噪声里皮对于汉超表示遗憾

ApplicationReportZHCA530–April20131LDO环路稳定性及其对射频频综相噪的影响李俊明,龙云摘要相位噪声是时钟、射频频综最为关注的技术指标之一.
影响锁相环相噪的因素有很多,比如电源、参考源相噪、VCO自身的相噪、环路滤波器的设置等.
其中,电源引入的低频噪声往往对锁相环的近端相噪有着很大的影响.
对于高性能的时钟和射频频综产品,为了获得极低的相噪性能,往往采用低噪声的LDO供电.
然而,采用不同的LDO给频综供电,取得的相噪性能往往会有很大差别,同时,LDO外围电路设计也会影响到频综的相噪性能.
本文首先简要地介绍了LDO的噪声来源及环路稳定性对输出噪声的影响;其次,根据调频理论推导出VCO的相位噪声与LDO的噪声频谱密度的理论计算关系.
在此基础上,为了验证LDO噪声对射频频综输出相噪的影响,分别采用TPS7A8101和TPS74401LDO评估板给TRF3765射频频综评估板供电,对比测试这两种情况下的TRF3765相噪曲线;同时,为了验证LDO环路稳定性对频综相噪的影响,针对TPS7A8101评估板的参考电路做出部分修改,并对比测试了电路修改前后的TRF3765输出相噪.
目录1LDO噪声来源及环路稳定性对输出噪声影响.
21.
1LDO噪声来源.
21.
2LDO噪声抑制方法.
31.
3LDO环路稳定性与输出噪声的关系.
42LDO噪声与VCO输出相噪的关系53采用不同LDO进行射频频综供电对比测试.
63.
1TPS7A8101/TPS74401频综供电对比测试63.
2TPS7A8101输出电路优化及其对频综相噪的影响.
84结论105参考文献10图表图1LDO的PSRR与噪声.
2图2LDO内部框图(噪声源)3图3LDO内部框图(增加噪声抑制电容和前馈电容)3图4不同FFC下的噪声频谱密度图4图5LDO小信号模型.
4图6增加前馈电容后的频率响应波特图.
5图7由电源噪声引入的VCO相噪恶化5图8TPS7A8101与TPS74401噪声频谱密度图7图9LDO频综供电对比测试设置7ZHCA5302LDO环路稳定性及其对射频频综相噪的影响图10采用TPS7A8101/TPS74401供电的TRF3765相噪曲线8图11TPS7A8101评估板初始原理图.
8图12TPS7A8101提高环路稳定性后的原理图9图13TPS7A8101稳定性改善前后TRF3765相噪曲线.
9表格表1不同LDO给频综供电对比测试结果.
101LDO噪声来源及环路稳定性对输出噪声影响1.
1LDO噪声来源LDO的噪声分为LDO内部的噪声和LDO外部的噪声.
LDO内部的噪声来自于内部电路的带隙基准源,放大器以及晶体管.
LDO外部的噪声来自于输入.
在LDO的手册中,PSRR是表征LDO抑制外部噪声的能力,但PSRR高并不代表LDO内部噪声小.
LDO的总输出噪声才是表征LDO内部噪声抑制的参数,一般在电气特性表里用单位RMSV表示,或者在噪声频谱密度图上表示.
PSRRDCExternalNoiseInternalNoiseLDODC+Noise图1LDO的PSRR与噪声图2是LDO内部结构框图,NV代表等效噪声源.
噪声源包括带隙基准源产生的噪声()NREFV,误差放大器产生的噪声()NAMPV,FET产生的噪声()NFETV以及反馈电阻产生的噪声(1)NRV和(2)NRV.
在大多数情况下,由于带隙基准源电路是由很多不同的电阻、晶体管和电容组成,它所产生的噪声会远远大于反馈电阻产生的噪声.
而且带隙基准源是误差放大器的输入,它所产生的噪声也会经由误差放大器放大来控制FET,所以误差放大器本身以及FET所产生的噪声也会比带隙基准源的噪声要低.
可以说,LDO内部最大的噪声源就是带隙基准源.
我们把LDO输出噪声()NOUTV表示为121NOUTNOtherNREFRVVVR=++*(1)()NOtherV是()NAMPV以及()NFETV的和.
由公式1可以得出,输出噪声最小值出现在R1短接到FB,误差放大器的增益近似为1的时候.
