Разрушение мифов о коэффициенте модуляции питания и чем он отличается от коэффициента подавления нестабильности питания?

Введение и определения

Коэффициент модуляции питания аналогичен хорошо известному термину «коэффициент подавления нестабильности питания» (КПНП), но у него имеется ключевое отличие. КПНП — показатель того, насколько помехи источника питания искажают выходной сигнал электронного компонента. КМП — это мера того, как помехи источника питания, в частности пульсации и шум, модулируются на ВЧ-несущую.

В следующем разделе под названием «Теория» представлена передаточная функция H(s), связывающая КМП с помехами источника питания, то есть, как они количественно модулируются на несущей. H(s) имеет как амплитудную, так и фазовую составляющую и может изменяться в зависимости от частоты и условий работы электронного компонента. Несмотря на количество полученных переменных, коэффициент модуляции источника питания можно использовать для точного прогнозирования фазового шума и влияния паразитных составляющих источника питания на основе характеристик пульсации и шума, приведенных в технической документации на источник питания.

Теория

Рассмотрим пульсации выходного напряжения источника питания постоянного тока, влияющие на ВЧ-компонент (например, малошумящий усилитель высокочастотного тракта). Предположим, пульсации напряжения питания моделируются как синусоидальный сигнал, который колеблется относительно выходного постоянного напряжения. Этот синусоидальный сигнал модулируется на ВЧ-несущую, создавая паразитные сигналы с отстройкой частоты, равной частоте синусоидального сигнала.

Рис. 1. Пульсации в виде синусоидального сигнала источника питания модулируются на ВЧ-несущую, создавая паразитные сигналы

Уровень паразитных выбросов является функцией как амплитуды синусоидального сигнала, так и чувствительности ВЧ-цепи. Паразитный сигнал может быть разбит на амплитудно-модулированную составляющую и на фазомодулированную составляющую. Суммарный уровень мощности паразитного сигнала равен сумме мощности амплитудно-модулированной составляющей и мощности фазомодулированной составляющей.

Введем передаточную функцию H(s), которая представляет собой передаточную функцию от помех напряжения питания к нежелательной модуляции на ВЧ-несущую. H(s) также имеет амплитудно-модулированную и фазомодулированную составляющие. Амплитудно-модулированная составляющая в данном случае обозначается как H_m(s), а фазомодулированная составляющая — как H_θ(s). В следующих уравнениях используется H(s) для проведения практических измерений ВЧ-сигналов, при этом предполагается наличие низких уровней модуляции, приемлемых в плане влияния источника питания на ВЧ-несущую.

Амплитудную модуляцию сигнала можно выразить в виде формулы как:

Составляющую амплитудной модуляции m(t) можно записать следующим образом:

где f_m — частота модуляции.

Уровень амплитудной модуляции ВЧ-несущей может быть напрямую связан с пульсациями напряжения питания:

v_rms — это среднеквадратическое значение переменной составляющей напряжения источника питания. Уравнение (3) имеет очень важное значение и предоставляет механизм для расчета амплитудной модуляции ВЧ-несущей в зависимости от пульсаций напряжения питания.

Уровень паразитных составляющих может быть рассчитан с использованием показателя амплитудной модуляции следующим образом:

Аналогично можно выразить влияние напряжения питания на фазовую модуляцию. Фазомодулированный сигнал определяется как:

Фазомодулированная составляющая равна:

Как и в предыдущем случае, фазовая модуляция может быть напрямую связана с напряжением питания следующим образом:

В уравнении (7) представлен механизм для расчета фазовой модуляции ВЧ-несущей в зависимости от пульсаций напряжения питания. Уровень паразитных составляющих вследствие фазовой модуляции можно найти как:

С целью визуализации влияния m_rms и θ_rms на уровень создаваемых паразитных помех был построен график зависимости уровня паразитных выбросов от m_rms и θ_rms, представленный на рис. 2.

