【導(dǎo)讀】在5G基站、防務(wù)領(lǐng)域、精密儀器等對噪聲極度敏感的射頻系統(tǒng)中，電源噪聲直接影響信號完整性。傳統(tǒng)降壓+LDO的二級供電方案雖能降噪，卻面臨體積大、效率低、成本高的痛點(diǎn)。新型超低噪聲開關(guān)穩(wěn)壓器Silent Switcher? 3系列打破這一局限，憑借0.1Hz-100kHz頻段噪聲低于LDO的突破性性能，結(jié)合單級架構(gòu)優(yōu)勢，為射頻工程師提供了更緊湊、高效、經(jīng)濟(jì)的電源解決方案。本文通過鎖相環(huán)時(shí)鐘與高速ADC兩大案例，深入解析其如何平衡降噪需求與系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。
摘要
在5G基站、防務(wù)領(lǐng)域、精密儀器等對噪聲極度敏感的射頻系統(tǒng)中，電源噪聲直接影響信號完整性。傳統(tǒng)降壓+LDO的二級供電方案雖能降噪，卻面臨體積大、效率低、成本高的痛點(diǎn)。新型超低噪聲開關(guān)穩(wěn)壓器Silent Switcher? 3系列打破這一局限，憑借0.1Hz-100kHz頻段噪聲低于LDO的突破性性能，結(jié)合單級架構(gòu)優(yōu)勢，為射頻工程師提供了更緊湊、高效、經(jīng)濟(jì)的電源解決方案。本文通過鎖相環(huán)時(shí)鐘與高速ADC兩大案例，深入解析其如何平衡降噪需求與系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。
引言
射頻(RF)系統(tǒng)對電源解決方案的噪聲性能提出了更嚴(yán)格的要求，因?yàn)橐獞?yīng)用于包括航空航天與防務(wù)、5G無線應(yīng)用、醫(yī)療設(shè)備、儀器儀表等在內(nèi)的多種領(lǐng)域。電源解決方案的輸出噪聲低是維持系統(tǒng)出眾性能的關(guān)鍵因素之一。因此，噪聲敏感型RF應(yīng)用的市場份額正在迅速擴(kuò)大。傳統(tǒng)上，降壓式(buck)穩(wěn)壓器與低壓差(LDO)穩(wěn)壓器組合而成的電源樹解決方案在噪聲敏感型應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo)地位。然而，隨著下一代產(chǎn)品中的負(fù)載消耗的電流越來越大，降壓式穩(wěn)壓器與LDO穩(wěn)壓器組合的解決方案成為了系統(tǒng)瓶頸。受限于LDO穩(wěn)壓器有限的電流承載能力，此類解決方案暴露出尺寸大、成本高、損耗顯著等弊端。
近年來，超低噪聲開關(guān)穩(wěn)壓器得到了發(fā)展，具備出色的電磁干擾(EMI)性能及超低的低頻（0.1 Hz至100 kHz）噪聲。1,2,3 先進(jìn)的超低噪聲開關(guān)穩(wěn)壓器的低頻噪聲可與市面上性能最佳的超低噪聲LDO穩(wěn)壓器相媲美。進(jìn)階型超低噪聲開關(guān)穩(wěn)壓器在噪聲敏感型應(yīng)用領(lǐng)域中堪稱變革性的存在，兼顧超低噪聲、高電流承載能力、高效率和小尺寸的優(yōu)勢。
Silent Switcher 3是創(chuàng)新的超低噪聲開關(guān)穩(wěn)壓器系列，在上述四個(gè)關(guān)鍵性能維度均處于行業(yè)領(lǐng)先水平。1 此前，ADI 推出的Silent Switcher 1和2系列已成為開關(guān)穩(wěn)壓器領(lǐng)域的標(biāo)桿之作，以高效率、低電磁干擾噪聲和小尺寸解決方案著稱，能夠支持最高65 V的輸入電壓和30 A的輸出電流。而Silent Switcher 3則在Silent Switcher1和2的成功技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)一步革新，相較于LDO穩(wěn)壓器，能更高效地輸出大電流，僅靠單個(gè)集成電路（采用4 mm×4 mm的緊湊型封裝），就能實(shí)現(xiàn)高達(dá)16 A的電流輸出。