如何量化信号处理链中负载的电源噪声灵敏度
作者：pablo perez, jr. and patrick errgy pasaquian
从 5g 到工业应用，收集、通信和存储的数据量不断增加，这扩大了模拟信号处理设备的性能极限，有些达到每秒千兆采样。随着创新的步伐永远不会放缓，下一代电子解决方案将导致解决方案数量进一步缩小，提高电源效率，并对更好的噪声性能提出更大的需求。
人们可能会认为，在各种电源域（模拟、数字、串行数字和数字输入输出（i/o））中产生的噪声应该简单地最小化或隔离，以实现最佳的动态性能，但追求噪声的绝对最小值可能是对收益递减的研究。设计人员如何知道一个或多个电源的噪声性能何时足够？一个好的开始是量化器件的灵敏度，以便电源频谱输出可以与域匹配。知识就是力量：它可以极大地帮助设计，即避免过度设计，从而节省设计时间。
本文概述了如何量化信号处理链中负载的电源噪声灵敏度，以及如何计算最大可接受的电源噪声。还讨论了测量设置。最后，我们将介绍一些策略，以满足电源域灵敏度和实际电源噪声要求。本系列的后续文章将深入探讨如何优化adc、dac和rf收发器的配电网络（pdn）。
了解和量化信号处理负载对电源噪声的敏感性
电源优化的第一步是研究模拟信号处理器件对电源噪声的真实灵敏度。这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具有良好的电源抑制特性，但仅靠它们不足以确定纹波应该有多低。本文演示如何使用psmr和psrr建立纹波容限阈值或最大允许电源噪声。将此阈值与电源频谱输出相匹配是设计优化电源系统设计的基础。如果电源噪声低于其最大规格，优化的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
应了解电源噪声对信号处理设备的影响。这些影响可以通过三个测量参数来量化：
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第一步。
无杂散动态范围 （sfdr）
电源噪声可以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。一种度量是sfdr，它表示可以与大干扰信号区分开来的最小信号，具体而言，载波信号的幅度与最高杂散信号的幅度之比，无论它落在频谱中的哪个位置，因此：
sfdr = 无杂散动态范围 （db）
载波信号=载波信号幅度（峰值或满量程）的均方根值
杂散信号 = 频谱中最高杂散幅度的均方根值
图1.ad9208高速adc的sfdr，使用（a）清洁电源和（b）噪声电源。
sfdr可以相对于满量程（dbfs）或载波信号（dbc）指定。电源纹波会耦合到载波信号中，从而产生不需要的杂散，从而降低sfdr。图1比较了高速adcad9208采用干净电源供电时与噪声电源供电时的sfdr性能。在这种情况下，当1 mhz电源纹波在adc的快速傅里叶变换（fft）频谱输出中以调制杂散的形式出现在载波频率旁边时，电源噪声会使sfdr降低约10 db。
信噪比 （snr）
sfdr取决于频谱中的最高杂散，而snr取决于频谱内的总噪声。snr限制了模拟信号处理系统查看低幅度信号的能力，理论上受到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之和之比，但前五个谐波和直流除外，其中：
信噪比 = 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 = 除前五个谐波外的所有噪声频谱分量的均方根和
噪声电源可以通过耦合载波信号并在输出频谱中添加噪声频谱分量来降低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，ad9208高速adc的snr从56.8 dbfs降至51.7 dbfs。
相位噪声 （pn）
相位噪声是衡量信号频率稳定性的指标。理想情况下，振荡器应该能够在特定的时间段内产生一组特定的稳定频率。然而，在现实世界中，信号上总是存在小的、不需要的幅度和相位波动。这些相位波动或抖动可以在频谱中信号的两侧扩散。
相位噪声可以通过多种方式定义。在本文中，相位噪声被定义为单边带（ssb）相位噪声，这是一个常用的定义，它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：
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.ad9208高速adc的snr，使用（a）干净电源和（b）噪声电源。
图3.（a） 两种不同的电源，输出噪声成分存在显著差异。（b） adrv9009分别由这两个电源供电时的相位噪声性能。
