LDO环路稳定性及其对射频频综相噪的影响

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摘要
       
        相位噪声是时钟、射频频综最为关注的技术指标之一。影响锁相环相噪的因素有很多，比如电源、参考源相噪、VCO自身的相噪、环路滤波器的设置等。其中，电源引入的低频噪声往往对锁相环的近端相噪有着很大的影响。对于高性能的时钟和射频频综产品，为了获得极低的相噪性能，往往采用低噪声的LDO供电。然而，采用不同的LDO给频综供电，取得的相噪性能往往会有很大差别，同时，LDO外围电路设计也会影响到频综的相噪性能。
       
        本文首先简要地介绍了LDO的噪声来源及环路稳定性对输出噪声的影响；其次，根据调频理论推导出VCO的相位噪声与LDO的噪声频谱密度的理论计算关系。在此基础上，为了验证LDO噪声对射频频综输出相噪的影响，分别采用TPS7A8101和TPS74401 LDO评估板给TRF3765射频频综评估板供电，对比测试这两种情况下的TRF3765相噪曲线；同时，为了验证LDO环路稳定性对频综相噪的影响，针对TPS7A8101评估板的参考电路做出部分修改，并对比测试了电路修改前后的TRF3765输出相噪。
       
        1、LDO噪声来源及环路稳定性对输出噪声影响
       
        1.1 LDO噪声来源
         
        LDO的噪声分为LDO内部的噪声和LDO外部的噪声。LDO内部的噪声来自于内部电路的带隙基准源，放大器以及晶体管。LDO外部的噪声来自于输入。在LDO的手册中，PSRR是表征LDO抑制外部噪声的能力，但PSRR高并不代表LDO内部噪声小。LDO的总输出噪声才是表征LDO内部噪声抑制的参数，一般在电气特性表里用单位？VRMS表示，或者在噪声频谱密度图上表示。
       
       
        图2是LDO内部结构框图，VN代表等效噪声源。噪声源包括带隙基准源产生的噪声VN （REF），误差放大器产生的噪声VN （AMP），FET产生的噪声VN （FET）以及反馈电阻产生的噪声VN （ R1）和VN （ R2）。在大多数情况下，由于带隙基准源电路是由很多不同的电阻、晶体管和电容组成，它所产生的噪声会远远大于反馈电阻产生的噪声。而且带隙基准源是误差放大器的输入，它所产生的噪声也会经由误差放大器放大来控制FET，所以误差放大器本身以及FET所产生的噪声也会比带隙基准源的噪声要低。可以说，LDO内部最大的噪声源就是带隙基准源。我们把LDO输出噪声VN （OUT）表示为
       
       
        VN （ Other）是VN （ AMP）以及VN （FET）的和。由公式1可以得出，输出噪声最小值出现在R1短接到FB，误差放大器的增益近似为1的时候。
       
       
        1.2 LDO噪声抑制方法
         
        为了抑制带隙基准源产生的噪声，有三种办法。
       
        一是降低误差放大器的带宽，抑制了带隙基准源的高频噪声。但是降低带宽会使LDO的动态性能降低。
       
        二是在带隙基准源和误差放大器之间加低通滤波。高性能的LDO都会有一个噪声抑制NR管脚，CNR并联在带隙基准源和GND之间，起到低通滤波的作用。如图3所示。
       
       
        三是在反馈电阻R1上增加前馈电容CFF.在增加了CFF和CNR后，输出噪声可以表示为
       
       
        从式2可以得出，CFF越大，输出噪声就越小。频率越高，输出噪声越小。
       
        图4是不同CFF下的噪声频谱密度图。可以看出，CFF越大，噪声从低频开始都能被很好的抑制。CFF太小的时候，抑制噪声的作用就不太明显。当频率很高的时候，不管用多大的CFF，噪声频谱密度相差不会太大。所以，增加合适的前馈电容CFF，对改善LDO低频噪声有非常好的效果。
       
       
        1.3 LDO环路稳定性与输出噪声的关系
       
       
        从LDO的小信号分析可以看出，LDO有两个低频极点，如果没有合适的零点补偿，LDO的稳定裕度不够，就有可能产生震荡。稳定裕度不够的LDO产生的内部噪声会更大。上节中提到第三种噪声抑制方法，即增加前馈电容CFF是实际上为了改善系统稳定裕度。由CFF与R1组成一个低频零点， 。
        由下图的频率响应可以看出，零点是相位裕度有了很大的提升，增加了系统稳定性，从而减小了系统低频噪声。
       
