超低噪聲開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器在噪聲敏感型射頻應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)

摘要

此研究基于兩個(gè)具有代表性的RF應(yīng)用案例研究：一個(gè)是高性能鎖相環(huán)(PLL)時(shí)鐘，另一個(gè)則是進(jìn)階型高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)系統(tǒng)。通過(guò)合理的控制回路和濾波器設(shè)計(jì)，基于超低噪聲開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的新型單級(jí)解決方案可為客戶節(jié)省印刷電路板(PCB)空間和成本，具有解決方案尺寸更小、結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)潔、效率更高的特點(diǎn)，同時(shí)仍能保證出色的系統(tǒng)性能。

引言

射頻(RF)系統(tǒng)對(duì)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(wú)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(chǎng)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(shù)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(lái)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(lái)，超低噪聲開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(shì)。

Silent Switcher 3是創(chuàng)新的超低噪聲開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的單級(jí)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(jìng)爭(zhēng)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器Silent Switcher 3所帶來(lái)的系統(tǒng)性能及顯著優(yōu)勢(shì)。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(kāi)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(duì)噪聲都很敏感，例如PLL、高速ADC/DAC、混合信號(hào)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(hào)IC提供所需的高質(zhì)量時(shí)鐘信號(hào)。本節(jié)將探討如何利用基于Silent Switcher 3技術(shù)的單級(jí)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(píng)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(duì)于主RF信號(hào)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(dòng)，旨在研究Silent Switcher 3穩(wěn)壓器對(duì)RF輸出信號(hào)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(jí)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(píng)估結(jié)果。2 基準(zhǔn)評(píng)估使用的是LT8625S演示板，僅對(duì)演示板進(jìn)行了最小限度的改動(dòng)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(cè)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(tái)區(qū)。由于VCO的輸出對(duì)其電源噪聲高度敏感，Silent Switcher 3穩(wěn)壓器的輸出噪聲會(huì)傳導(dǎo)至輸出RF信號(hào)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(wú)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(cè)。2 可以通過(guò)調(diào)整補(bǔ)償來(lái)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(guò)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(píng)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(guò)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(guò)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(jí)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(jí)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5V相位噪聲基線比較

圖3 Silent Switcher 3穩(wěn)壓器控制帶寬對(duì)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(jí)（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(jí)解決方案，使用了第二級(jí)LC濾波器為 5 V電源軌供電。配置了第二級(jí)LC濾波器后，輸出電壓的檢測(cè)既可以在本地輸出端進(jìn)行，也可在第二級(jí) 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(cè)輸出電壓，以便簡(jiǎn)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(jí)LC濾波器兩端的電壓降很小，因此僅檢測(cè)本地輸出電壓是合理的。因此，選擇使用本地輸出電容來(lái)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(duì)負(fù)載電容的敏感度降低。⁵

圖4 帶有第二級(jí)LC濾波器的Silent Switcher 3穩(wěn)壓器的電路圖，用于為PLL提供5V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(jí)電感L2可以根據(jù)截止頻率，也就是第二級(jí)LC濾波器的諧振頻率來(lái)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(jí)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(jí)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(jí) 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(jí)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(jí)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(jí)解決方案相當(dāng)。如圖5所示，所設(shè)計(jì)的第二級(jí)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(kāi)關(guān)頻率的緣故仍然存在一個(gè)微小的雜散信號(hào)，但這個(gè)雜散信號(hào)的頻率是可預(yù)測(cè)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(jí)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(wú)論是否配備設(shè)計(jì)的第二級(jí)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。如圖6a所示，作為一款超低噪聲降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，與Silent Switcher 2穩(wěn)壓器和常規(guī)開(kāi)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(cè)得的相位噪聲并無(wú)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(méi)有針對(duì)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(jiàn)表1）。綜上所述，通過(guò)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(jí)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(jí)解決方案近乎相同的PLL性能?；赟ilent Switcher 3穩(wěn)壓器的單級(jí)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(jí)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(kāi)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(jí)電源解決方案為ADC系統(tǒng)所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。ADC系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于眾多RF應(yīng)用，例如5G/無(wú)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(hào)。生成頻率1.23 GHz、幅度-10 dBFS的模擬信號(hào)，作為ADC的輸入信號(hào)。數(shù)字端則借助高速FPGA板（ADS7-V2EBZ板）和ACE軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)檢測(cè)和ADC性能評(píng)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(lái)的優(yōu)勢(shì)。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(hào)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(hào)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(kāi)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(tái)區(qū)。

ADC系統(tǒng)性能對(duì)采樣時(shí)鐘信號(hào)的質(zhì)量（即相位噪聲）十分敏感。在約250 kHz處的平臺(tái)區(qū)，與ADF4372輸出信號(hào)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(hào)可以通過(guò)添加濾波器來(lái)消除。因此，將Silent Switcher 3穩(wěn)壓器用作時(shí)鐘電源時(shí)，通過(guò)添加第二級(jí)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(jí)LC濾波器的Silent Switcher 3解決方案下，ADC輸出信號(hào)的FFT結(jié)果。ADC輸出的最終FFT波形在主信號(hào)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(jí)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(hào)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(píng)估ADC系統(tǒng)的性能，除了分析ADC輸出的FFT結(jié)果之外，還對(duì)兩個(gè)重要的ADC參數(shù)進(jìn)行了評(píng)估，即信噪比(SNR)和無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)。6 SNR的定義簡(jiǎn)明易懂；而SFDR指的是輸入信號(hào)的均方根幅值與任何雜散噪聲信號(hào)的最高均方根幅值之比。不同于僅考慮輸入信號(hào)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(jí)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(jí)解決方案達(dá)成的結(jié)果相同。第二級(jí)LC濾波器對(duì)所測(cè)得的SNR和SFDR幾乎沒(méi)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器解決方案：產(chǎn)生的SNR（10倍頻）是常規(guī)開(kāi)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(shì)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器）的ADC輸出信號(hào)的平均FFT結(jié)果