在模拟信号处理器件中，通过时钟电源电压耦合到器件时钟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，增加了载波相应偏移频率处的功率密度，从而增加了相位噪声。
图3显示了adrv9009收发器由两个不同电源供电时的相位噪声性能比较。图3a显示了两个电源的噪声频谱，图3b显示了产生的相位噪声。两个电源均基于 ltm8063 μmodule 稳压器，扩频频率调制 （ssfm） 接通。ssfm的优点是，通过将基波分布到一定频率范围内，它可以改善转换器基波开关频率及其谐波的噪声性能。这可以从图3a中看出——注意1 mhz处相对较宽的噪声峰值及其谐波。代价是ssfm的三角波调制频率产生低于100 khz的噪声，请注意峰值从2 khz左右开始。®
备用电源增加了一个低通滤波器，以抑制1 mhz以上的噪声，并增加了一个低压差（ldo）后置稳压器adp1764，以降低整体本底噪声，特别是低于10 khz（主要是ssfm引起的噪声）。由于附加滤波，电源噪声的整体改善导致相位噪声性能增强，低于10 khz失调频率，如图3b所示。
模拟信号处理器件的电源噪声灵敏度
负载对电源纹波的灵敏度可以通过两个参数来量化：
电源抑制比 （psrr）
电源调制比
电源抑制比 （psrr）
psrr表示器件在一定频率范围内衰减电源引脚噪声的能力。通常，有两种类型的psrr：静态（直流）psrr和动态（交流）psrr。直流psrr用作衡量由直流电源电压变化引起的输出失调变化的指标。这是一个最小的问题，因为电源系统应为负载提供经过良好调节的直流电压。另一方面，ac psrr表示设备在一定频率范围内抑制直流电源中的交流信号的能力。
ac psrr 是通过在器件的电源引脚上注入正弦波信号并观察注入频率下数据转换器/收发器输出频谱本底噪声上出现的误差杂散来确定的（图 4）。ac psrr定义为注入信号的测量幅度与输出频谱上误差杂散的相应幅度之比，其中：
误差杂散 = 由于注入纹波而在输出频谱中看到的杂散幅度
注入纹波 = 在输入电源引脚耦合和测量的正弦波幅度
图4.由于电源纹波，模拟信号处理设备的输出频谱会出现误差。
图5显示了典型psrr设置的框图。以10 gsps高速adc9213为例，1 mhz、13.3 mv p-p正弦波在1.0 v模拟电源轨处有效耦合。相应的1 mhz数字化杂散出现在adc的–108 dbfs fft频谱本底噪声上方。1 mhz数字化杂散为–81 dbfs，对应于124.8 μv的峰峰值电压，参考模拟输入满量程范围1.4 v p-p。使用公式4计算1 mhz时的交流psrr，得出1 mhz时的交流psrr为40.5 db。 图6显示了ad9213在1.0 v avdd供电轨下的交流psrr。
图5.psrr/psmr 测试设置的简化框图。
figure 6. ad9213 high speed adc ac psrr for a 1.0 v avdd rail.
power supply modulation ratio (psmr)
psmr对模拟信号处理设备的影响与psrr不同。psmr显示器件在与rf载波信号调制时对电源噪声的灵敏度。该效应可以看作是施加到器件的载波频率周围的调制杂散，并显示为载波边带。
电源调制是通过使用线路馈电器/耦合电路将输入纹波信号与干净的直流电压相结合来实现的。电源纹波作为正弦波信号从信号发生器注入电源引脚。调制到rf载波的正弦波产生边带杂散，其偏移频率等于正弦波频率。杂散的电平受正弦波幅度和器件灵敏度的影响。简化的psmr测试设置与psrr相同，如图5所示，但输出显示集中在载波频率及其边带杂散上，如图7所示。psmr定义为电源注入纹波幅度与载波周围调制边带杂散幅度的比值，其中：
调制杂散 = 由于注入纹波而在载波频率边带处的杂散幅度
注入纹波 = 在输入电源引脚耦合和测量的正弦波幅度
图7.由于电源纹波，载波信号中的调制边带杂散。
考虑ad9175 12.6 gsps高速dac，采用100 mhz载波工作，10 mhz电源纹波约为3.05 mv p-p，在1.0 v avdd供电轨上主动耦合。载波信号的边带中出现相应的24.6 μv p-p调制杂散，失调等于约10 mhz的电源纹波频率。 使用公式5计算10 mhz时的psmr得到41.9 db。图8所示为ad9175 1.0v avdd电源轨psmr，用于通道dac0在不同载波频率下。
图8.ad9175高速dac psmr，用于1.0 v avdd供电轨（通道dac0）。
确定最大允许电源纹波
