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----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----LDO環(huán)路穩(wěn)定性及其對射頻頻綜相噪的影響本文首先簡要地介紹了LDO的噪聲來源及環(huán)路穩(wěn)定性對輸出噪聲的影響;其次,依據(jù)調(diào)頻理論推導出VCO的相位噪聲與LDO的噪聲頻譜密度的理論計算關(guān)系。在此基礎(chǔ)上,為了驗證LDO噪聲對射頻頻綜輸出相噪的影響,分別采納TPS7A8101和TPS74401LDO評估板給TRF3765射頻頻綜評估板供電,對比測試這兩種狀況下的TRF3765相噪曲線;同時,為了驗證LDO環(huán)路穩(wěn)定性對頻綜相噪的影響,針對TPS7A8101評估板的參考電路做出部分修改,并對比測試了電路修改前后的TRF3765輸出相噪。
1、LDO噪聲來源及環(huán)路穩(wěn)定性對輸出噪聲影響
1.1LDO噪聲來源
LDO的噪聲分為LDO內(nèi)部的噪聲和LDO外部的噪聲。LDO內(nèi)部的噪聲來自于內(nèi)部電路的帶隙基準源,放大器以及晶體管。LDO外部的噪聲來自于輸入。在LDO的手冊中,PSRR是表征LDO抑制外部噪聲的力量,但PSRR高并不代表LDO內(nèi)部噪聲小。LDO的總輸出噪聲才是表征LDO內(nèi)部噪聲抑制的參數(shù),一般在電氣特性表里用單位?VRMS表示,或者在噪聲頻譜密度圖上表示。
圖2是LDO內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖,VN代表等效噪聲源。噪聲源包括帶隙基準源產(chǎn)生的噪聲VN(REF),誤差放大器產(chǎn)生的噪聲VN(AMP),F(xiàn)ET產(chǎn)生的噪聲VN(FET)以及反饋電阻產(chǎn)生的噪聲VN(R1)和VN(R2)。在大多數(shù)狀況下,由于帶隙基準源電路是由許多不同的電阻、晶體管和電容組成,它所產(chǎn)生的噪聲會遠遠大于反饋電阻產(chǎn)生的噪聲。而且?guī)痘鶞试词钦`差放大器的輸入,它所產(chǎn)生的噪聲也會經(jīng)由誤差放大器放大來掌握FET,所以誤差放大器本身以及FET所產(chǎn)生的噪聲也會比帶隙基準源的噪聲要低??梢哉f,LDO內(nèi)部最大的噪聲源就是帶隙基準源。我們把LDO輸出噪聲VN(OUT)表示為
VN(Other)是VN(AMP)以及VN(FET)的和。由公式1可以得出,輸出噪聲最小值消失在R1短接到FB,誤差放大器的增益近似為1的時候。
1.2LDO噪聲抑制方法
為了抑制帶隙基準源產(chǎn)生的噪聲,有三種方法。
一是降低誤差放大器的帶寬,抑制了帶隙基準源的高頻噪聲。但是降低帶寬會使LDO的動態(tài)性能降低。
二是在帶隙基準源和誤差放大器之間加低通濾波。高性能的LDO都會有一個噪聲抑制NR管腳,CNR并聯(lián)在帶隙基準源和GND之間,起到低通濾波的作用。如圖3所示。
三是在反饋電阻R1上增加前饋電容CFF.在增加了CFF和CNR后,輸出噪聲可以表示為
從式2可以得出,CFF越大,輸出噪聲就越小。頻率越高,輸出噪聲越小。
圖4是不同CFF下的噪聲頻譜密度圖??梢钥闯?,CFF越大,噪聲從低頻開頭都能被很好的抑制。CFF太小的時候,抑制噪聲的作用就不太明顯。當頻率很高的時候,不管用多大的CFF,噪聲頻譜密度相差不會太大。所以,增加合適的前饋電容CFF,對改善LDO低頻噪聲有特別好的效果。
1.3LDO環(huán)路穩(wěn)定性與輸出噪聲的關(guān)系
從LDO的小信號分析可以看出,LDO有兩個低頻極點,假如沒有合適的零點補償,LDO的穩(wěn)定裕度不夠,就有可能產(chǎn)生震蕩。穩(wěn)定裕度不夠的LDO產(chǎn)生的內(nèi)部噪聲會更大。上節(jié)中提到第三種噪聲抑制方法,即增加前饋電容CFF是實際上為了改善系統(tǒng)穩(wěn)定裕度。由CFF與R1組成一個低頻零點,。
