Amy Guan

 

本文为EET电子工程专辑 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
  • 盘点21世纪消失的10大模拟设计老牌厂商 模拟半导体行业的并购行为风靡一时。在跨越了20世纪最后三十年的黄金时代之后,模拟设计创新于21世纪之交开始整合并购的新时代。尽管每起收购都各具特色,但纵观全局,无外乎数字玩家想要增强其模拟专业知识,或者模拟公司追求扩展其产品组合。
  • 纳芯微科创板IPO申请获受理,募资7.5亿用于信号链芯片研 纳芯微原是一家新三板挂牌公司,2016年8月11日公司挂牌新三板,2018年9月19日起在股转系统终止挂牌。招股书显示,在参与纳芯微融资的队伍中,涌现了一批知名产业资本的身影,如国家大基金子公司聚源聚芯、中芯国际、深创投以及小米长江产业基金等……
  • ST全新MCU产品线进入“32美分家族”,今年STM32峰会还透 32美分/颗 MCU,这个价格对于意法半导体(ST)来说并不是一个新概念,早在十年前SM32F0发布的时候就已经有了。但今年年内将会发布的这款STM32G0新品,是一个全新产品线将进入32美分家族。在2021 STM32中国峰会上,意法半导体副总裁,中国区总经理曹志平还谈到了ST在面对当前供应链紧张局势下所做的努力……
  • 隔空智能:全球首款可探测呼吸的5.8GHz微波雷达存在感应 酒店客人离开客房后未关闭空调等电器,每年带来的电力损耗十分惊人,如何在不侵犯隐私的前提下,确认房间内是否有人,成了节电的关键。当前市面上的人体运动侦测传感器,普遍不能有效检测静态的人体呼吸,因为人体呼吸心跳动作幅度小,雷达信号弱,但很有规律,要实现人体呼吸检测,需要在极弱信号中提取出规律信号……
  • 美国15家主要芯片公司对中国市场依赖有多大? 美国15家主要芯片公司中有多家在财报中表示,在中国市场上的强势地位是公司全球增长战略的关键组成部分。但由于中美之间的贸易关系情况恶化,无法预测这种不确定性是否会在未来时期继续恶化。
  • Qorvo收购MEMS传感器厂商NextInput(附5年内收购公司名 Qorvo宣布已经收购了总部位于加州山景城的NextInput,后者成立于2012年,为手机、TWS、汽车、物联网、机器人、医疗和工业市场等提供基于微机电系统(MEMS)的传感解决方案。Qorvo近年来为了拓展产品组合、巩固技术优势,进行了多笔收购……
  • 新款iPad Pro 2021成最受欢迎的 由于采用性能相对强大的M1处理器和mini-LED屏幕以及更多的创新,新款iPad Pro 2021已经成为消费者心目中最受欢迎。然而,iPad 2却已经在全球范围内被列入“复古和过时”的名单中。
  • 三星折叠屏手机Galaxy Z Fold 3 目前来看,折叠屏新机作为一种新的生产力工具,逐渐成为高端/平板的一种趋势,有报料称三星的Galaxy Z Fold 3发布时间或为7月,并且会引入新手势操控。

  • Soitec发布2021财年报告,总营收维持 Soitec首席执行官Paul Boudre表示:“正如预期,在2020财年有机增长近30%之后,2021财年是一个过渡年。在新冠疫情的背景下,2021财年的结果与我们的财年指导方针完全相符,收入实现了的小幅有机增长,并将EBITDA利润率保持在30%以上。……
  • Qorvo解决方案支持与Apple U1芯片 整套Beta开发套件和模块开箱即用,支持与配备U1芯片的iPhone和Apple Watch型号的互操作,使配件开发人员能够评估超宽带技术的能力。
  • 你问我答,单片机检测220V交流电通断电路 我们在topemic网站上分享过一篇题为"单片机检测220V交流电通断电路"的文章,目前有近万次阅读,在这里做个总结分享给没有读过该文的公众号朋友。废话不多说,直接上图:该电路工作原理如下:当220V
  • MCU短缺怎么办?ZLG致远电子推出Cat.1核心板方案 在全球半导体行业集体缺“芯”的情况下,ZLG致远电子推出极具性价比的Cat.1核心板方案,帮助客户改善现状。2021年全球半导体行业集体缺“芯”,一度导致芯片成为“2021年度最佳理财产品”,部分MC
  • 谷歌用AI设计AI芯片,6小时完成工程师数月工作 来源:网易科技6月11日消息,谷歌称其正在使用机器学习系统帮助工程师设计新一代机器学习芯片。谷歌工程师表示,算法设计的芯片质量和人工设计“相当”甚至“还要更好”,但完成速度要快得多。谷歌表示,人工智能
  • 2021你值得入手的嵌入式系统线上课程在这里! 此次“构建安全的嵌入式系统-从FreeRTOS到SAFERTOS”线上课程报名时间已过了一周,看到学员们踊跃报名的学习态度让小编高兴得有些不知所措,这也让我们授课讲师们更有了备课动力。不过!重点的只说
  • 揭秘动力电池回收乱象! 点击上面↑“电动知家”可以订阅哦!一段时间以来,随着我国新能源汽车产销两旺,第一批新能源动力电池进入规模化退役期。据预计,2025年我国退役动力电池将接近80万吨。大规模动力电池逐步退役,如何更好回收
  • 磐启微电子高薪诚聘:模拟IC(A/D D/A)、射频IC、SOC等【地点:上海、苏州】 创芯人才网正式上线!欢迎大家发布职位、传简历!(免费)以下为上海磐启微电子在创芯人才网刚刚发布的职位,现推荐给大家:公司简介上海磐启微电子有限公司作为中国领先的智慧物联网、工业互联网芯片设计企业,成立
  • 芯华章EDA 2.0白皮书 《芯华章EDA 2.0白皮书》已上传在EETOP论坛共30页!http://bbs.eetop.cn/thread-905776-1-1.html内容截图:共30页!如果有需要PDF版,可以登录论坛下
  • 王传福说华为手机是比亚迪造的;张一鸣称"叫TMD时代"言之过急;李东生透露TCL未来3年海外营收目标超千亿 | TMT大咖说 近期,比亚迪董事长兼总裁王传福、今日头条CEO张一鸣、小米手机系统软件部总监张国全、TCL董事长李东生、高通公司总裁安蒙、伟创力采购和供应链负责人林恩·托雷尔、IBM首席执行官阿尔温德·克里希纳等科技
  • 滴滴IPO 点击上面↑“电动知家”可以订阅哦!电动知家消息,北京时间6月11日,滴滴正式向SEC递交了IPO招股书,股票代码为“DIDI”,高盛、摩根士丹利、摩根大通、华兴资本担任承销商。招股书显示,截至2021
  • 比亚迪招聘“鸿蒙开发工程师”岗位 点击上面↑“电动知家”可以订阅哦!电动知家消息,6月9日晚上,2021年亚布力中国企业家论坛“中国商业心灵”举行。期间,在被问及比亚迪是否会造手机时,比亚迪股份有限公司董事长兼总裁王传福表示:“我们代
广告
热门推荐
广告
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了