圖9 不同電源下ADC采樣時(shí)鐘（帶第二級(jí)LC濾波器的Silent Switcher 3穩(wěn)壓器，無(wú)超低噪聲設(shè)計(jì)的LDO穩(wěn)壓器）的ADC輸出信號(hào)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(duì)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(lái)的優(yōu)勢(shì)。在這一部分中，PLL時(shí)鐘始終由默認(rèn)的兩級(jí)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(jiǎn)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(duì)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(duì)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(jí)Silent Switcher 3解決方案能夠取代傳統(tǒng)的兩級(jí)解決方案為ADC供電，并且不會(huì)削弱ADC的性能。為了評(píng)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(duì)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(jí)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(jí)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(jí)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(duì)ADC電源的低頻噪聲不太敏感，反而對(duì)ADC電源的開(kāi)關(guān)紋波更為敏感。基于Silent Switcher 2穩(wěn)壓器的單級(jí)解決方案，其開(kāi)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(duì)電源噪聲并不十分敏感。不過(guò)，如圖10所示，若使用低頻噪聲過(guò)高的常規(guī)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器為AVDD1供電，會(huì)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(kāi)關(guān)紋波會(huì)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(hào)。例如，使用開(kāi)關(guān)頻率為750 kHz的常規(guī)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器為AVDD1供電時(shí)，在頻率偏移750 kHz處會(huì)產(chǎn)生大于30 dB的雜散信號(hào)。先前研究開(kāi)關(guān)紋波噪聲對(duì)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(guò)合理的濾波器設(shè)計(jì)，基于Silent Switcher 3技術(shù)的單級(jí)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器）下，ADC輸出信號(hào)的平均FFT結(jié)果

綜上所述，基于Silent Switcher 3技術(shù)的單級(jí)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(jí)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(jí)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(duì)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(kāi)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?，可以為ADC系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)化的全新電源樹(shù)，無(wú)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(shuō)，傳統(tǒng)的兩級(jí)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器Silent Switcher 3的單級(jí)解決方案所取代?；谏弦还?jié)中的ADC系統(tǒng)案例研究，圖11對(duì)ADC系統(tǒng)(ADF4372 + AD9208)的原始電源樹(shù)和基于Silent Switcher 3技術(shù)的新型簡(jiǎn)化電源樹(shù)進(jìn)行了對(duì)比。原始電源樹(shù)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(shù)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(shù)無(wú)需使用任何LDO穩(wěn)壓器，能夠?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)帶來(lái)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(shù)是一種簡(jiǎn)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(shù)則需要兩個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器和六個(gè)LDO穩(wěn)壓器。因此，新型電源樹(shù)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(shù)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(shù)結(jié)構(gòu)的LDO穩(wěn)壓級(jí)本身就有2.305W的功率損耗?？偣β蕮p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(kāi)關(guān)頻率下也具有較高的效率。未來(lái)，針對(duì)小于1 A應(yīng)用場(chǎng)景專門(mén)開(kāi)發(fā)的超低噪聲開(kāi)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(shù)的效率。

圖11 ADC系統(tǒng)的原始電源樹(shù)與新型電源樹(shù)(AD9208 + ADF4372)對(duì)比：(a) 原始電源樹(shù)（降壓式穩(wěn)壓器與LDO穩(wěn)壓器組合而成的兩級(jí)解決方案）；(b) 新型電源樹(shù)（基于Silent Switcher 3技術(shù)的單級(jí)解決方案）

結(jié)論

超低噪聲開(kāi)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(jí)電源解決方案對(duì)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(shì)。兩個(gè)案例研究成功證明，基于Silent Switcher 3技術(shù)的單級(jí)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(jí)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(jí)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(jí)解決方案。另一個(gè)ADC系統(tǒng)案例研究表明，通過(guò)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(wú)異。因此，可以為ADC系統(tǒng)開(kāi)發(fā)一種基于Silent Switcher 3技術(shù)的簡(jiǎn)化電源樹(shù)結(jié)構(gòu)，無(wú)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。

參考文獻(xiàn)

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3 Yu Lu和Hugh Yu，“低噪聲Silent Switcher μModule和LDO穩(wěn)壓器改善超聲噪聲和圖像質(zhì)量”，《模擬對(duì)話》，第56卷，2022年4月。

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5 Ray Ridley，“二級(jí)LC濾波器設(shè)計(jì)”，Switching Power Magazine，2000年7月。

6 “AD9208：14位、3 GSPS、JESD204B、雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器”，ADI公司，2017年。

7 John Martin Dela Cruz和Patrick Pasaquian，“優(yōu)化信號(hào)鏈的電源系統(tǒng) — 第2部分：高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器”，《模擬對(duì)話》，第55卷，2021年4月。

8 Aldrick Limjoco、Patrick Pasaquian和Jefferson Eco，“Silent Switcher μModule穩(wěn)壓器為GSPS采樣ADC提供低噪聲供電，并節(jié)省一半空間”，ADI公司，2018年。

作者簡(jiǎn)介

Xingxuan Huang是ADI公司（美國(guó)加州）的高級(jí)應(yīng)用工程師，主要負(fù)責(zé)電源產(chǎn)品。他于2019年和2021年分別獲得田納西大學(xué)諾克斯維爾分校電氣工程碩士學(xué)位和博士學(xué)位，研究方向是電力電子。