相較于Silent Switcher 2系列，Silent Switcher 3系列憑借創(chuàng)新的電路與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，成功實(shí)現(xiàn)了超低的低頻輸出噪聲。1 如表1所示，Silent Switcher 3穩(wěn)壓器在低頻范圍內(nèi)的輸出噪聲低于未采用超低噪聲設(shè)計(jì)的LDO穩(wěn)壓器。因此，在噪聲敏感型RF應(yīng)用中，基于單個(gè)超低噪聲開關(guān)穩(wěn)壓器的單級電源解決方案在取代傳統(tǒng)的降壓式穩(wěn)壓器加LDO穩(wěn)壓器解決方案方面極具競爭力。本文將依托多個(gè)案例研究，介紹在噪聲敏感型應(yīng)用中采用超低噪聲開關(guān)穩(wěn)壓器Silent Switcher 3所帶來的系統(tǒng)性能及顯著優(yōu)勢。同時(shí)，文中還將詳細(xì)闡述如何充分利用Silent Switcher 3穩(wěn)壓器在器件層面的優(yōu)異性能，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的系統(tǒng)層面性能目標(biāo)。
使用超低噪聲開關(guān)穩(wěn)壓器為鎖相環(huán)(PLL)供電
RF系統(tǒng)中的許多組件和系統(tǒng)對噪聲都很敏感，例如PLL、高速ADC/DAC、混合信號前端MxFE?等。特別是高性能PLL，它是RF系統(tǒng)中最重要的組件之一，能為ADC、DAC、FPGA和其他數(shù)字和混合信號IC提供所需的高質(zhì)量時(shí)鐘信號。本節(jié)將探討如何利用基于Silent Switcher 3技術(shù)的單級解決方案，為高性能PLL供電并實(shí)現(xiàn)出色的PLL性能。本次研究選用了ADF4372，這是一款廣受歡迎的額定頻率為5 GHz的高性能PLL頻率合成器。4 圖1顯示了詳細(xì)的電源結(jié)構(gòu)和用于實(shí)驗(yàn)研究的演示板。
表1.不同電源的輸出噪聲比較
圖1.(a) ADF4372的具體電源結(jié)構(gòu)；(b) ADF4372的演示板。
在RF應(yīng)用中，高性能PLL的性能主要依據(jù)一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)予以評估，即相位噪聲。相位噪聲的計(jì)算方式為，將1 Hz帶寬范圍內(nèi)的噪聲功率相對于主RF信號功率做歸一化處理，其詳細(xì)定義如公式1所示。
因此，相位噪聲始終為負(fù)數(shù)，其值越低越理想。相位噪聲的單位是dBc/Hz，其中c表示該值是根據(jù)載波功率進(jìn)行歸一化處理所得。如圖1所示，ADF4372需要兩條電源軌，分別為3.3 V和5 V。其中，5 V電源軌的敏感度最高，因?yàn)樗鼮镻LL內(nèi)部的壓控振蕩器(VCO)供電。4 在本案例研究中，3.3 V電源始終由超低噪聲LDO穩(wěn)壓器(LT3045)供應(yīng)，而5 V電源則由Silent Switcher 3穩(wěn)壓器驅(qū)動，旨在研究Silent Switcher 3穩(wěn)壓器對RF輸出信號相位噪聲的影響。
圖2給出了在采用基于Silent Switcher 3穩(wěn)壓器(LT8625S)的單級解決方案為PLL的 5V 電源軌供電時(shí)，其相位噪聲性能的基準(zhǔn)評估結(jié)果。2 基準(zhǔn)評估使用的是LT8625S演示板，僅對演示板進(jìn)行了最小限度的改動以實(shí)現(xiàn)5V供電。如圖2所示，在這種情況下，ADF4372仍能實(shí)現(xiàn)出色的相位噪聲表現(xiàn)。從10Hz到100kHz，所測得的相位噪聲與采用LDO穩(wěn)壓器為5V電源軌供電時(shí)的情況近乎一致。然而，在約250kHz處出現(xiàn)了一個(gè)尖峰，導(dǎo)致在100kHz至500kHz范圍內(nèi)的相位噪聲略有升高。約250kHz處的相位噪聲尖峰是由Silent Switcher 3穩(wěn)壓器的輸出噪聲引起的，該穩(wěn)壓器在此頻率范圍內(nèi)的輸出噪聲也有一個(gè)平臺區(qū)。由于VCO的輸出對其電源噪聲高度敏感，Silent Switcher 3穩(wěn)壓器的輸出噪聲會傳導(dǎo)至輸出RF信號的相位噪聲上。
