鉅大LARGE | 點擊量：1922次 | 2020年04月02日
電源噪聲和時鐘抖動對高速DAC相位噪聲的影響的分析及管理
在所有器件特性中，噪聲可能是一個特別具有挑戰性、難以掌握的設計課題。這些挑戰常常導致一些道聽途說的設計規則，并且開發中要反復試錯。本文將解決相位噪聲問題，目標是通過量化分析來闡明如何圍繞高速數模轉換器中的相位噪聲貢獻進行設計。本文旨在獲得一種一次成功的設計方法，即設計不多不少，剛好滿足相位噪聲要求。
從一塊白板開始，首先將DAC視作一個模塊。噪聲可能來自內部，因為任何實際元器件都會產生某種噪聲；也可能來自外部噪聲源。外部噪聲源可通過DAC的任何外部的任何外部任意連接，包括電源、時鐘和數字接口等，進入其中。圖1顯示了這些可能性。下面將對每一種可能的噪聲嫌疑對象分別進行研究，以了解其重要性。
圖1.DAC相位噪聲來源
首先討論數字接口，它恰好是最容易處理的。數字I/O負責接收要在模擬域中輸出的數字采樣信號。眾所周知，如眼圖所示，數字電路和收到的波形多含噪聲。由此看來，相應的問題是：是否所有這種噪聲和活動都能滲入DAC內部的不同區域且表現為相位噪聲？當然，數字接口可能在別處引起噪聲，但這里關心的是相位噪聲。
為了證明I/O是否要關切，我們比較了AD9162系列高速DAC器件開啟和關閉數字接口兩種情況下的相位噪聲。無數字接口時，器件的NCO模式內部生成波形，DAC事實上變成DDS發生器。圖2顯示了實驗結果。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
圖2.不同插值時的相位噪聲
相位噪聲的峰值會根據接口的具體情況發生變化?，F在我們感興趣的是，噪聲和所有曲線在彼此之上。因此，關于這個產品線，盡管由于系統要求可能要注意雜散，但接口不是問題。發現接口無需擔心之后，我們感興趣的下一個方面是時鐘。
時鐘
DAC時鐘是DAC中產生相位噪聲的首要原因。此時鐘決定何時發送下相同本，故相位（或時序）中的任何噪聲都會直接影響輸出的相位噪聲，如圖3所示。此過程可以視作各相繼離散值與一個矩形函數相乘，其時序由時鐘含義。在頻域中，乘法轉換為卷積運算。結果，期望的頻譜被時鐘相位噪聲所破壞，如圖4所示。但是，確切的關系并不是顯而易見的。下面將給出簡明推導。
圖3.時鐘與相位噪聲的相關性
圖4.相位噪聲卷積
獲取時鐘和輸出的時間快照，圖5顯示了一個波形實例。其目的是求出時鐘和輸出的噪聲幅度之比，如圖6中的紅色箭頭所示：可以畫直角三角形，雖然任一邊長都不知道，但兩個三角形有共同的水平邊。
圖5.波形快照
圖6.相位噪聲關系
設斜率為相應波形的導數，根據幾何可得出以下等式：
針對DAC噪聲重新整理，得出下式：
我們常常對正弦或接近正弦的DAC輸出和時鐘波形感興趣，所以上述結果可進一步簡化。假如這一假設不成立，則仍應使用上式。
重新整理后得到：
注意，噪聲關系等同于相關于相應波形幅度的關系，因此可以將其簡潔地歸納為相關于載波的關系。另外，通過使用對數單位，我們得到下式：
根據信號頻率與時鐘頻率之比，相關于載波的噪聲放大或縮小。信號頻率每降低一半，噪聲改進6dB。研究幾何圖像可知這是合理的，因為下面的三角形會變得更尖銳，垂直邊會縮小。還應注意，假如噪聲以相同幅度提高，則提高時鐘幅度不會改善相位噪聲。
為了證明這一點，可通過調制輸入DAC的時鐘來模擬相位噪聲。圖7顯示5GHzDAC時鐘上有100kHz的輕度相位調制。其上還繪出了500MHz和1GHz的輸出頻譜。信號音確實遵循了這種關系。從5GHz時鐘到500MHzDAC輸出觀測到20dB降幅，從500MHz輸出到1GHz輸出觀測到6dB增幅。
圖7.帶100kHz相位調制的時鐘輸出相位噪聲.