ZHCA530LDO环路稳定性及其对射频频综相噪的影响3ErrorAmp2R1R(1)NRV(2)NRVREFV()NREFVINV()NAMPV()NFETVNFETOUTCOUTV++FBV图2LDO内部框图(噪声源)1.
2LDO噪声抑制方法为了抑制带隙基准源产生的噪声,有三种办法.
一是降低误差放大器的带宽,抑制了带隙基准源的高频噪声.
但是降低带宽会使LDO的动态性能降低.
二是在带隙基准源和误差放大器之间加低通滤波.
高性能的LDO都会有一个噪声抑制NR管脚,NRC并联在带隙基准源和GND之间,起到低通滤波的作用.
如图3所示.
ErrorAmp2R1RREFVINV()NOUTVNFETOUTCOUTV++FBVFFCNRC图3LDO内部框图(增加噪声抑制电容和前馈电容)三是在反馈电阻R1上增加前馈电容FFC.
在增加了FFC和NRC后,输出噪声可以表示为12121FFNOUTNOtherRCNREFRfCVVGVRπ**(2)从式2可以得出,FFC越大,输出噪声就越小.
频率越高,输出噪声越小.
ZHCA5304LDO环路稳定性及其对射频频综相噪的影响图4是不同FFC下的噪声频谱密度图.
可以看出,FFC越大,噪声从低频开始都能被很好的抑制.
FFC太小的时候,抑制噪声的作用就不太明显.
当频率很高的时候,不管用多大的FFC,噪声频谱密度相差不会太大.
所以,增加合适的前馈电容FFC,对改善LDO低频噪声有非常好的效果.
图4不同FFC下的噪声频谱密度图1.
3LDO环路稳定性与输出噪声的关系ErrorAmp2R1RREFVINVOUTCOUTV++FBVFFCLRCOMPC图5LDO小信号模型从LDO的小信号分析可以看出,LDO有两个低频极点,如果没有合适的零点补偿,LDO的稳定裕度不够,就有可能产生震荡.
稳定裕度不够的LDO产生的内部噪声会更大.
上节中提到第三种噪声抑制方法,即增加前馈电容FFC是实际上为了改善系统稳定裕度.
由FFC与1R组成一个低频零点,112FFFFZRCπ=**.
ZHCA530LDO环路稳定性及其对射频频综相噪的影响5由下图的频率响应可以看出,零点是相位裕度有了很大的提升,增加了系统稳定性,从而减小了系统低频噪声.
图6增加前馈电容后的频率响应波特图2LDO噪声与VCO输出相噪的关系电源引入噪声对锁相环中各个有源器件都可能造成影响,其中最为敏感的部分是VCO,本文将着重讨论LDO输出噪声对VCO相噪的影响.
一个典型的LDO供电的频综系统框图如图7所示:加载在电源上的噪声信号通过频率调制过程调制到VCO的输出,造成VCO输出相噪恶化.
VCOVnoiseVdcFrequencyAmplitudeInputPowerNoiseSpectrumVCOOutputFrequency+-SupplyPushingMHz/V图7由电源噪声引入的VCO相噪恶化根据经典调频系统理论,调制指数β由式(3)来表示ZHCA5306LDO环路稳定性及其对射频频综相噪的影响FrequencyDeviationModulationFrequencyβ=(3)对于电源噪声调制,式中的频率背离(FrequencyDeviation)可由下式得到pushFrequencyDeviationKA=(4)式中,pushK是VCO的电源推压指数,它表征的是VCO对电源噪声波动的灵敏度,单位用MHz/V来表示;A是电源噪声信号幅度.
对于采用LDO供电的射频频综来说,通常用LDO的指定频率偏移的频谱噪声密度()ldoSf(NoiseSpectrumDensity)来表征电源噪声,由于它是一个RMS电压值,所以式(4)可以表示为2()pushpushldoFrequencyDeviationKAKSf(5)将式(5)带入式(3),可以得到2()pushldoldoKSfFrequencyDeviationModulationFrequencyfβ=(6)式中,f是相应的频率偏移.
由不同频率成分噪声调制到载波输出引起的单边带噪声,由下式表示351222()20log()20log(.
.
.
)20log()2242462SidebandfJβββββ(7)将式(6)带入式(7)有()()20log()20log()22pushldoldoKSfSidebandffβ≈=(8)由式(8)可见,对于给定的VCO,由于pushK是一个确定的值,因此由LDO噪声引起的VCO输出相噪是由LDO的噪声频谱密度(NoiseSpectrumDensity)决定的.