Silent Switcher 3穩(wěn)壓器的輸出噪聲尖峰是由低控制環(huán)路增益（約0 dB）造成的，由于增益太弱，無法抑制此頻率范圍內(nèi)的輸出噪聲。關(guān)于這一機(jī)制的詳細(xì)解釋，可參閱Silent Switcher 3系列的數(shù)據(jù)手冊。2 可以通過調(diào)整補(bǔ)償來增加Silent Switcher 3穩(wěn)壓器的控制帶寬，從而降低噪聲尖峰。因此，通過優(yōu)化Silent Switcher 3穩(wěn)壓器的控制環(huán)路以獲得更高的控制帶寬，相位噪聲可以得到進(jìn)一步降低，如圖3所示。圖2中的基線相位噪聲評估結(jié)果，是在Silent Switcher 3穩(wěn)壓器處于慢補(bǔ)償和低控制帶寬的條件下得出的。通過優(yōu)化控制環(huán)路并實(shí)現(xiàn)高帶寬，約250 kHz處的相位噪聲尖峰幾乎被消除，降低幅度超過10 dBc/Hz。盡管如此，在100 kHz至500 kHz的頻率范圍內(nèi)，基于Silent Switcher 3穩(wěn)壓器的單級解決方案所產(chǎn)生的相位噪聲仍略高于采用超低噪聲低LDO的兩級解決方案。
圖2.超低噪聲LDO穩(wěn)壓器(LT3045)與Silent Switcher 3穩(wěn)壓器(LT8625S)的5 V相位噪聲基線比較。
圖3.Silent Switcher 3穩(wěn)壓器控制帶寬對高性能PLL相位噪聲的影響。
為了進(jìn)一步提升Silent Switcher 3穩(wěn)壓器供電時(shí)的相位噪聲性能，可以設(shè)計(jì)并添加一個(gè)次級（第二個(gè)）LC濾波器至Silent Switcher 3穩(wěn)壓器的輸出端。詳細(xì)的電路圖如圖 4 所示，其中展示了一個(gè)基于Silent Switcher 3穩(wěn)壓器的單級解決方案，使用了第二級LC濾波器為 5 V電源軌供電。配置了第二級LC濾波器后，輸出電壓的檢測既可以在本地輸出端進(jìn)行，也可在第二級 LC 濾波器后的遠(yuǎn)端輸出端完成。本案例中選擇在本地輸出端檢測輸出電壓，以便簡化控制環(huán)路的設(shè)計(jì)。由于高性能PLL的電流消耗較低（通常低于1A），第二級LC濾波器兩端的電壓降很小，因此僅檢測本地輸出電壓是合理的。因此，選擇使用本地輸出電容來保證Silent Switcher 3穩(wěn)壓器的穩(wěn)定運(yùn)行。然后，根據(jù)一般的設(shè)計(jì)指南建議，遠(yuǎn)端輸出電容應(yīng)高于本地輸出電容，以使系統(tǒng)穩(wěn)定性對負(fù)載電容的敏感度降低。5
圖4.帶有第二級LC濾波器的Silent Switcher 3穩(wěn)壓器的電路圖，用于為PLL提供5 V的電壓。
在確定了本地輸出電容和遠(yuǎn)端輸出電容之后，第二級電感L2可以根據(jù)截止頻率，也就是第二級LC濾波器的諧振頻率來進(jìn)行選擇。如圖3所示，設(shè)計(jì)目標(biāo)是在250 kHz處實(shí)現(xiàn)大于10 dBc/Hz的衰減量，因而要求第二級LC濾波器在250 kHz處至少產(chǎn)生20 dB的衰減量。為了提供更高的裕度，采用在250 kHz時(shí)實(shí)現(xiàn)30 dB衰減量的設(shè)計(jì)，因此第二級LC濾波器（衰減斜率為-40 dB/dec）的截止頻率應(yīng)為44.6 kHz。由此計(jì)算得出，第二級 LC 濾波器的電感值為260 nH?？紤]到電感的公差（通常為 ±20%），最終選定的電感值為330 nH。最后但同樣重要的是，在第二級LC濾波器的設(shè)計(jì)中應(yīng)實(shí)現(xiàn)足夠的阻尼，通常的經(jīng)驗(yàn)法則是將品質(zhì)因數(shù)Q控制在1.5以下。因此，添加120 m?的阻尼電阻并將其與遠(yuǎn)端輸出電容串聯(lián)，從而使有效品質(zhì)因數(shù)Q達(dá)到0.7。
