Cómo elegir la mejor solución de fuente de alimentación para el rendimiento de ruido de etapa de cadena de señal de RF

Los sistemas de radiofrecuencia (RF) actuales son cada vez más complejos. Esta complejidad añadida requiere un rendimiento óptimo para todas las métricas del sistema, como los presupuestos de enlace estrecho y ruido. Es fundamental asegurar el correcto diseño de toda la cadena de señales. Una parte a menudo pasada por alto de esta cadena de señal es la fuente de alimentación de CC. Desempeña un papel importante en el sistema, pero también puede introducir efectos no deseados. Una medida importante para los sistemas de RF es el ruido de fase, una medida que puede degradarse según la elección de la solución de suministro de energía. Este artículo investiga el efecto de los diseños de potencia en el ruido de fase de los amplificadores de RF. A partir de nuestros datos recopilados, concluimos que una buena elección de los módulos de potencia puede generar una mejora de hasta 10 dB en el ruido de fase y es esencial para optimizar el rendimiento de la cadena de señal de RF.

¿Qué es el ruido de fase?

El ruido de fase es el ruido presente en una señal que proviene de un adelanto o retraso inesperado cuando la señal llega al extremo receptor del sistema. Así como el ruido de amplitud es un desplazamiento o desviación de la amplitud de la señal nominal, el ruido de fase es un desplazamiento o desviación de la fase de la señal nominal.

Los osciladores ideales producen una onda sinusoidal como se expresa en la ecuación 1:

Esta onda estirada tiene una periodicidad perfecta y la transformada de Fourier de V_ideal

Esta forma de onda incluye un proceso estocástico, ϕ

Debido a que la fase cambia ligeramente, ahora hay más de un componente de frecuencia presente en la señal. Por lo tanto, la señal se propaga a través de la frecuencia media.

Provocar y aumentar el ruido de fase.

Una causa importante y a menudo pasada por alto del ruido de fase es la resolución de potencia de CC de la cadena de señal. Cualquier ruido u ondulación en los rieles de alimentación que alimentan la cadena de señal puede acoplarse internamente. Esto puede conducir a un aumento del ruido de fase, que puede enmascarar componentes de frecuencia críticos en el ancho de banda de transmisión o inducir una desviación espuria de la portadora. Estos taps pueden ser extremadamente difíciles de manejar ya que están cerca de la portadora y serían un desafío para los filtros debido a los estrictos requisitos de las bandas de transición.

Muchos factores diferentes pueden contribuir al ruido de fase. Hay tres fuentes principales, conocidas como fondo blanco, disparo y 1/f, o ruido de parpadeo. El ruido de fondo blanco proviene del movimiento térmico aleatorio de electrones libres durante el flujo de corriente. Es similar al ruido de un disparo, que surge de la naturaleza aleatoria del flujo de corriente. A diferencia del fondo blanco y el disparo, el ruido de parpadeo varía con la frecuencia. Como resultado de defectos en la estructura de la red de semiconductores, también es de naturaleza aleatoria. El ruido de parpadeo disminuye con la frecuencia; por lo tanto, es muy deseable una frecuencia de corte baja de 1/f. La curva de ruido de fase normal se aproxima por regiones con una pendiente de 1/f^X , donde x = 0 es la región de fondo de ruido blanco (pendiente = 0 dB/década), y x = 1 es la región de ruido de fase de parpadeo (pendiente = –20 dB/década). Las regiones para x = 2, 3, 4 están más cerca de la frecuencia portadora.

Soluciones de energía

Asegurarse de que los amplificadores estén polarizados y alimentados en una cadena de señal de RF puede ser un desafío, especialmente cuando los voltajes de drenaje también se usan como puerto de salida. Hay muchos tipos de soluciones de energía y topologías en el mercado. La solución de energía que pueda necesitar dependerá de su aplicación y los requisitos del sistema. Para este experimento, se tomaron datos utilizando reguladores lineales de caída baja (LDO) y reguladores de conmutación reductores o reductores, como se muestra en la Figura 3. Los reguladores de conmutación reductores son una solución típica para caídas de alto voltaje con alta eficiencia y temperaturas de funcionamiento más bajas. . Las fuentes de alimentación conmutadas pueden reducir voltajes más altos, como 12 V, a voltajes de nivel de chip más comunes, como 3,3 V y 1,8 V. Sin embargo, pueden causar un ruido de conmutación significativo o una ondulación en el voltaje de salida introducido, lo que resulta en un reducción significativa. . en rendimiento Los reguladores LDO pueden reducir estos voltajes y con menos ruido; sin embargo, su disipación de energía se manifiesta principalmente como calor. Es una buena opción usar un controlador LDO cuando la diferencia entre el voltaje de entrada y salida es pequeña, pero con una resistencia térmica de la unión al ambiente, θ_JAA partir de 30 °C/W, los consumos elevados de corriente de los FPGA y ASIC pueden degradar rápidamente el rendimiento del controlador LDO.