由下圖的頻率響應可以看出,零點是相位裕度有了很大的提升,增加了系統(tǒng)穩(wěn)定性,從而減小了系統(tǒng)低頻噪聲。
2、LDO噪聲與VCO輸出相噪的關(guān)系
電源引入噪聲對鎖相環(huán)中各個有源器件都可能造成影響,其中最為敏感的部分是VCO,本文將著重爭論LDO輸出噪聲對VCO相噪的影響。
一個典型的LDO供電的頻綜系統(tǒng)框圖如圖7所示:加載在電源上的噪聲信號通過頻率調(diào)制過程調(diào)制到VCO的輸出,造成VCO輸出相噪惡化。
依據(jù)經(jīng)典調(diào)頻系統(tǒng)理論,調(diào)制指數(shù)由式(3)來表示
對于電源噪聲調(diào)制,式中的頻率背離(FrequencyDeviation)可由下式得到
式中,Kpush是VCO的電源推壓指數(shù),它表征的是VCO對電源噪聲波動的靈敏度,單位用MHz/V來表示;A是電源噪聲信號幅度。
對于采納LDO供電的射頻頻綜來說,通常用LDO的指定頻率偏移的頻譜噪聲密度Sldo(f)(NoiseSpectrumDensity)來表征電源噪聲,由于它是一個RMS電壓值,所以式(4)可以表示為
式中,f是相應的頻率偏移。
由不同頻率成分噪聲調(diào)制到載波輸出引起的單邊帶噪聲,由下式表示
由式(8)可見,對于給定的VCO,由于Kpush是一個確定的值,因此由LDO噪聲引起的VCO輸出相噪是由LDO的噪聲頻譜密度(NoiseSpectrumDensity)打算的。
3、采納不同LDO進行射頻頻綜供電對比測試
3.1TPS7A8101/TPS74401頻綜供電對比測試
TPS7A8101和TPS74401是TI推出的兩款高性能LDO芯片。與TPS74401相比,由于具有更高的環(huán)路增益和帶寬,TPS7A8101具有更高的電源噪聲抑制比(PSRR);然而,由于具有更好的系統(tǒng)穩(wěn)定性,TPS74401擁有更低的噪聲頻譜密度(NSD),如下圖8所示。
下面我們分別采納TPS7A78101和TPS74401評估板對TRF3765評估板進行供電,比較兩者的輸出相噪。測試設置如下圖9所示,LDO的輸入5V電源由AgilentE3634供應,通過LDO評估板后轉(zhuǎn)變成3.3V給TRF3765供電。TRF3765采納評估板上自帶的61.44MHZ晶振作為參考輸入,輸出頻率為2.28GHz.TRF3765的射頻輸出連到RFSQ8相噪分析儀上測試相應的相噪曲線。
兩者對比測試結(jié)果如下圖10所示,
由上圖觀察,采納TPS7A8101供電,TRF3765在整個積分區(qū)間內(nèi)(1KHz~10MHz)的RMS抖動為0.62ps;而TPS74401的RMS抖動僅為0.44ps.
3.2TPS7A8101輸出電路優(yōu)化及其對頻綜相噪的影響
TPS7A8101評估板初始原理圖如圖11所示,由上節(jié)的測試結(jié)果可知,采納該電路給TRF3765供電,RMS抖動為0.62ps.
第一章中我們已經(jīng)爭論了LDO加一個前饋電容可以有效的提高電源的環(huán)路穩(wěn)定性,從而降低LDO的輸出噪聲頻譜密度?;诖?,我們在TPS7A8101輸出加一個0.47?F的前饋電容,修改后的原理圖如下圖12所示。
針對修改前后的設計,我們對比測試了相應的TRF3765相噪曲線,如圖13所示,由圖可見,增加0.47?F輸出電容后,1KHz到10MHz的RMS抖動由0.62ps提高到0.49ps.
4結(jié)論
綜合以上兩組測試的測試結(jié)果,可以得到下表
由表1可以看到,由于TPS74401的噪聲頻譜密度最小,在給頻綜供電的時候可以取得最好的相噪性能;TPS7A8101噪聲頻譜密度相對較大,在給頻綜供電的時候取
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