如圖4所示，配備了所設(shè)計(jì)的第二級LC濾波器后，基于Silent Switcher 3穩(wěn)壓器的解決方案所實(shí)現(xiàn)的相位噪聲性能，幾乎與采用超低噪聲LDO穩(wěn)壓器的兩級解決方案相當(dāng)。如圖5所示，所設(shè)計(jì)的第二級LC濾波器進(jìn)一步提升了由Silent Switcher 3穩(wěn)壓器供電時(shí)的相位噪聲性能，使得在10 Hz到10 MHz的頻率范圍內(nèi)，與超低噪聲LDO穩(wěn)壓器的效果幾乎相同。盡管由Silent Switcher 3穩(wěn)壓器供電產(chǎn)生的相位噪聲結(jié)果在2 MHz處因開關(guān)頻率的緣故仍然存在一個(gè)微小的雜散信號，但這個(gè)雜散信號的頻率是可預(yù)測的，且與載波頻率相距較遠(yuǎn)，因此并不難處理。
圖5.超低噪聲LDO穩(wěn)壓器(LT3045)與帶第二級LC濾波器的Silent Switcher 3穩(wěn)壓器(LT8625S)在輸出5 V電壓時(shí)的ADF4372相位噪聲比較。
此外，無論是否配備設(shè)計(jì)的第二級LC濾波器，Silent Switcher 3解決方案所產(chǎn)生的相位噪聲，都遠(yuǎn)低于Silent Switcher 2穩(wěn)壓器(LTM8024)和其他供應(yīng)商的常規(guī)開關(guān)穩(wěn)壓器。如圖6a所示，作為一款超低噪聲降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器，與Silent Switcher 2穩(wěn)壓器和常規(guī)開關(guān)穩(wěn)壓器相比，Silent Switcher 3穩(wěn)壓器在1 kHz至500 kHz的頻率范圍內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)低得多的相位噪聲。在低于1 kHz的頻率下，不同電源供電時(shí)所測得的相位噪聲并無差異。這是因?yàn)樵谌绱说偷念l率下，高性能PLL的相位噪聲主要由PLL的參考時(shí)鐘決定，而非電源。此外，如圖6b所示，Silent Switcher 3穩(wěn)壓器在沒有針對超低噪聲進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)的情況下，也能實(shí)現(xiàn)比LDO穩(wěn)壓器更低的相位噪聲。在5 kHz至100 kHz范圍內(nèi)，兩者的相位噪聲差值大于10 dBc/Hz，其中Silent Switcher 3穩(wěn)壓器在輸出噪聲方面優(yōu)于未采用超低噪聲設(shè)計(jì)的LDO穩(wěn)壓器（見表1）。綜上所述，通過合理的控制環(huán)路和濾波器設(shè)計(jì)，基于Silent Switcher 3穩(wěn)壓器的單級解決方案能夠?qū)崿F(xiàn)與采用超低噪聲LDO穩(wěn)壓器的兩級解決方案近乎相同的PLL性能。基于Silent Switcher 3穩(wěn)壓器的單級解決方案，相較于采用未進(jìn)行超低噪聲設(shè)計(jì)的LDO穩(wěn)壓器的兩級解決方案，能為PLL提供更好的相位噪聲性能。
使用超低噪聲開關(guān)穩(wěn)壓器為ADC系統(tǒng)供電
