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多少电源噪声可以接受?

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。

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 大可接受电源噪声。还会

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。

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 大可接受电源噪声。还会讨论测量设置。 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 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 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 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 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 小信号 - 具体来讲,就是载波信号的幅度与 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 高杂散幅度的均方根值

 

图1.使用(a)干净电源和(b)噪声电源两种情况下。

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。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 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:

 

载波信号

杂散信号

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,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:

 

边带功率密度

载波功率

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)

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

图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。

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。

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 大允许纹波来确定, 大允许纹波对于配电网络(PDN)设计至关重要。知道 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 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。