       
        2、LDO噪声与VCO输出相噪的关系
       
        电源引入噪声对锁相环中各个有源器件都可能造成影响，其中最为敏感的部分是VCO，本文将着重讨论LDO输出噪声对VCO相噪的影响。
       
        一个典型的LDO供电的频综系统框图如图7所示：加载在电源上的噪声信号通过频率调制过程调制到VCO的输出，造成VCO输出相噪恶化。
       
         
       
        根据经典调频系统理论，调制指数β由式（3）来表示
       
        对于电源噪声调制，式中的频率背离（Frequency Deviation）可由下式得到
       
       
        式中，Kpush是VCO的电源推压指数，它表征的是VCO对电源噪声波动的灵敏度，单位用MHz/V来表示；A是电源噪声信号幅度。
       
        对于采用LDO供电的射频频综来说，通常用LDO的指定频率偏移的频谱噪声密度Sldo（f）（Noise Spectrum Density）来表征电源噪声，由于它是一个RMS电压值，所以式（4）可以表示为
       
       
       
        式中，f是相应的频率偏移。
       
        由不同频率成分噪声调制到载波输出引起的单边带噪声，由下式表示
       
       
        由式（8）可见，对于给定的VCO，由于Kpush是一个确定的值，因此由LDO噪声引起的VCO输出相噪是由LDO的噪声频谱密度（Noise Spectrum Density）决定的。
       
        3、采用不同LDO进行射频频综供电对比测试
       
        3.1 TPS7A8101/TPS74401频综供电对比测试
       
        TPS7A8101和TPS74401是TI推出的两款高性能LDO芯片。与TPS74401相比，由于具有更高的环路增益和带宽，TPS7A8101具有更高的电源噪声抑制比（PSRR）；然而，由于具有更好的系统稳定性，TPS74401拥有更低的噪声频谱密度（NSD），如下图8所示。
       
       
        下面我们分别采用TPS7A78101和TPS74401评估板对TRF3765评估板进行供电，比较两者的输出相噪。测试设置如下图9所示，LDO的输入5V电源由Agilent E3634提供，通过LDO评估板后转变成3.3V给TRF3765供电。TRF3765采用评估板上自带的61.44MHZ晶振作为参考输入，输出频率为2.28GHz.TRF3765的射频输出连到R FSQ8相噪分析仪上测试相应的相噪曲线。
       
       
        两者对比测试结果如下图10所示，
       
       
        由上图看见，采用TPS7A8101供电，TRF3765在整个积分区间内（1KHz~10MHz）的RMS抖动为0.62ps；而TPS74401的RMS抖动仅为0.44ps.
       
        3.2 TPS7A8101输出电路优化及其对频综相噪的影响
       
        TPS7A8101评估板初始原理图如图11所示，由上节的测试结果可知，采用该电路给TRF3765供电，RMS抖动为0.62ps.
       
         
       
        第一章中我们已经讨论了LDO加一个前馈电容可以有效的提高电源的环路稳定性，从而降低LDO的输出噪声频谱密度。基于此，我们在TPS7A8101输出加一个0.47 ？F的前馈电容，修改后的原理图如下图12所示。
       
       
        针对修改前后的设计，我们对比测试了相应的TRF3765相噪曲线，如图13所示，由图可见，增加0.47 ？F输出电容后，1KHz到10MHz的RMS抖动由0.62ps提高到0.49ps.
       
       
        4结论
       
        综合以上两组测试的测试结果，可以得到下表
       
       
        由表1可以看到，由于TPS74401的噪声频谱密度最小，在给频综供电的时候可以取得最好的相噪性能；TPS7A8101噪声频谱密度相对较大，在给频综供电的时候取得的相噪性能相对较差；但是通过优化TPS7A8101的输出电路设计，频综的相位噪声得到了明显的改善。
       
        实测结果很好的验证了前文的理论分析，即：LDO的噪声频谱密度参数（NSD）决定了由电源噪声引起的VCO相噪恶化；通过提高LDO的环路稳定性可以达到降低噪声频谱密度的目的，从而改善频综的输出相噪。
       
        5、参考文献[1] LDO Noise Examined In Detail （SLAA412）
       
        [2] LDO Noise Demystified （SLYT489）
       
        [3] Externally Inducted VCO Phase Noise， DENNIS COLIN， Mica Microwave
       
        [4] TPS74401 Datasheet （SBVS066M）
       
        [5] TPS7A8101 Datasheet （SBVS179A）