本節(jié)重點(diǎn)介紹采用基于Silent Switcher 3穩(wěn)壓器的單級電源解決方案為ADC系統(tǒng)所帶來的優(yōu)勢。ADC系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于眾多RF應(yīng)用，例如5G/無線通信、防務(wù)等。一個(gè)典型的ADC系統(tǒng)通常由PLL時(shí)鐘、ADC和數(shù)字處理器組成。本案例研究選用了一款進(jìn)階型高速ADC，即帶寬為9 GHz的AD9208。6 仍然采用ADF4372演示板為系統(tǒng)提供時(shí)鐘信號。生成頻率1.23 GHz、幅度-10 dBFS的模擬信號，作為ADC的輸入信號。數(shù)字端則借助高速FPGA板（ADS7-V2EBZ板）和ACE軟件來實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號檢測和ADC性能評估。ADC系統(tǒng)的詳細(xì)信息如圖7所示。
在此ADC案例研究的第一部分，我們研究了ADC系統(tǒng)的性能，以及將Silent Switcher 3穩(wěn)壓器用作PLL時(shí)鐘電源所帶來的優(yōu)勢。同樣，ADF4372的3.3 V電源軌始終由超低噪聲LDO穩(wěn)壓器(LT3045)供電，而5 V電源軌則由Silent Switcher 3解決方案或其他電源解決方案供電。此外，AD9208始終由安裝在標(biāo)準(zhǔn)演示板上的默認(rèn)電源解決方案供電。在相同的模擬輸入信號條件下，圖8展示了在不同PLL時(shí)鐘電源供電時(shí)，ADC輸出信號在1.23GHz附近的平均快速傅立葉變換(FFT)結(jié)果，其頻率跨度為2MHz。與其他開關(guān)穩(wěn)壓器相比，Silent Switcher 3穩(wěn)壓器能夠讓ADC實(shí)現(xiàn)最佳的性能，并在1.23 GHz附近具有最低的噪聲，盡管其FFT波形在頻率偏移約250 kHz處仍有一個(gè)平臺區(qū)。
ADC系統(tǒng)性能對采樣時(shí)鐘信號的質(zhì)量（即相位噪聲）十分敏感。在約250 kHz處的平臺區(qū)，與ADF4372輸出信號相位噪聲圖（圖3中的綠色曲線）中相同頻率處的小尖峰高度吻合。正如PLL案例研究中所揭示的那樣，相位噪聲圖中的這種小雜散信號可以通過添加濾波器來消除。因此，將Silent Switcher 3穩(wěn)壓器用作時(shí)鐘電源時(shí)，通過添加第二級LC濾波器能夠提升ADC的性能，而這一點(diǎn)也得到了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的證實(shí)。圖9呈現(xiàn)了在采用圖4中設(shè)計(jì)的第二級LC濾波器的Silent Switcher 3解決方案下，ADC輸出信號的FFT結(jié)果。ADC輸出的最終FFT波形在主信號1.23 GHz附近呈現(xiàn)出極低的噪聲，這幾乎與超低噪聲LDO穩(wěn)壓器的結(jié)果相同。不出所料，圖9還表明，在頻率偏移小于100 kHz的情況下，配備了第二級LC濾波器的Silent Switcher 3穩(wěn)壓器的FFT結(jié)果優(yōu)于未采用超低噪聲設(shè)計(jì)的LDO 穩(wěn)壓器的FFT結(jié)果，這是因?yàn)槠涞皖l噪聲更低，進(jìn)而使得PLL時(shí)鐘信號的相位噪聲也更低。
圖6.不同電源下PLL時(shí)鐘(ADF4372)的相位噪聲：(a) ADF4372的相位噪聲（5 GHz輸出）；(b) ADF4372的相位噪聲（5 GHz輸出）。
圖7.案例研究中進(jìn)階型ADC系統(tǒng)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。