psmr可以与用电器件的基准阈值结合使用，以确定模拟信号处理器件每个电源域上的最大允许电压纹波。基准阈值本身可以是代表器件可以承受的允许杂散水平（由电源纹波引起）的几个值之一，而不会显著影响其动态性能。该杂散电平可以是无杂散动态范围（sfdr）、最小有效位（lsb）的百分比或输出频谱本底噪声。公式6显示了最大允许输入纹波（vr_max） 作为 psmr 和每个设备的测量本底噪声的函数，其中：
vr_max= 在输出频谱本底噪声中产生杂散之前每个电源轨上的最大允许电压纹波
psmr = 目标电源轨的噪声灵敏度（单位：db）
阈值 = 预定义的参考阈值（在本文中，输出频谱本底噪声）
例如，ad9175的输出频谱本底噪声约为1 μv p-p。1800 mhz载波在10 mhz纹波时的psmr约为20.9 db。使用公式6，器件电源引脚在不降低动态性能的情况下可以承受的最大允许纹波为11.1 μv p-p。
图9显示了lt8650s降压静音开关稳压器稳压器（带或不带输出lc滤波器）的频谱输出与ad9175在1.0 v avdd供电轨上的最大允许纹波的综合结果。稳压器频谱输出包含基波开关频率及其谐波的杂散。lt8650s直接为ad9175供电会产生超过最大允许阈值的基波，导致输出频谱中产生调制边带杂散，如图10所示。只需添加一个lc滤波器，开关杂散就会降低到最大允许纹波以下，如图11所示。®
图9.lt8650s电源频谱输出与1.0 v avdd轨下最大允许电压纹波的关系。
图 10.ad9175 dac0输出频谱，载波频率为1800 mhz，采用lt8650s直流-直流静音开关转换器直接输出至avdd电源轨。
图 11.ad9175 dac0输出频谱，载波频率为1800 mhz，采用lt8650s和lc滤波器电源。
结论
高速模拟信号处理器件的卓越动态性能很容易被电源噪声所削弱。必须彻底了解信号链对电源噪声的敏感性，以避免系统性能下降。这可以通过建立最大允许纹波来确定，这对于设计配电网络（pdn）至关重要。当已知最大允许纹波阈值时，可以采用各种方法来设计优化的电源。与最大允许纹波相差良好表明 pdn 不会降低高速模拟信号处理设备的动态性能。
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人们可能会认为，在各种电源域（模拟、数字、串行数字和数字输入输出（i/o））中产生的噪声应该简单地最小化或隔离，以实现最佳的动态性能，但追求噪声的绝对最小值可能是对收益递减的研究。设计人员如何知道一个或多个电源的噪声性能何时足够？一个好的开始是量化器件的灵敏度，以便电源频谱输出可以与域匹配。知识就是力量：它可以极大地帮助设计，即避免过度设计，从而节省设计时间。
本文概述了如何量化信号处理链中负载的电源噪声灵敏度，以及如何计算最大可接受的电源噪声。还讨论了测量设置。最后，我们将介绍一些策略，以满足电源域灵敏度和实际电源噪声要求。本系列的后续文章将深入探讨如何优化adc、dac和rf收发器的配电网络（pdn）。
了解和量化信号处理负载对电源噪声的敏感性
电源优化的第一步是研究模拟信号处理器件对电源噪声的真实灵敏度。这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具有良好的电源抑制特性，但仅靠它们不足以确定纹波应该有多低。本文演示如何使用psmr和psrr建立纹波容限阈值或最大允许电源噪声。将此阈值与电源频谱输出相匹配是设计优化电源系统设计的基础。如果电源噪声低于其最大规格，优化的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
应了解电源噪声对信号处理设备的影响。这些影响可以通过三个测量参数来量化：
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第一步。
无杂散动态范围 （sfdr）
电源噪声可以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。一种度量是sfdr，它表示可以与大干扰信号区分开来的最小信号，具体而言，载波信号的幅度与最高杂散信号的幅度之比，无论它落在频谱中的哪个位置，因此：
sfdr = 无杂散动态范围 （db）
载波信号=载波信号幅度（峰值或满量程）的均方根值
杂散信号 = 频谱中最高杂散幅度的均方根值
图1.ad9208高速adc的sfdr，使用（a）清洁电源和（b）噪声电源。
sfdr可以相对于满量程（dbfs）或载波信号（dbc）指定。电源纹波会耦合到载波信号中，从而产生不需要的杂散，从而降低sfdr。图1比较了高速adcad9208采用干净电源供电时与噪声电源供电时的sfdr性能。在这种情况下，当1 mhz电源纹波在adc的快速傅里叶变换（fft）频谱输出中以调制杂散的形式出现在载波频率旁边时，电源噪声会使sfdr降低约10 db。