精密受控的實驗固然好，但我們關心的是實際噪聲。用寬帶頻率合成器ADF4355代替發生器，圖8顯示了新時鐘源的相位噪聲曲線，對應的DAC輸出為時鐘頻率的和frac14。噪聲特性得到保留，每次降低6dB。應注意，PLL未針對最佳相位噪聲而優化。目光敏銳的讀者會注意到，在小偏移處有一些預期偏差，但這是不同基準源引起的正?，F象。
圖8.采用寬帶頻率合成器時鐘源時的DAC輸出相位噪聲
另一個要探討的方面是輸入功率與噪聲的無關性。只有噪聲功率與載波的差異才是重要的。這意味著，直接放大時鐘信號是沒有益處的。圖9說明情況確是如此。唯一的變化是噪底略有提高，這要歸因于信號發生器。這一看法僅在合理范圍內有效；在某一特定點，時鐘的貢獻會變得非常弱，以致于其他因素（如時鐘接收器噪聲）開始占主導地位。
圖9.相位噪聲與輸入功率的關系
最后簡單說明一下新采樣方案2NRZ。AD9164DAC系列器件引入了這種新采樣模式，在時鐘的上升沿和下降沿均可轉換采樣數據。不過，盡管有這些變化，相位噪聲特性卻保持不變。圖10比較了原NRZ模式和這一新模式。圖中曲線表明相位噪聲相同，但可以看到噪底有所上升。這一結論的前提是上升沿和下降沿的噪聲特性相同，對大多數振蕩器而言這一前提確實成立。
圖10.相位噪聲和2NRZ
電源
噪聲的下一個可能進入點是電源。芯片上的所有電路都必須通過某種方式供電，這就給噪聲傳播到輸出供應了很多機會。具體機制取決于電路，不過下面著重指出了幾種可能性。DAC輸出端通常由電流源和MOS開關組成，開關引導電流通過正引腳或負引腳（圖11）。顯然，電流源從外部電源獲得功率，任何噪聲都會反映為電流波動。噪聲可以經過開關到達輸出端，但這僅解釋了基帶直接耦合。要貢獻相位噪聲，此噪聲必須上混頻到載波頻率。這一過程是通過開關MOSFET完成的，其充當平衡混頻器。噪聲的另一路徑是通過上拉電感，其從供電軌設置直流偏置，這里存在的任何噪聲都會流到晶體管。這種波動會改變其工作條件，如源漏電壓和電流源負載等，引起電流變化，從而又一次上混頻到RF信號。一般來說，假如開關切換能能夠把噪聲混頻到目標信號，這些開關電路都是電源噪聲在輸出信號中的相位噪聲的貢獻者。
圖11.DAC電流源
鑒于所有這些電路和混頻現象，要快速模擬所有這些行為是相當困難的。相反，對其他模擬模塊的特性分析可以給我們帶來一些啟發。穩壓器、運算放大器和其他IC會規定電源抑制比。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，使用的不是抑制比，而是調制比：電源調制比(PSMR)。傳統PSRR方法對基帶應用中的DAC仍然有用，但與此處無關。下一步是獲得具體數據。
測量PSMR要求調制待研究的供電軌。典型設置見圖12。電源調制通過一個插在穩壓器與負載之間的耦合電路獲得，疊加上一個由信號發生器產生的正弦信號。耦合電路的輸出通過一個示波器監控，以找出實際電源調制。最終得到的DAC輸出饋入一個頻譜分析儀。PSMR等于從示波器發現的電源交流分量與載波周圍的調制邊帶電壓之比。
圖12.PSMR測量
存在多種不同的耦合機制。ADI公司應用工程師RobReeder在應用筆記MS-2210中解釋了如何利用LC電路來測量ADC的PSMR。其他選項包括電源運算放大器、變壓器或專用調制電源。這里使用的方法是變壓器。建議使用高匝數比以降低信號發生器的源阻抗。圖14顯示了典型測量結果。
采用1:100匝數比的電流檢測變壓器和函數發生器，1.2V時鐘電源用500kHz信號調制，所得峰峰值電壓為38mV。DAC時鐘速度為5GSPS。所得輸出在一個滿量程1GHz、35dBm載波上引起邊帶。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11dB。
圖13.時鐘電源調制
圖14.調制邊帶
執行單個數據點，可以在多個頻率上進行掃描。但是，AD9164DAC總共包含8個電源。一種方案是測量所有電源，但我們可以把重點放在最敏感的電源上：AVDD12、AVDD25、VDDC12和VNEG12。某些電源（如SERDES）與本分析無關，故不包括在內。掃描多個頻率和電源，結果總結于圖15中。
圖15.掃描頻率測得的電源PSMR
時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，1.2V模擬電源可由開關穩壓器供電，但時鐘電源完全相反：它要由超低噪聲LDO供應以獲得最優性能。