為了更全面地評估ADC系統(tǒng)的性能，除了分析ADC輸出的FFT結(jié)果之外，還對兩個(gè)重要的ADC參數(shù)進(jìn)行了評估，即信噪比(SNR)和無雜散動態(tài)范圍(SFDR)。6 SNR的定義簡明易懂；而SFDR指的是輸入信號的均方根幅值與任何雜散噪聲信號的最高均方根幅值之比。不同于僅考慮輸入信號頻率附近的窄頻率跨度，SNR和SFDR的計(jì)算涵蓋了寬頻率范圍內(nèi)的噪聲。如表2所示，未使用任何LDO穩(wěn)壓器進(jìn)行后級穩(wěn)壓的Silent Switcher 3解決方案所實(shí)現(xiàn)的AD9208的SNR和SFDR，與采用超低噪聲LDO穩(wěn)壓器的傳統(tǒng)兩級解決方案達(dá)成的結(jié)果相同。第二級LC濾波器對所測得的SNR和SFDR幾乎沒有影響。此外，Silent Switcher 3解決方案實(shí)現(xiàn)的SNR和SFDR遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他開關(guān)穩(wěn)壓器解決方案：產(chǎn)生的SNR（10倍頻）是常規(guī)開關(guān)穩(wěn)壓器的約20倍，SFDR（10倍頻）則為45倍。至于與未采用超低噪聲設(shè)計(jì)的LDO穩(wěn)壓器相比，Silent Switcher 3解決方案實(shí)現(xiàn)的SNR略勝一籌，而SFDR則旗鼓相當(dāng)，這是因?yàn)槠鋬?yōu)勢僅體現(xiàn)在輸入頻率附近的噪聲控制上，而這部分噪聲在SNR計(jì)算所涉及的總噪聲中占比很小。
圖8.不同電源下ADC采樣時(shí)鐘（超低噪聲LDO穩(wěn)壓器、Silent Switcher 3穩(wěn)壓器、Silent Switcher 2穩(wěn)壓器和常規(guī)開關(guān)穩(wěn)壓器）的ADC輸出信號的平均FFT結(jié)果。
圖9.不同電源下ADC采樣時(shí)鐘（帶第二級LC濾波器的Silent Switcher 3穩(wěn)壓器，無超低噪聲設(shè)計(jì)的LDO穩(wěn)壓器）的ADC輸出信號的平均FFT結(jié)果。
表2.不同ADC采樣時(shí)鐘電源下AD9208的SNR和SFDR對比
本案例研究的另一方面是探究采用Silent Switcher 3穩(wěn)壓器為ADC供電時(shí)，ADC系統(tǒng)的性能表現(xiàn)及由此帶來的優(yōu)勢。在這一部分中，PLL時(shí)鐘始終由默認(rèn)的兩級解決方案供電，采用超低噪聲LDO穩(wěn)壓器(LT3045)，以便專注于研究ADC電源所產(chǎn)生的影響。具體而言，為了簡化研究流程，選取AD9208的一個(gè)模擬電源軌AVDD1作為示例。AVDD1電源軌負(fù)責(zé)為時(shí)鐘域供電，其電壓為0.975 V，標(biāo)稱電流消耗為640 mA，占總功耗的19%。6 由于它對電源噪聲較為敏感，基于理論和實(shí)踐分析，故而被選定為研究對象。其他所有電源軌則依然由標(biāo)準(zhǔn)演示板上安裝的默認(rèn)電源解決方案供電。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，單級Silent Switcher 3解決方案能夠取代傳統(tǒng)的兩級解決方案為ADC供電，并且不會削弱ADC的性能。為了評估采用Silent Switcher 3解決方案(LT8625S)作為AVDD1電源時(shí)ADC的性能表現(xiàn)，我們對ADC輸出的平均FFT結(jié)果進(jìn)行了深入分析。需要注意的是，本次未安裝第二級LC濾波器。如圖10所示，由Silent Switcher 3穩(wěn)壓器為AVDD1供電時(shí)，ADC輸出的FFT結(jié)果近乎理想，與采用兩級解決方案（降壓式穩(wěn)壓器加超低噪聲LDO穩(wěn)壓器）為AVDD1供電時(shí)的FFT結(jié)果一樣令人滿意。即使未安裝第二級LC濾波器，在頻率偏移約250 kHz處也未出現(xiàn)尖峰。