3采用不同LDO进行射频频综供电对比测试3.
1TPS7A8101/TPS74401频综供电对比测试TPS7A8101和TPS74401是TI推出的两款高性能LDO芯片.
与TPS74401相比,由于具有更高的环路增益和带宽,TPS7A8101具有更高的电源噪声抑制比(PSRR);然而,由于具有更好的系统稳定性,TPS74401拥有更低的噪声频谱密度(NSD),如下图8所示.
ZHCA530LDO环路稳定性及其对射频频综相噪的影响7图8TPS7A8101与TPS74401噪声频谱密度图下面我们分别采用TPS7A78101和TPS74401评估板对TRF3765评估板进行供电,比较两者的输出相噪.
测试设置如下图9所示,LDO的输入5V电源由AgilentE3634提供,通过LDO评估板后转变成3.
3V给TRF3765供电.
TRF3765采用评估板上自带的61.
44MHZ晶振作为参考输入,输出频率为2.
28GHz.
TRF3765的射频输出连到R&SFSQ8相噪分析仪上测试相应的相噪曲线.
AgilentE3634ATPS74401EVMTPS7A8101EVMTRF3765EVMR&SFSQ8图9LDO频综供电对比测试设置两者对比测试结果如下图10所示,ZHCA5308LDO环路稳定性及其对射频频综相噪的影响图10采用TPS7A8101/TPS74401供电的TRF3765相噪曲线由上图看见,采用TPS7A8101供电,TRF3765在整个积分区间内(1KHz~10MHz)的RMS抖动为0.
62ps;而TPS74401的RMS抖动仅为0.
44ps.
3.
2TPS7A8101输出电路优化及其对频综相噪的影响TPS7A8101评估板初始原理图如图11所示,由上节的测试结果可知,采用该电路给TRF3765供电,RMS抖动为0.
62ps.
图11TPS7A8101评估板初始原理图ZHCA530LDO环路稳定性及其对射频频综相噪的影响9第一章中我们已经讨论了LDO加一个前馈电容可以有效的提高电源的环路稳定性,从而降低LDO的输出噪声频谱密度.
基于此,我们在TPS7A8101输出加一个0.
47F的前馈电容,修改后的原理图如下图12所示.
图12TPS7A8101提高环路稳定性后的原理图针对修改前后的设计,我们对比测试了相应的TRF3765相噪曲线,如图13所示,由图可见,增加0.
47F输出电容后,1KHz到10MHz的RMS抖动由0.
62ps提高到0.
49ps.
图13TPS7A8101稳定性改善前后TRF3765相噪曲线ZHCA53010LDO环路稳定性及其对射频频综相噪的影响4结论综合以上两组测试的测试结果,可以得到下表LDO评估板TPS74401TPS7A8101(初始设计)TPS7A8101(改善环路稳定性后)RMSJitter(TRF3765)0.
44ps0.
62ps0.
49ps表1不同LDO给频综供电对比测试结果由表1可以看到,由于TPS74401的噪声频谱密度最小,在给频综供电的时候可以取得最好的相噪性能;TPS7A8101噪声频谱密度相对较大,在给频综供电的时候取得的相噪性能相对较差;但是通过优化TPS7A8101的输出电路设计,频综的相位噪声得到了明显的改善.
实测结果很好的验证了前文的理论分析,即:LDO的噪声频谱密度参数(NSD)决定了由电源噪声引起的VCO相噪恶化;通过提高LDO的环路稳定性可以达到降低噪声频谱密度的目的,从而改善频综的输出相噪.
5参考文献[1]LDONoiseExaminedInDetail(SLAA412)[2]LDONoiseDemystified(SLYT489)[3]ExternallyInductedVCOPhaseNoise,DENNISCOLIN,MicaMicrowave[4]TPS74401Datasheet(SBVS066M)[5]TPS7A8101Datasheet(SBVS179A)重重要要声声明明德州仪器(TI)及其下属子公司有权根据JESD46最新标准,对所提供的产品和服务进行更正、修改、增强、改进或其它更改,并有权根据JESD48最新标准中止提供任何产品和服务.
客户在下订单前应获取最新的相关信息,并验证这些信息是否完整且是最新的.
所有产品的销售都遵循在订单确认时所提供的TI销售条款与条件.
TI保证其所销售的组件的性能符合产品销售时TI半导体产品销售条件与条款的适用规范.