Configuración de prueba

Este experimento utilizó tres productos de potencia de Analog Devices diferentes: LTM8063, LTM4626 y LT3045. Algunas de las especificaciones de datos para las soluciones de energía utilizadas se resumen en la Tabla 1.

La señal de entrada barrió el rango de frecuencia de 100 MHz, 200 MHz, 500 MHz y de 1 GHz a 10 GHz. El ruido de fase se analizó con variación de frecuencia de 10 Hz a 30 MHz. La configuración de la prueba se muestra en la Figura 4. La señal de RF de entrada fue generada internamente por un analizador de ruido de fase FSWP50 de Rohde & Schwarz. Este oscilador tiene un rendimiento excepcional y se utiliza porque se muestra claramente cualquier ruido de etapa aditivo o chorro de modulación de la fuente de alimentación.

Se utilizaron dos amplificadores de Analog Devices para representar un bloque en la cadena de señal de RF.

Resultados

La Figura 5 compara la respuesta de ruido de fase del PA cuando está accionado por un LTM8063 y una fuente de alimentación de banco. Se observa que el PA tiene un rendimiento ligeramente inferior sobre las frecuencias 1/f. La CPU consume mucha más corriente de suministro, lo que resulta en un aumento de alrededor de 2dB a 4dB en el ruido de fase observado.

La Figura 6 muestra la respuesta de ruido de fase del HMC8411 con frecuencias de entrada de 2 GHz y 8 GHz. La respuesta sigue de cerca la relación fase/frecuencia del ruido que se muestra en la Ecuación 3:

Esta relación muestra que cada duplicación de la frecuencia de entrada da como resultado un aumento de aproximadamente 6 dB en el ruido de fase. Esto se puede ver con un aumento de frecuencia de 4x, lo que resulta en un aumento de aproximadamente 12 dB desde una compensación de frecuencia de 10 Hz a 100 Hz.

La Figura 7 muestra la respuesta de ruido de fase del HMC8411 alimentado por el LTM8063 en comparación con la fuente de alimentación de banco a 100 MHz y 10 GHz. La respuesta de ruido de fase de una fuente de alimentación de banco se ha utilizado como punto de referencia para evaluar el rendimiento de varias soluciones de fuente de alimentación. El LTM8063 tiene un rendimiento excelente en un rango de frecuencias en comparación con la potencia de banco, con solo un aumento de alrededor de 2 dB en el piso de ruido de banda ancha.

En general, se utilizará un módulo de alta corriente, como el LTM4626, como fuente de alimentación principal para que la red de distribución de energía se pueda escalonar de acuerdo con las necesidades de cada bloque de circuitos. En la Figura 8, vemos que el LTM8063 exhibe un rendimiento de ruido de fase similar al del LTM4626 en cascada con el controlador LDO de ruido ultra bajo LT3045. Si la salida de voltaje y corriente proporcionada por el LTM8063 puede cumplir con los requisitos de diseño, esta solución de fuente de alimentación puede ahorrar costos y espacio en la placa de forma significativa.

La Figura 9a muestra que las fuentes de alimentación conmutadas pueden exhibir un comportamiento muy diferente en diferentes bandas de frecuencia. El LTM8063 y el LTM4626 también tienen poco efecto sobre el ruido de fase del LNA de potencia por debajo de 5 kHz, pero varían significativamente más allá de eso. El LTM4626 está diseñado y optimizado para alimentar productos digitales de alta gama. Estos dispositivos generalmente requieren una alta eficiencia y una respuesta transitoria rápida, por lo que sus fuentes de alimentación pueden tener características como una impedancia pasiva muy baja, tasas de conmutación rápidas y una ganancia y un ancho de banda de bucle de control altos. Estas características pueden crear algunos milivoltios de perturbación en el voltaje de salida. Aunque insignificantes en un sistema digital, estas perturbaciones pueden degradar el rendimiento de un producto de cadena de señal. A pesar de esto, el espectro de salida que usa el LTM4626 no mostró ninguna corriente significativa con un SFDR de 102,7 dB, como se muestra en la Figura 9b. El LTM8063, sin embargo, fue diseñado para un bajo nivel de ruido, tanto EMI como de salida, para optimizar su rendimiento en aplicaciones de cadena de señal. Tiene muy buena estabilidad de baja frecuencia, pequeña perturbación de salida y mucho menos ruido en el interruptor fundamental y sus armónicos.

Conclusión

Es importante tener en cuenta todas las fuentes de ruido al analizar la cadena de señales. La solución de alimentación de CC es una fuente que a menudo se pasa por alto, que puede combinarse y degradar significativamente el rendimiento de la cadena de señal. Nuestros resultados muestran que la elección correcta de los módulos de potencia es fundamental y que el ruido de fase con un desplazamiento de 10 kHz puede conducir a una mejora de hasta 10 dB. Para esta aplicación, el LTM8063 dio los mejores resultados. Aunque el LTM4626 en cascada con el LT3045 ofreció un rendimiento de ruido de fase comparable, es muy importante conocer la solución de fuente de alimentación adecuada para optimizar su cadena de señal de RF.

Referencias

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