信噪比 （snr）
sfdr取决于频谱中的最高杂散，而snr取决于频谱内的总噪声。snr限制了模拟信号处理系统查看低幅度信号的能力，理论上受到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之和之比，但前五个谐波和直流除外，其中：
信噪比 = 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 = 除前五个谐波外的所有噪声频谱分量的均方根和
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相位噪声 （pn）
相位噪声是衡量信号频率稳定性的指标。理想情况下，振荡器应该能够在特定的时间段内产生一组特定的稳定频率。然而，在现实世界中，信号上总是存在小的、不需要的幅度和相位波动。这些相位波动或抖动可以在频谱中信号的两侧扩散。
相位噪声可以通过多种方式定义。在本文中，相位噪声被定义为单边带（ssb）相位噪声，这是一个常用的定义，它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：
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.ad9208高速adc的snr，使用（a）干净电源和（b）噪声电源。
图3.（a） 两种不同的电源，输出噪声成分存在显著差异。（b） adrv9009分别由这两个电源供电时的相位噪声性能。
在模拟信号处理器件中，通过时钟电源电压耦合到器件时钟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，增加了载波相应偏移频率处的功率密度，从而增加了相位噪声。
图3显示了adrv9009收发器由两个不同电源供电时的相位噪声性能比较。图3a显示了两个电源的噪声频谱，图3b显示了产生的相位噪声。两个电源均基于 ltm8063 μmodule 稳压器，扩频频率调制 （ssfm） 接通。ssfm的优点是，通过将基波分布到一定频率范围内，它可以改善转换器基波开关频率及其谐波的噪声性能。这可以从图3a中看出——注意1 mhz处相对较宽的噪声峰值及其谐波。代价是ssfm的三角波调制频率产生低于100 khz的噪声，请注意峰值从2 khz左右开始。®
备用电源增加了一个低通滤波器，以抑制1 mhz以上的噪声，并增加了一个低压差（ldo）后置稳压器adp1764，以降低整体本底噪声，特别是低于10 khz（主要是ssfm引起的噪声）。由于附加滤波，电源噪声的整体改善导致相位噪声性能增强，低于10 khz失调频率，如图3b所示。
模拟信号处理器件的电源噪声灵敏度
负载对电源纹波的灵敏度可以通过两个参数来量化：
电源抑制比 （psrr）
电源调制比
电源抑制比 （psrr）
psrr表示器件在一定频率范围内衰减电源引脚噪声的能力。通常，有两种类型的psrr：静态（直流）psrr和动态（交流）psrr。直流psrr用作衡量由直流电源电压变化引起的输出失调变化的指标。这是一个最小的问题，因为电源系统应为负载提供经过良好调节的直流电压。另一方面，ac psrr表示设备在一定频率范围内抑制直流电源中的交流信号的能力。
ac psrr 是通过在器件的电源引脚上注入正弦波信号并观察注入频率下数据转换器/收发器输出频谱本底噪声上出现的误差杂散来确定的（图 4）。ac psrr定义为注入信号的测量幅度与输出频谱上误差杂散的相应幅度之比，其中：
误差杂散 = 由于注入纹波而在输出频谱中看到的杂散幅度
注入纹波 = 在输入电源引脚耦合和测量的正弦波幅度
图4.由于电源纹波，模拟信号处理设备的输出频谱会出现误差。
图5显示了典型psrr设置的框图。以10 gsps高速adc9213为例，1 mhz、13.3 mv p-p正弦波在1.0 v模拟电源轨处有效耦合。相应的1 mhz数字化杂散出现在adc的–108 dbfs fft频谱本底噪声上方。1 mhz数字化杂散为–81 dbfs，对应于124.8 μv的峰峰值电压，参考模拟输入满量程范围1.4 v p-p。使用公式4计算1 mhz时的交流psrr，得出1 mhz时的交流psrr为40.5 db。 图6显示了ad9213在1.0 v avdd供电轨下的交流psrr。
图5.psrr/psmr 测试设置的简化框图。
figure 6. ad9213 high speed adc ac psrr for a 1.0 v avdd rail.