PSMR只能在一定頻率范圍內測量。下限受衰減的磁耦合限制。所選變壓器的截止頻率較低，約為數十kHz。在上限，去耦電容會降低負載阻抗，導致供電軌越來越難以驅動。只要功能不受影響，為了測試目的可以移除一些電容。
使用PSMR之前，應注意幾點。不同于PSRR，PSMR取決于波形功率或數字倒退（后者就DAC而言）。信號功率越低，則邊帶越低，比例關系為1:1。但是，回退回退倒退對設計人員無益，因為邊帶相關于載波是恒定的。第二點是與載波頻率的相關性。載波掃描顯示，在較高頻段時性能會以不同速率發生線性衰減。有意思的是，供電軌越敏感，斜率越陡。例如，時鐘電源的斜率為6.4dB/倍頻程，而負模擬電源的斜率為4.5dB/倍頻程。采樣速率也會影響PSMR。最后，PSMR僅供應相位噪聲貢獻的上限，因為它并未與同時產生的幅度噪聲區分開來。
圖16.電源PSMR與信號頻率的關系
考慮到這些不同的噪聲要求，考察不同電源方案有助于理解電源對相噪的影響。LDO是久經考驗的穩壓器，尤其適合用來實現最佳噪聲性能。然而，不是任何LDO都行。圖17中的15002C曲線顯示了AD9162DAC初始評估板的相位噪聲。DAC輸出設置為3.6GHz，DAC時鐘速度為4GHz，來自Wenzel時鐘源。在1kHz到100kHz的相位噪聲高原上，占主導地位的疑似時鐘電源噪聲：ADP1740LDO。利用此LDO的頻譜噪聲密度曲線和DACPSMR測量結果（圖16），也可以計算其貢獻并繪出曲線，如圖17所示。雖然因為外推而沒有精確對齊，但計算得到的點與實測噪聲是合理對齊的，證實了時鐘電源對噪聲的影響。在電源解決方案的重新設計中，此LDO被更低噪聲的ADP1761取代。在某些偏移處噪聲降低多達10dB，接近時鐘的貢獻(15002D)。
圖17.AD9162評估板噪聲
噪聲不僅會因為穩壓電源的器不同而大不相同，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，尤其是關于敏感的供電軌。另一方面，根據整體系統要求，LDO不一定要。
通過適當的LC濾波，開關穩壓器可供應電源，從而簡化電源解決方案。同LDO相同，從穩壓器NSD開始，并相應地展開設計。但由于采用LC濾波器，所以應注意串聯諧振。不僅瞬變會變得難以駕馭，而且諧振頻率附近可能出現電壓增益，提高供電軌噪聲和相位噪聲。諧振可通過對電路降低Q值給電路新增損耗性元件，加以控制。下圖顯示了來自另一個設計的例子，其采用AD9162DAC。
在該設計中，時鐘電源也是由ADP1740LDO供應高，但其后接一個LC濾波器。原理圖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)。濾波器響應如圖20所示，特征諧振用紅線表示。正如所料，此濾波器的跡象特征出現在相位噪聲響應中，即圖21中的藍色曲線。由于濾波作用，100kHz附近的噪聲趨穩，隨后急劇下降。幸運的是，LC濾波器峰化不夠嚴重，未引起明顯的尖峰，但濾波器仍可改善。這里采用的方案是再新增一個較大電容和一個適當的串聯電阻，用來消耗能量。圖中所示的串聯電路由22lrmF電容和100m電阻組成，它使響應平穩很多（藍色曲線）。最終結果是此頻率偏移附近的相位噪聲得到改善，參見圖21中的黃色曲線。
圖18.LC濾波器和去Q網絡
圖19.LC濾波器響應
圖20.相位噪聲響應
最后要分析的噪聲源是器件本身的相位噪聲。AD9164DAC系列器件的相位噪聲非常低，難以量化。消除所有預期噪聲源后，殘余噪聲來自DAC，如圖22所示。圖中也顯示了仿真的相位噪聲曲線，其與測量結果相當吻合。在某些區域，時鐘相位噪聲仍占主導地位。
圖21.AD9162相位噪聲
結語
面對上文討論的所有噪聲源，設計人員可能會茫然不知所措。一種簡單的做法是采取某種推薦解決方案；但對任何具體設計要求而言，這都是次優做法。與RF信號鏈和精密誤差預算類似，設計過程中可以使用相位噪聲預算。利用時鐘源相位噪聲、各供電軌的PSMR結果、LDO噪聲特性和DAC設置，可以計算并優化各噪聲源的噪聲貢獻。圖22顯示了一個預算示例。正確考慮所有噪聲源，便可分析和管理相位噪聲，并確保信號鏈設計一次成功。
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