此外，ADC的性能對ADC電源的低頻噪聲不太敏感，反而對ADC電源的開關(guān)紋波更為敏感。基于Silent Switcher 2穩(wěn)壓器的單級解決方案，其開關(guān)頻率為2 MHz，盡管Silent Switcher 2穩(wěn)壓器的低頻噪聲性能并非最優(yōu)，但在基頻(1.23 GHz)附近仍能使ADC輸出近乎理想的波形。正如本案例研究第一部分所證實(shí)的，這是因?yàn)樵诨l附近，ADC的輸出噪聲主要受采樣時(shí)鐘的相位噪聲影響。換言之，高速ADC在基頻附近的輸出噪聲對電源噪聲并不十分敏感。不過，如圖10所示，若使用低頻噪聲過高的常規(guī)開關(guān)穩(wěn)壓器為AVDD1供電，會使ADC在基頻附近的輸出噪聲變得更糟。圖10還顯示，ADC電源的開關(guān)紋波會傳導(dǎo)至ADC輸出，導(dǎo)致ADC輸出的FFT結(jié)果出現(xiàn)相當(dāng)明顯的雜散信號。例如，使用開關(guān)頻率為750 kHz的常規(guī)開關(guān)穩(wěn)壓器為AVDD1供電時(shí)，在頻率偏移750 kHz處會產(chǎn)生大于30 dB的雜散信號。先前研究開關(guān)紋波噪聲對高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（ADC和DAC）性能影響的文獻(xiàn)很好地證實(shí)了這一點(diǎn)。7,8 因此，通過合理的濾波器設(shè)計(jì)，基于Silent Switcher 3技術(shù)的單級解決方案完全能夠滿足ADC的電源需求，并確保其達(dá)到令人滿意的性能表現(xiàn)。
圖10.在提供AVDD1的不同電源（超低噪聲LDO穩(wěn)壓器、Silent Switcher 3穩(wěn)壓器、Silent Switcher 2穩(wěn)壓器和常規(guī)開關(guān)穩(wěn)壓器）下，ADC輸出信號的平均FFT結(jié)果。
綜上所述，基于Silent Switcher 3技術(shù)的單級電源解決方案能夠取代采用超低噪聲LDO穩(wěn)壓器的傳統(tǒng)兩級解決方案，為進(jìn)階型ADC系統(tǒng)中的PLL時(shí)鐘和高速ADC供電?；赟ilent Switcher 3技術(shù)的單級方案依然能夠使ADC系統(tǒng)達(dá)到令人滿意的性能，與傳統(tǒng)的降壓式穩(wěn)壓器加LDO穩(wěn)壓器的解決方案相比，ADC的關(guān)鍵參數(shù)（如SNR、SFDR、噪聲性能等）均未受到影響。此外，相較于自身的電源噪聲，ADC的性能對采樣時(shí)鐘源的電源噪聲更為敏感。因此，為了讓Silent Switcher 3技術(shù)為進(jìn)階型ADC系統(tǒng)供電并具備令人滿意的系統(tǒng)性能，尤其是PLL時(shí)鐘的性能，需要設(shè)計(jì)合理的控制環(huán)路和輸出濾波器。
基于超低噪聲開關(guān)穩(wěn)壓器的ADC系統(tǒng)電源架構(gòu)
前面的章節(jié)已經(jīng)證明，Silent Switcher 3技術(shù)非常適合為進(jìn)階型ADC系統(tǒng)中的高性能PLL和高速ADC供電。Silent Switcher 3技術(shù)不僅能夠滿足進(jìn)階型ADC系統(tǒng)的電源需求，還能確保系統(tǒng)性能不受任何影響?；诖耍梢詾锳DC系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)簡化的全新電源樹，無需使用任何LDO穩(wěn)壓器，純粹基于Silent Switcher 3集成電路。也就是說，傳統(tǒng)的兩級解決方案（降壓型穩(wěn)壓器加LDO穩(wěn)壓器）完全被基于超低噪聲開關(guān)穩(wěn)壓器Silent Switcher 3的單級解決方案所取代。基于上一節(jié)中的ADC系統(tǒng)案例研究，圖11對ADC系統(tǒng)(ADF4372 + AD9208)的原始電源樹和基于Silent Switcher 3技術(shù)的新型簡化電源樹進(jìn)行了對比。原始電源樹結(jié)構(gòu)是基于AD9208和ADF4372標(biāo)準(zhǔn)演示板上所使用的電源解決方案設(shè)計(jì)的；而新型電源樹則是基于適用于低電流應(yīng)用的最新Silent Switcher 3系列器件（LT8622S和LT8624S）設(shè)計(jì)的。
