0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

电源调制比(PSMR)理论

analog_devices 来源:亚德诺半导体 作者:亚德诺半导体 2021-02-21 10:07 次阅读

许多雷达系统要求低相位噪声以最大限度抑制杂波。高性能雷达需要特别关注相位噪声,导致在降低频率合成器的相位噪声和表征频率合成器部件的相位噪声方面投入了大量的设计资源。

大家知道,为实现低相位噪声性能,尤其是超低相位噪声性能,必须使用低噪声电源才能达到最佳性能。但文献上没有详细说明如何通过一种系统化方法来量化电源噪声电压电平对相位噪声的影响。本文旨在改变这种状况。

本文提出了电源调制比(PSMR)理论,用来衡量电源缺陷如何被调制到RF载波上。通过电源噪声对RF放大器相位噪声的贡献来验证这一理论;测量结果表明,可以计算并且相当准确地预测该贡献。基于此结果,本文还讨论了描述电源特性的系统化方法。

导言和定义

电源调制比与众所周知的电源抑制比(PSRR)相似,但有一个关键不同点。PSRR衡量电源缺陷直接耦合到器件输出的程度。PSMR衡量电源缺陷(纹波和噪声)如何被调制到RF载波上。

下面的“原理”部分引入了一个将PSMR与电源缺陷相关联的传递函数H(s),用以定量地说明电源缺陷如何被调制到载波上。H(s)具有幅度和相位两个分量,可以随着频率和器件工作条件而变化。尽管变量很多,但一旦确定其特征,便可以利用电源调制比并根据电源数据手册中的纹波和噪声规格来准确预测电源的相位噪声和杂散贡献。

原理

考虑用于RF器件的直流电源上的纹波。电源纹波用一个正弦波信号模拟,其峰峰值电压以直流输出为中心。该正弦波被调制到RF载波上,在等于正弦波频率的频率偏移处产生杂散信号。

6ed62b8e-7193-11eb-8b86-12bb97331649.jpg

图1. 电源上的正弦波纹波调制到RF载波上产生杂散信号

杂散水平与正弦波幅度和RF电路灵敏度均有关系。杂散信号可以进一步分解为幅度调制分量和相位调制分量。总杂散功率水平等于幅度调制(AM)分量的杂散功率加上相位调制(PM)分量的杂散功率。

对于这里的讨论,H(s)是从电源缺陷到RF载波上的干扰调制项的传递函数。H(s)同样有AM和PM两个分量。H(s)的AM分量是Hm (s),H(s)的PM分量是HØ (s)。以下等式利用H(s)进行实际RF测量,假设低电平调制可用来模拟电源对RF载波的影响。

信号的幅度调制可以写成

6f14b688-7193-11eb-8b86-12bb97331649.jpg

幅度调制分量m(t)可以写成

6f3efc4a-7193-11eb-8b86-12bb97331649.jpg

其中fm是调制频率RF载波的AM调制电平可以直接与电源纹波相关,关系式如下:

6f76e614-7193-11eb-8b86-12bb97331649.jpg

vrms是电源电压的交流分量的均方根值。这是关键等式,它提供了一种计算电源纹波引起的RF载波AM调制的机制。

杂散电平可以通过幅度调制来计算

6fc0f18c-7193-11eb-8b86-12bb97331649.jpg

类似地可以写出电源对相位调制的影响。相位调制信号为

6ff8d6d8-7193-11eb-8b86-12bb97331649.jpg

相位调制项为

7031c182-7193-11eb-8b86-12bb97331649.jpg

同样,相位调制可以直接与电源相关,关系式如下

70a393c0-7193-11eb-8b86-12bb97331649.jpg

上式是提供了一种计算电源纹波引起的RF载波PM调制的机制。相位调制引起的杂散电平为

70de5f50-7193-11eb-8b86-12bb97331649.png

为了帮助可视化mrms和Ørms的杂散影响,图2显示了杂散电平与mrms和Ørms的关系。

7121b570-7193-11eb-8b86-12bb97331649.jpg

图2. 杂散电平与mrms和Ørms的关系

总结一下上面的讨论,电源上的纹波转换为电源电压交流项的均方根电压vrms的调制项mrms和Ørms。Hm (s)和HØ (s)分别是从vrms到mrms和Ørms的传递函数。

