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概要
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今日の無線周波数 (RF) システムはますます複雑になっています。この高度な複雑性により、タイトなリンクやノイズ バジェットなど、すべてのシステム メトリックにわたって最適なパフォーマンスが求められます。信号チェーン全体を適切に設計することが重要です。信号チェーンの中で見落とされがちな部分の 1 つは、DC 電源です。これはシステム内で重要な位置を占めていますが、悪影響を与える可能性もあります。RF システムの重要な指標は位相ノイズであり、選択した電源ソリューションによっては劣化する可能性があります。
全体的なアーキテクチャプロセス
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この記事では、RF アンプの位相ノイズに対する電源設計の影響を調査します。当社のテストデータは、適切なパワーモジュールを選択することで位相ノイズを 10 dB 改善できることを証明しています。これは、RF 信号チェーンのパフォーマンスを最適化するための鍵です。
専門用語の解説
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位相ノイズは、信号がシステムの受信側に到達するときに、予期せぬ進みや遅れによって発生する信号内のノイズです。振幅ノイズが信号の公称振幅からのオフセットまたは偏差であるのと同様に、位相ノイズも信号の公称位相からのオフセットまたは偏差です。
技術的な詳細
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理想的な発振器は、式 1 に示すように正弦波を出力します。
この正弦波は完全な周期性を示し、Videal(t) のフーリエ変換は出力波形の周波数のインパルス関数として表されます。発振器出力のより現実的な表現には、式 2 に示すように、位相 (および振幅) のランダムな変動が含まれます。
この波形にはランダムなプロセス ϕ(t) が含まれており、これにより信号の位相がある程度シフトします。この位相シフトにより、非理想的なクロック出力のフーリエ変換がより似たものになります。
信号チェーンの DC 電源ソリューションは重要ですが、位相ノイズの原因として見落とされがちです。信号チェーンに供給される電源レール上のノイズやリップルは、内部で結合される可能性があります。その結果、位相ノイズが増加し、送信帯域幅内の重要な周波数成分が隠れたり、搬送波からスプリアス オフセットが発生したりする可能性があります。これらのスプリアスはキャリアに近いため対処が特に難しく、厳格な遷移帯域要件によりフィルタに大きな課題をもたらします。
さまざまな要因が位相ノイズの原因となる可能性があります。ホワイト ノイズ、ショット ノイズ、1/f またはフリッカー ノイズの 3 つの主なソースがあります。ホワイト バックグラウンド ノイズは、電流が流れるときの自由電子のランダムな熱運動によって発生します。これは、電流のランダムな性質によって発生するショット ノイズに似ています。ホワイト ノイズやショット ノイズとは異なり、フリッカー ノイズは周波数によって変化します。これは半導体格子構造の欠陥から発生し、本質的にランダムでもあります。フリッカー ノイズは周波数とともに減少するため、低い 1/f コーナー周波数が役立ちます。一般的な位相ノイズ曲線は、1/fX の傾きを持つ領域として近似できます。ここで、x = 0 はホワイト ノイズ領域 (傾き = 0 dB/decade) に対応し、x = 1 はフリッカー位相ノイズ領域 (傾き = -) に対応します。 20dB/10年）。x = 2、3、4 の領域はキャリア周波数に近くなります。
RF 信号チェーンでは、特にドレイン電圧が出力ポートとしても使用される場合、適切なバイアスとアンプへの電力供給を確保することが困難になることがあります。市場にはさまざまな種類の電源ソリューションとトポロジが存在します。どの電源ソリューションが必要かは、アプリケーションとシステム要件によって異なります。この実験では、図 3 に示すように、低ドロップアウト (LDO) リニア レギュレータと降圧スイッチング レギュレータを使用してデータを収集します。降圧スイッチングレギュレータは、高効率と低い動作温度を備えた大きな電圧降下に対する一般的なソリューションです。スイッチング電源は、12 V などのより高い電圧を、3.3 V や 1.8 V などのより一般的に使用されるチップレベルの電圧に降圧できます。ただし、出力電圧に激しいスイッチングが発生する可能性があります。
ノイズやリップルが発生し、性能が著しく低下することがあります。LDO レギュレータはこれらの電圧を降圧することもでき、ノイズも少なくなりますが、消費電力は主に熱の形で発生します。入力電圧と出力電圧の差が小さい場合は、LDO レギュレータを使用するのが良い選択ですが、接続周囲の熱抵抗 θJA が 30°C/W を超えると、FPGA や ASIC からの大電流により LDO の性能が低下します。レギュレーターは劣化が早いです。
まとめ
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例えば：
、パワーアンプの位相雑音応答。パワーアンプの性能は 1/f 周波数をわずかに超えると低下することがわかります。パワーアンプはより多くの供給電流を消費し、観測される位相ノイズは約 2 dB ～ 4 dB 増加します。'
信号チェーン解析を実行するときは、すべてのノイズ源を考慮することが重要です。DC 電源ソリューションは、シグナル チェーンのパフォーマンスに影響を与え、著しく低下させる可能性があるノイズの発生源として見落とされがちです。実験結果は、適切なパワー ブロックの選択が重要であり、10 kHz オフセットで位相ノイズを 10 dB も改善できることを示しています。このアプリケーションでは、LTM8063 が最良の結果をもたらします。LT3045とカスケード接続されたLTM4626は同等の位相ノイズ性能を提供できますが、RF信号チェーンを最適化するには正しい電源ソリューションを選択することが重要であることを理解する必要があります。