新型電源樹無需使用任何LDO穩(wěn)壓器，能夠?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)帶來顯著且廣泛的益處。如圖11所示，基于Silent Switcher 3技術(shù)的電源樹是一種簡化的結(jié)構(gòu)，僅包含五個(gè)Silent Switcher 3集成電路，而原始電源樹則需要兩個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器和六個(gè)LDO穩(wěn)壓器。因此，新型電源樹能夠大幅節(jié)省PCB面積，并且顯著降低成本。此外，新型電源樹結(jié)構(gòu)能夠大幅提高效率，從61.7%提高到84.8%?？偣β蕮p耗降低了71%，從3.919 W降低到了1.136 W。傳統(tǒng)電源樹結(jié)構(gòu)的LDO穩(wěn)壓級本身就有2.305W的功率損耗。總功率損耗能有如此顯著的降低，不僅是因?yàn)槿コ薒DO穩(wěn)壓器，還得益于Silent Switcher 3集成電路即使在2 MHz開關(guān)頻率下也具有較高的效率。未來，針對小于1 A應(yīng)用場景專門開發(fā)的超低噪聲開關(guān)穩(wěn)壓器，有望進(jìn)一步提升基于Silent Switcher 3技術(shù)的電源樹的效率。
圖11.ADC系統(tǒng)的原始電源樹與新型電源樹(AD9208 + ADF4372)對比：(a) 原始電源樹（降壓式穩(wěn)壓器與LDO穩(wěn)壓器組合而成的兩級解決方案）；(b) 新型電源樹（基于Silent Switcher 3技術(shù)的單級解決方案）。
結(jié)論
超低噪聲開關(guān)穩(wěn)壓器不僅能夠在較寬的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)超低的輸出噪聲，還兼具較高的效率和輸出電流能力。憑借突破性的噪聲性能，ADI的Silent Switcher 3技術(shù)在低頻噪聲控制上甚至超越了大多數(shù)LDO穩(wěn)壓器。因此，基于Silent Switcher 3技術(shù)的單級電源解決方案對于噪聲敏感型RF應(yīng)用而言極具吸引力，具有廣闊的前景。本文全面展示了Silent Switcher 3系列在噪聲敏感型RF應(yīng)用中的優(yōu)勢。兩個(gè)案例研究成功證明，基于Silent Switcher 3技術(shù)的單級電源解決方案能夠取代采用超低噪聲LDO穩(wěn)壓器的傳統(tǒng)兩級解決方案，并且依然能夠確保系統(tǒng)性能不受影響。
在為高性能PLL時(shí)鐘供電時(shí)，Silent Switcher 3技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的相位噪聲幾乎與采用超低噪聲LDO穩(wěn)壓器的兩級解決方案相當(dāng)。就PLL的性能而言，Silent Switcher 3技術(shù)甚至優(yōu)于未采用超低噪聲設(shè)計(jì)的基于典型LDO穩(wěn)壓器的兩級解決方案。另一個(gè)ADC系統(tǒng)案例研究表明，通過合理設(shè)計(jì)濾波器，Silent Switcher 3技術(shù)能夠使ADC 達(dá)到優(yōu)異性能表現(xiàn)，關(guān)鍵參數(shù)與降壓式穩(wěn)壓器加超低噪聲LDO穩(wěn)壓器的解決方案幾乎無異。因此，可以為ADC系統(tǒng)開發(fā)一種基于Silent Switcher 3技術(shù)的簡化電源樹結(jié)構(gòu)，無需使用任何LDO穩(wěn)壓器。與原有的降壓式穩(wěn)壓器加超低噪聲LDO穩(wěn)壓器的解決方案相比，不使用任何LDO穩(wěn)壓器的Silent Switcher 3解決方案不僅減少了元件數(shù)量、縮小了解決方案尺寸，更實(shí)現(xiàn)了71%的功耗降幅。
（作者：Xingxuan Huang，高級應(yīng)用工程師）
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