现在考虑相位噪声。正如正弦波调制到载波上产生杂散信号一样,1/f电压噪声密度也会调制到载波上产生相位噪声。

71470442-7193-11eb-8b86-12bb97331649.jpg

图3. 电源上的1/f噪声调制到RF载波上产生相位噪声

同样,如果我们考虑一个具有相位调制的信号x(t),那么

718ce548-7193-11eb-8b86-12bb97331649.jpg

在这种情况下,Ø(t)是一个噪声项。

功率谱密度定义为

71f158fc-7193-11eb-8b86-12bb97331649.jpg

相位噪声依据功率谱密度来定义

72348546-7193-11eb-8b86-12bb97331649.jpg

接下来,对于电源纹波引起的相位调制所产生的杂散,将同样的HØ (s)应用于相位噪声。在这种情况下,HØ (s)用于计算电源上1/f噪声产生的相位噪声。

7282ee34-7193-11eb-8b86-12bb97331649.jpg

72c04996-7193-11eb-8b86-12bb97331649.png

测量实例

为了演示上述原理,我们表征了HMC589A RF放大器的电源灵敏度和相位噪声,利用多个电源测量了这些量。用于表征的HMC589A评估电路如图4所示。

7333ad8c-7193-11eb-8b86-12bb97331649.jpg

图4. 使用HMC589A放大器来演示PSMR原理

为了表征电源灵敏度,将一个正弦波注入5 V电源。正弦波在RF上产生杂散信号,以dBc来衡量杂散信号大小。杂散内容进一步分解为AM分量和PM分量。采用Rohde & Schwarz FSWP26相位噪声分析仪和频谱分析仪。AM和PM杂散电平分别通过AM和PM噪声测量来衡量,并使能杂散测量。结果列成表格,测试条件为3.2 GHz,RF输入为0 dBm。

737e0a94-7193-11eb-8b86-12bb97331649.jpg

表1. HMC589A表征杂散与电源正弦波纹波的关系, 3.2 GHz,0 dBm输入功率

测试数据表明,RF放大器的电源灵敏度可以利用正弦波调制凭经验测量,结果可用来预测电源噪声对相位噪声的贡献。更一般地,这可以扩展到任何RF器件。这里我们用放大器表征和测量来演示原理。

首先,使用一个噪声相当高的电源。测量噪声密度。基于表征的HØ (s)计算电源对相位噪声的贡献,并与相位噪声测量值进行比较。使用Rhode & Schwarz FSWP26进行测量。噪声电压通过基带噪声测量来衡量。利用测试装置的内部振荡器测量加性相位噪声,以此来衡量放大器残余相位噪声。测试配置如图5所示。在这种配置中,振荡器噪声在混频器中被消除,任何不常见的噪声都会在交互相关算法中予以消除。这样,用户便可实现非常低电平的残余噪声测量。

73e85016-7193-11eb-8b86-12bb97331649.jpg

图5. 采用交互相关方法的放大器残余相位噪声测试设置

电源噪声、实测相位噪声和预测的电源噪声贡献如图6所示。很明显,在100 Hz到100 kHz偏移之间,相位噪声主要由电源决定,关于电源贡献的预测非常准确。

74b643ea-7193-11eb-8b86-12bb97331649.jpg

图6. 使用高噪声电源进行技术验证

用另外两个电源重复该测试。结果如图7所示。同样,电源对相位噪声的贡献是完全可以预测的。

75473850-7193-11eb-8b86-12bb97331649.jpg

图7. 用另外两个电源验证该技术

低相位噪声器件表征的一个常见挑战是要确保测量结果属于器件而非周围环境。为了消除测量中的电源贡献,使用ADM7150低噪声稳压器。从数据手册中引用的噪声密度以及用于相位噪声测试的器件的噪声电压测量结果如图8所示。