Рис. 2. График зависимости уровня паразитных выбросов от m_rms и θ_rms

Резюмируя написанное выше, следует отметить, что пульсации напряжения питания можно перевести в составляющие модуляции m_rms и θ_rms среднеквадратического синусоидального напряжения питания v_rms. H_m(s) и H_θ(s) являются передаточными функциями от v_rms к m_rms и θ_rms соответственно.

Теперь перейдем к рассмотрению фазового шума. Подобно тому, как синусоидальный сигнал модулируется на несущую, создавая паразитные сигналы, плотность фликкер-шума (1/f) модулируется на несущую, формируя фазовый шум.

Рис. 3. Фликкер-шум напряжения питания модулируется на ВЧ-несущую, создавая фазовый шум

Опять же, если мы возьмем сигнал x(t) с фазовой модуляцией, то вновь запишем его формулу:

В этом случае θ(t) представляет собой составляющую шума.

Спектральная плотность мощности определяется как:

Фазовый шум определяется из спектральной плотности мощности следующим образом:

Затем та же передаточная функция H_θ(s), которая используется для определения паразитных сигналов, возникающих в результате фазовой модуляции, создаваемой пульсацией напряжения питания, применяется для определения фазового шума. В данном случае H_θ(s) используется для расчета фазового шума на основе показателя фликкер-шума напряжения питания.

Пример измерения

Для того чтобы продемонстрировать эти принципы, были проведены работы по определению чувствительности к напряжению питания и фазовому шуму ВЧ-усилителя HMC589A путем измерения этих величин с помощью нескольких источников питания. Использованная при определении данных характеристик схема для оценки HMC589A показана на рис. 4.

Рис. 4. Усилитель HMC589A использовался для демонстрации принципов измерения КМП

Для определения чувствительности к напряжению питания на линию питания 5 В был наложен синусоидальный сигнал. Создаваемые этим синусоидальным сигналом паразитные выбросы на ВЧ-сигнале и паразитные сигналы измерялись в дБн. Все паразитные помехи были разложены на амплитудно-модулированную составляющую и фазомодулированную составляющую. Для проведения измерений применен анализатор фазового шума и анализатор спектра FSWP26 компании Rohde & Schwarz. Измерение уровней амплитудно-модулированных и фазомодулированных составляющих паразитных выбросов основывалось на измерении амплитудно-модулированных и фазомодулированных составляющих шума соответственно. Результаты измерений, проводимых при частоте 3,2 ГГц и мощности входного ВЧ-сигнала 0 дБм, приведены в таблице 1.

Полученные в ходе испытаний данные показали, что чувствительность ВЧ-усилителей к напряжению питания может быть измерена эмпирически с помощью модуляции синусоидального сигнала и полученные результаты могут быть использованы для прогнозирования влияния шума напряжения питания на фазовый шум. Если смотреть более широко, такой подход можно распространить на любой ВЧ-компонент. В данном же случае мы демонстрируем принципы определения характеристик усилителя и проведения измерений.

Во-первых, мы использовали довольно шумный источник питания. Была измерена плотность его шума. Затем были вычислены вносимые напряжением питания помехи, влияющие на фазовый шум, на основе полученной передаточной функции H_θ(s), после чего проведено сравнение с измеренными значениями фазового шума. Для выполнения измерений был задействован Rohde & Schwarz FSWP26. Напряжение шума измерено в режиме измерения шума основной полосы частот. Остаточный фазовый шум усилителя был определен в режиме измерения аддитивного фазового шума с помощью внутреннего генератора испытательной установки. Структурная схема испытательной установки показана на рис. 5. В этой схеме шум генератора подавляется в смесителе, а любой шум, который не является нормальным, устраняется посредством алгоритма взаимной корреляции. Это предоставляет возможность пользователю выполнять измерения сверхмалого остаточного шума.

Рис. 5. Испытательная установка для измерения остаточного фазового шума усилителя с использованием метода взаимной корреляции

На рис. 6 представлены шум напряжения питания, измеренный фазовый шум и прогнозируемые вносимые помехи напряжения питания. Глядя на эти графики, сразу становится очевидно, что в диапазоне отстройки 100 Гц — 100 кГц преобладающей составляющей в фазовом шуме являются помехи, вносимые напряжением питания, и эти вносимые помехи были спрогнозированы с высокой точностью.

