在所有器件特性中，噪聲可能是一個(gè)特別具有挑戰性、難以掌握的設計課題。本文主要介紹電源噪聲對于高速DAC相位噪聲的影響。
DAC相位噪聲來(lái)源
對于高速DAC來(lái)說(shuō)，相位噪聲主要來(lái)自以下幾個(gè)方面：時(shí)鐘噪聲、電源噪聲，以及內部噪聲與接口噪聲。
圖1：DAC相位噪聲來(lái)源 （圖片來(lái)源：ADI）
其中最重要的兩個(gè)來(lái)源是時(shí)鐘噪聲與電源噪聲。本文將主要介紹電源噪聲對于DAC相位噪聲的影響。
DAC電源相位噪聲傳播路徑
芯片上的所有電路都必須通過(guò)某種方式供電，這就給噪聲傳播到輸出提供了很多機會(huì )。不同電路電源噪聲的傳播路徑也不一樣，下面著(zhù)重指出了幾種常見(jiàn)的DAC電源噪聲傳播路徑。
如下圖，DAC輸出端通常由電流源和MOS管組成，MOS管引導電流通過(guò)正引腳或負引腳供電。電流源從外部電源獲得功率，任何噪聲都會(huì )反映為電流波動(dòng)。
圖2：DAC電源噪聲來(lái)源（圖片來(lái)源：ADI）
MOS管
電流源的噪聲可以經(jīng)過(guò)MOS管到達輸出端，但這僅解釋了噪聲的耦合現象。
圖 3 : DAC電源噪聲傳播路徑——MOS管（圖片來(lái)源于A(yíng)DI）
要“貢獻”相位噪聲，此噪聲還需要通過(guò)MOS管混頻到載波頻率。這里的MOS管，相當于一個(gè)平衡混頻器。
上拉電感
上拉電感是另一條噪聲路徑，噪聲從供電軌流至輸出端。
圖4：DAC電源噪聲傳播路徑——上拉電感（圖片來(lái)源：ADI）
這里任何供電軌和負載的變化，都會(huì )引起電流變化，從而又一次把噪聲混頻到載波頻率。
更多噪聲傳導路徑
一般來(lái)說(shuō)，如果開(kāi)關(guān)切換能夠把噪聲混頻到載波頻率， 這些開(kāi)關(guān)電路都是電源相位噪聲的貢獻者。
分析相位噪聲
對于上面提到的混頻現象，要快速模擬所有這些行為并且去改善是相當困難的。相反，通過(guò)測量電源抑制比的做法，快速了解哪些電源對噪聲敏感，然后針對性地選擇一些高精度低噪聲的電源，才能事半功倍。
其他模擬模塊也會(huì )有類(lèi)似的電源抑制比的分析，比如穩壓器、運算放大器和其他IC，一般都會(huì )規定電源抑制比。
電源抑制性能衡量負載對電源變化的靈敏度，可用于這里的相位噪聲分析。然而，這里使用的不是抑制比，而是調制比：電源調制比(PSMR)。當然，傳統的電源抑制比(PSMR) 依舊有參考意義。
我們專(zhuān)門(mén)調制一個(gè)噪聲去測試。下一步是獲得具體數據。
測量PSMR
分析相位噪聲的很重要的一個(gè)方法便是測量PSMR。
典型測量PSMR測試原理圖：
圖5：PSMR測量（圖片來(lái)源：ADI）
PSMR測量可以分成三步：調制供電軌，獲取數據，分析數據。
調制供電軌
電源調制通過(guò)一個(gè)插在供電電源與負載之間的耦合電路獲得，疊加上一個(gè)由信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波信號。
獲取數據
耦合電路的輸出通過(guò)一個(gè)示波器監控，以監控實(shí)際電源調制。最終得到的DAC輸出，由頻譜分析儀檢測得出。
分析數據
PSMR等于從示波器顯示的電源交流分量與載波周?chē)恼{制邊帶電壓之比。
以下是PSMR測量的幾個(gè)要點(diǎn)：
耦合電路：耦合電路存在多種不同的耦合機制，耦合電路可以選擇LC電路，電源運算放大器、變壓器或專(zhuān)用調制電源。這里使用的方法是1:100匝數比的電流檢測變壓器和函數發(fā)生器。建議使用高匝數比以降低信號發(fā)生器的源阻抗。