757dcac8-7193-11eb-8b86-12bb97331649.jpg

760e05a2-7193-11eb-8b86-12bb97331649.jpg

图8. 低噪声稳压器ADM7150的噪声电压密度

表2列出了一系列低噪声稳压器及其关键参数。这里给出的器件都非常适合为低相位噪声RF设计中的RF器件供电;相关条件和特性曲线请参阅数据手册。数据手册中包括了多个偏移频率下的噪声密度和PSRR曲线。表中显示了10 kHz偏移的噪声密度,因为该区域对许多稳压器而言通常存在限制。所示的PSRR对应于1 MHz偏移,因为许多线性稳压器在这些偏移处会失去抑制能力,需要额外的滤波。

76af21da-7193-11eb-8b86-12bb97331649.jpg

表2. 低噪声稳压器系列最适合低相位噪声RF设计

从ADM7150供电时,HMC589A残余相位噪声测试的结果如图9所示。该测量结果显示了放大器的真实性能,其本底噪声低于-170 dBc / Hz,并且此性能一直保持到10 kHz偏移。

77164b94-7193-11eb-8b86-12bb97331649.jpg

图9. HMC589A残余相位噪声,3.2 GHz,输入RF功率为0 dBm,ADM7150稳压器提供直流电源

描述电源特性的系统化方法

低相位噪声应用的电源设计通常会不加考虑地选择可用的最佳稳压方案,而无视实际最低规格,这会导致过度设计。对于小批量设计,这种方法可能值得继续,但对于大批量生产,性能、成本和复杂性必须优化,过度设计可能是一种不受欢迎的浪费。

下面是一种定量推导电源规格的方法:

用正弦波调制电源以表征H(s)。H(s)将是频率的函数,每十倍频程测试一次。

分配电源对杂散和相位噪声的贡献,在RF规格之下留一定的裕量。

计算电源纹波规格,

77b7a822-7193-11eb-8b86-12bb97331649.jpg

计算电源噪声规格,

78093fde-7193-11eb-8b86-12bb97331649.png

上述第一步中的一个重要事项是了解Hm (s)和HØ (s)在设计预期的工作条件下如何变化。在HMC589A表征中,此变化是在若干功率水平下进行测量,如图10所示。

78579026-7193-11eb-8b86-12bb97331649.jpg

78a3c54a-7193-11eb-8b86-12bb97331649.jpg

图10. Hm (s)和HØ (s)的变化与偏移频率和功率水平的关系,使用HMC589A评估电路,频率为3.2 GHz

结语

虽然人们普遍认为,在RF应用中应限制电源纹波和噪声,但很少有人充分理解其定量影响。利用本文所述的系统化方法,工程师可以按部就班地量化电源对期望RF性能的影响,从而做出明智的电源选择。

责任编辑:lq

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 电源
    +关注

    关注

    184

    文章

    17706

    浏览量

    250002
  • 放大器
    +关注

    关注

    143

    文章

    13586

    浏览量

    213384
  • PSRR
    +关注

    关注

    0

    文章

    153

    浏览量

    39325

原文标题:考考大家:PSMR与PSRR有何不同?

文章出处:【微信号:analog_devices,微信公众号:analog_devices】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    AS1000系列变频电源SPWM高频脉宽调制​应用

    AS1000系列单/三相可编程交流变频电源采用SPWM高频脉宽调制方式,这一技术为众多领域带来了前所未有的优势和创新应用。 一、SPWM高频脉宽调制方式的原理与特性 SPWM(正弦脉宽调制
    的头像 发表于 10-28 16:54 194次阅读
    AS1000系列变频<b class='flag-5'>电源</b>SPWM高频脉宽<b class='flag-5'>调制</b>​应用

    ATA-2161高压放大器在调制电源静电偏转板电压测试中的应用

    实验名称:调制电源静电偏转板电压同步测试实验内容:测试静电偏转板差分电压与主电源调制电压同步。研究方向:加速器电源测试设备:ATA-2161
    的头像 发表于 10-17 17:53 284次阅读
    ATA-2161高压放大器在<b class='flag-5'>调制</b><b class='flag-5'>电源</b>静电偏转板电压测试中的应用

    浪涌电流实测值理论值大

    求大佬解答,我的NTC是5Ω,测试输入电压115V的时候,测得浪涌电流是28.8A,与理论值(115*1.414/5=32.5A)相差不大。10分钟后(大电容和其他电容电压都已经放电),再次测试
    发表于 10-12 23:15