power supply modulation ratio (psmr)
psmr对模拟信号处理设备的影响与psrr不同。psmr显示器件在与rf载波信号调制时对电源噪声的灵敏度。该效应可以看作是施加到器件的载波频率周围的调制杂散，并显示为载波边带。
电源调制是通过使用线路馈电器/耦合电路将输入纹波信号与干净的直流电压相结合来实现的。电源纹波作为正弦波信号从信号发生器注入电源引脚。调制到rf载波的正弦波产生边带杂散，其偏移频率等于正弦波频率。杂散的电平受正弦波幅度和器件灵敏度的影响。简化的psmr测试设置与psrr相同，如图5所示，但输出显示集中在载波频率及其边带杂散上，如图7所示。psmr定义为电源注入纹波幅度与载波周围调制边带杂散幅度的比值，其中：
调制杂散 = 由于注入纹波而在载波频率边带处的杂散幅度
注入纹波 = 在输入电源引脚耦合和测量的正弦波幅度
图7.由于电源纹波，载波信号中的调制边带杂散。
考虑ad9175 12.6 gsps高速dac，采用100 mhz载波工作，10 mhz电源纹波约为3.05 mv p-p，在1.0 v avdd供电轨上主动耦合。载波信号的边带中出现相应的24.6 μv p-p调制杂散，失调等于约10 mhz的电源纹波频率。 使用公式5计算10 mhz时的psmr得到41.9 db。图8所示为ad9175 1.0v avdd电源轨psmr，用于通道dac0在不同载波频率下。
图8.ad9175高速dac psmr，用于1.0 v avdd供电轨（通道dac0）。
确定最大允许电源纹波
psmr可以与用电器件的基准阈值结合使用，以确定模拟信号处理器件每个电源域上的最大允许电压纹波。基准阈值本身可以是代表器件可以承受的允许杂散水平（由电源纹波引起）的几个值之一，而不会显著影响其动态性能。该杂散电平可以是无杂散动态范围（sfdr）、最小有效位（lsb）的百分比或输出频谱本底噪声。公式6显示了最大允许输入纹波（vr_max） 作为 psmr 和每个设备的测量本底噪声的函数，其中：
vr_max= 在输出频谱本底噪声中产生杂散之前每个电源轨上的最大允许电压纹波
psmr = 目标电源轨的噪声灵敏度（单位：db）
阈值 = 预定义的参考阈值（在本文中，输出频谱本底噪声）
例如，ad9175的输出频谱本底噪声约为1 μv p-p。1800 mhz载波在10 mhz纹波时的psmr约为20.9 db。使用公式6，器件电源引脚在不降低动态性能的情况下可以承受的最大允许纹波为11.1 μv p-p。
图9显示了lt8650s降压静音开关稳压器稳压器（带或不带输出lc滤波器）的频谱输出与ad9175在1.0 v avdd供电轨上的最大允许纹波的综合结果。稳压器频谱输出包含基波开关频率及其谐波的杂散。lt8650s直接为ad9175供电会产生超过最大允许阈值的基波，导致输出频谱中产生调制边带杂散，如图10所示。只需添加一个lc滤波器，开关杂散就会降低到最大允许纹波以下，如图11所示。®
图9.lt8650s电源频谱输出与1.0 v avdd轨下最大允许电压纹波的关系。
图 10.ad9175 dac0输出频谱，载波频率为1800 mhz，采用lt8650s直流-直流静音开关转换器直接输出至avdd电源轨。
图 11.ad9175 dac0输出频谱，载波频率为1800 mhz，采用lt8650s和lc滤波器电源。
结论
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