仅在TI保证的范围内,且TI认为有必要时才会使用测试或其它质量控制技术.
除非适用法律做出了硬性规定,否则没有必要对每种组件的所有参数进行测试.
TI对应用帮助或客户产品设计不承担任何义务.
客户应对其使用TI组件的产品和应用自行负责.
为尽量减小与客户产品和应用相关的风险,客户应提供充分的设计与操作安全措施.
TI不对任何TI专利权、版权、屏蔽作品权或其它与使用了TI组件或服务的组合设备、机器或流程相关的TI知识产权中授予的直接或隐含权限作出任何保证或解释.
TI所发布的与第三方产品或服务有关的信息,不能构成从TI获得使用这些产品或服务的许可、授权、或认可.
使用此类信息可能需要获得第三方的专利权或其它知识产权方面的许可,或是TI的专利权或其它知识产权方面的许可.
对于TI的产品手册或数据表中TI信息的重要部分,仅在没有对内容进行任何篡改且带有相关授权、条件、限制和声明的情况下才允许进行复制.
TI对此类篡改过的文件不承担任何责任或义务.
复制第三方的信息可能需要服从额外的限制条件.
在转售TI组件或服务时,如果对该组件或服务参数的陈述与TI标明的参数相比存在差异或虚假成分,则会失去相关TI组件或服务的所有明示或暗示授权,且这是不正当的、欺诈性商业行为.
TI对任何此类虚假陈述均不承担任何责任或义务.
客户认可并同意,尽管任何应用相关信息或支持仍可能由TI提供,但他们将独力负责满足与其产品及在其应用中使用TI产品相关的所有法律、法规和安全相关要求.
客户声明并同意,他们具备制定与实施安全措施所需的全部专业技术和知识,可预见故障的危险后果、监测故障及其后果、降低有可能造成人身伤害的故障的发生机率并采取适当的补救措施.
客户将全额赔偿因在此类安全关键应用中使用任何TI组件而对TI及其代理造成的任何损失.
在某些场合中,为了推进安全相关应用有可能对TI组件进行特别的促销.
TI的目标是利用此类组件帮助客户设计和创立其特有的可满足适用的功能安全性标准和要求的终端产品解决方案.
尽管如此,此类组件仍然服从这些条款.
TI组件未获得用于FDAClassIII(或类似的生命攸关医疗设备)的授权许可,除非各方授权官员已经达成了专门管控此类使用的特别协议.
只有那些TI特别注明属于军用等级或"增强型塑料"的TI组件才是设计或专门用于军事/航空应用或环境的.
购买者认可并同意,对并非指定面向军事或航空航天用途的TI组件进行军事或航空航天方面的应用,其风险由客户单独承担,并且由客户独力负责满足与此类使用相关的所有法律和法规要求.
TI已明确指定符合ISO/TS16949要求的产品,这些产品主要用于汽车.
在任何情况下,因使用非指定产品而无法达到ISO/TS16949要求,TI不承担任何责任.
产产品品应应用用数字音频www.
ti.
com.
cn/audio通信与电信www.
ti.
com.
cn/telecom放大器和线性器件www.
ti.
com.
cn/amplifiers计算机及周边www.
ti.
com.
cn/computer数据转换器www.
ti.
com.
cn/dataconverters消费电子www.
ti.
com/consumer-appsDLP产品www.
dlp.
com能源www.
ti.
com/energyDSP-数字信号处理器www.
ti.
com.
cn/dsp工业应用www.
ti.
com.
cn/industrial时钟和计时器www.
ti.
com.
cn/clockandtimers医疗电子www.
ti.
com.
cn/medical接口www.
ti.
com.
cn/interface安防应用www.
ti.
com.
cn/security逻辑www.
ti.
com.
cn/logic汽车电子www.
ti.
com.
cn/automotive电源管理www.
ti.
com.
cn/power视频和影像www.
ti.
com.
cn/video微控制器(MCU)www.
ti.
com.
cn/microcontrollersRFID系统www.
ti.
com.
cn/rfidsysOMAP应用处理器www.
ti.
com/omap无线连通性www.
ti.
com.
cn/wirelessconnectivity德州仪器在线技术支持社区www.
deyisupport.
comIMPORTANTNOTICE邮寄地址:上海市浦东新区世纪大道1568号,中建大厦32楼邮政编码:200122Copyright2013德州仪器半导体技术(上海)有限公司