    LLC电源转换器的调制方式

    LLC电源转换器的调制方式是其实现高效能量转换的关键技术之一。在LLC谐振变换器中,常用的调制方式主要包括脉冲频率调制(PFM)、移相调制
    的头像 发表于 08-20 17:17 801次阅读

    SPWM的同步调制和异步调制是什么

    一、同步调制 同步调制的核心在于三角载波频率fc与正弦调制波频率fr的同步变化。在此模式下,载波R(R = fc / fr)保持常数,通常为3的倍数,以确保逆变器输出波形的对称性。这
    的头像 发表于 08-20 16:48 1058次阅读
    SPWM的同步<b class='flag-5'>调制</b>和异步<b class='flag-5'>调制</b>是什么

    运放的共模抑制电源抑制比对输出精度的影响是什么?

    的共模抑制比为120dB,单纯考虑共模抑制的影响电流60A,运放输出值理论为Vo=0.0335*60,该怎么计算输出的误差呢?Gain取大于1和小于1影响是怎么样的? 2、电源抑制比对精度又有什么样的影响? 请帮忙解决我这个困
    发表于 08-15 07:43

    如何理解运放的电源抑制参数?

    电源抑制PSRR有三个参数,如OPA333 1、电源抑制比为1uV/V 2、长期稳定性为1uV 3、通道分离,直流为0.1uV/V 特别是3号参数,怎么理解
    发表于 08-12 06:37

    LDO电源抑制的测量方法

    LDO电源抑制(PSRR,Power Supply Rejection Ratio)是衡量线性稳压器(LDO)在电源电压变化时对输出电压稳定性的影响的一个重要指标。 一、LDO电源
    的头像 发表于 07-14 10:14 776次阅读

    什么是电源抑制(PSRR)?它有哪些作用和应用?

    在电子设备和系统的设计中,电源抑制(Power Supply Rejection Ratio,简称PSRR)是一个至关重要的参数。它描述了电子设备或系统对来自电源的噪声和干扰的抑制能力。本文将详细探讨
    的头像 发表于 05-24 14:31 3890次阅读

    电流型脉宽调制器 是恒流电源吗?

    随着科技的不断发展,电源管理和驱动控制领域的需求日益增加。在这个背景下电流型脉宽调制器(current-mode pulse-width modulator)应运而生,成为了实现准确电流控制的关键
    的头像 发表于 05-22 17:05 494次阅读

    电源纹波与电源抑制解析

    在电子电路设计中,电源的稳定性和纯净性对电路的性能至关重要。电源纹波和电源抑制比作为评估电源性能的两个重要参数,对电路的稳定运行和信号质量有着直接的影响。本文将详细解析
    的头像 发表于 05-21 15:31 1037次阅读

    两个电机用一个MCU控制,FOC的调制能不能调到最大呢?

    两个电机用一个MCU控制,FOC的调制能不能调到最大呢
    发表于 04-22 07:59

    高速ADC的电源拓扑结构设计方案

    当供电轨上有噪声时,决定ADC性能的因素主要有三个,它们是PSRR-dc、PSRR-ac和PSMR。PSRR-dc指电源电压的变化与由此产生的ADC增益或失调误差的变化之比值,它可以用最低有效位
    发表于 03-22 10:29 352次阅读
    高速ADC的<b class='flag-5'>电源</b>拓扑结构设计方案

    在SPWM调制中,调制波和载波的信号波形一般各是什么?

    SPWM调制中,调制波和载波的信号波形分别是正弦波和三角波。在本文中,我将详细介绍SPWM调制的原理、实现方法和应用领域。 首先,让我们来了解一下SPWM调制的原理。在SPWM
    的头像 发表于 02-05 16:48 5070次阅读

    面向分布式声波传感的硅基超高消光调制

    片上集成的电光调制器(硅基、三五族、薄膜铌酸锂等)具有紧凑、高速和低功耗等优势,但要实现超高消光的动态强度调制则仍存在较大挑战。
    的头像 发表于 01-19 17:12 1222次阅读
    面向分布式声波传感的硅基超高消光<b class='flag-5'>比</b><b class='flag-5'>调制</b>器