Рис. 6. Проверка метода с использованием шумного источника питания

Данные испытания затем были проведены с двумя другими источниками питания. Их результаты представлены на рис. 7. И вновь вносимые напряжением питания в фазовый шум помехи были спрогнозированы очень точно.

Рис. 7. Проверка метода с использованием двух других источников питания

Основная трудность при измерении ВЧ-характеристик компонентов с низким фазовым шумом состоит в обеспечении измерений параметров лишь самого устройства, а не окружающей среды. Чтобы исключить влияние напряжения питания на измерение, был использован малошумящий стабилизатор ADM7150. Плотность шума, указанная в технической документации наряду с результатами измерений напряжения шума устройства, примененного для определения фазового шума, показана на рис. 8.

Рис. 8. Плотность шума малошумящего стабилизатора ADM7150

Представители семейства малошумящих стабилизаторов Analog Devices вместе с их основными параметрами приведены в таблице 2. Все представленные в этой таблице устройства хорошо подходят для питания ВЧ-компонентов, применяемых в ВЧ-схемах с низким фазовым шумом. Для получения дополнительной информации и графиков рабочих характеристик можно ознакомиться с технической документацией на конкретное наименование компонента. В технической документации приведены кривые фазового шума и КПНП при различных частотах отстройки. В таблице плотность шума показана для частоты отстройки 10 кГц, поскольку эта область обычно является граничной для многих стабилизаторов. КПНП указан для частоты отстройки 1 МГц, так как многие линейные стабилизаторы теряют способность подавления при данных частотах, из-за чего понадобятся средства дополнительной фильтрации.

Результаты испытаний с целью определения остаточного фазового шума усилителя HMC589A при питании от ADM7150 представлены на рис. 9 и демонстрируют истинные характеристики усилителя при минимальном уровне шума ниже –170 дБн/Гц, при этом данные показатели фазового шума сохраняются вплоть до частоты отстройки 10 кГц.

Рис. 9. Остаточный фазовый шум HMC589A при частоте 3,2 ГГц и мощности входного ВЧ-сигнала 0 дБм при питании от стабилизатора ADM7150

Системный подход к определению характеристик источников питания

Проектирование источника питания для систем с низким уровнем фазового шума, как правило, предполагает тщательный выбор наилучшего из имеющихся стабилизаторов, при этом игнорируются фактические минимальные технические характеристики, что может привести к чрезмерной трате времени и усилий на разработку. Для разработки мелкосерийных устройств такой подход может быть приемлем, но при проектировании крупносерийных устройств необходимо оптимизировать характеристики, стоимость и сложность, в связи с чем такой подход к разработке может оказаться непозволительной роскошью.

Далее приведен метод количественного определения характеристик источника питания:

• Определите передаточную функцию H(s), используя модуляцию синусоидального сигнала источника питания. H(s) будет функцией частоты, измерения следует проводить для каждой декады.
• Разделите помехи, вносимые напряжением питания, на паразитные выбросы и фазовый шум с некоторым запасом ниже ВЧ-характеристик.
• Рассчитайте пульсацию напряжения питания:

• Рассчитайте шум напряжения питания:

Важным моментом, на который следует обратить внимание при выполнении действий описанного выше шага 1, является понимание того, как будут изменяться H_m(s) и H_θ(s) в рабочих условиях, предполагаемых при проектировании. В случае с HMC589A такое изменение было измерено при различных уровнях мощности и представлено на рис. 10.

Рис. 10. Изменение H_m(s) и H_θ(s) в зависимости от частоты отстройки и уровней мощности при испытании оценочной схемы с усилителем HMC589A на частоте 3,2 ГГц

Заключение

Хотя всем известно, что пульсации и шум источников питания при их использовании в высокочастотных системах должны быть максимально ограничены, их количественное влияние редко когда учитывается должным образом. Приведенный в данной статье системный подход позволит инженеру сделать осознанный выбор источника питания, привнеся дисциплину в процесс количественной оценки влияния источника питания на желаемые ВЧ-характеристики.