電源調制：1.2V直流電源上疊加一個(gè)500kHz峰峰值電壓38 mV信號調制所得。
圖6：時(shí)鐘電源調制 （圖片來(lái)源：ADI）
DAC: 采用的是ADI的AD9164 。DAC時(shí)鐘速度為5GSPS。所得輸出在一個(gè)滿(mǎn)量程1GHz、–35dBm載波上引起邊帶。
圖7：調制邊帶（圖片來(lái)源：ADI）
將功率轉換為電壓，然后利用調制電源電壓求比值，所得PSMR為–11 dB。AD9164有八個(gè)電源，我們選擇重點(diǎn)，關(guān)鍵掃描以下四個(gè)電源：1.2V時(shí)鐘電源，負1.2 V和2.5V模擬電源，1.2 V模擬電源。結果圖下圖所示：
圖8：掃描頻率測得的電源PSMR（圖片來(lái)源：ADI）
時(shí)鐘電源是最為敏感的供電軌，然后是負1.2V和2.5V模擬電源，1.2V模擬電源則不是很敏感。加以適當考慮的話(huà)，1.2V模擬電源可由開(kāi)關(guān)穩壓器供電，但時(shí)鐘電源完全相反：它需要由超低噪聲LDO供電，以獲得優(yōu)質(zhì)性能。
選擇超低噪聲的電源
LDO的選擇
LDO是久經(jīng)考驗的穩壓器，尤其適合用來(lái)實(shí)現優(yōu)質(zhì)噪聲性能。對于敏感的電源軌道，也不是所有的LDO都可以勝任，依舊需要根據整體系統要求去選擇與測試。
測試的方法是：利用此LDO的頻譜噪聲密度曲線(xiàn)和DAC PSMR測量結果去比對。
舉例，某一電路，在初始的版本的時(shí)候，使用LDO ADP1740，對比LDO的頻譜噪聲密度曲線(xiàn)和DAC PSMR測量結果，如下圖所示：
圖9：AD9162評估板相位噪聲（圖片來(lái)源：ADI）
這證實(shí)了時(shí)鐘電源（上圖紅色的點(diǎn)）對噪聲的影響。改版后，更換使用ADP1761，某些特定頻率處噪聲降低多達10dB。
在Digi-Key網(wǎng)站，可以根據參數來(lái)篩選合適的Digi-Key LDO，其中包括直接通過(guò)PSRR (電源抑制比) 來(lái)篩選的功能。
圖10：通過(guò)PSRR (電源抑制比) 篩選LDO
其他方案
但也不意味著(zhù)除了LDO, 別的電源不可以用，根據整體系統要求，通過(guò)適當的LC濾波，開(kāi)關(guān)穩壓器也可提供電源，從而簡(jiǎn)化電源解決方案。但由于采用LC濾波器，所以應注意串聯(lián)諧振，否則噪聲可能變得更糟。對于諧振可通過(guò)對電路降低Q值——如給電路增加損耗性元件——加以控制。
下圖顯示了來(lái)自另一個(gè)設計的例子，其采用AD9162 DAC。時(shí)鐘電源也是由ADP1740 LDO提供，但其后接一個(gè)LC濾波器。
圖11：LC濾波器和去Q網(wǎng)絡(luò ) （圖片來(lái)源：ADI）
原理圖中顯示了所考慮的濾波器，RL模型表示電感，RC模型表示主濾波電容 (C1+R1)。
紅圈里是原始的LC濾波電路，藍圈是為了減小Q值額外增加的損耗性元件。
圖12：LC濾波器響應（圖片來(lái)源：ADI）
濾波器響應如下圖所示，紅線(xiàn)是原始的LC電路響應曲線(xiàn)，藍線(xiàn)是改進(jìn)后的響應曲線(xiàn)。我們看到Q值減小了。
圖13：相位噪聲響應（圖片來(lái)源：ADI）
我們再來(lái)看看，對于相位噪聲響應，藍線(xiàn)是原始的LC電路響應曲線(xiàn)，橙線(xiàn)是改進(jìn)后的響應曲線(xiàn)。相位噪聲得到改進(jìn)。
本文小結
噪聲不僅會(huì )因為電源選擇的不同而大不相同，而且可能受到輸出電容、輸出電壓和負載影響。應當仔細考慮這些因素，尤其是對于敏感的供電軌。 |
