何　欢,卢起斌

(中国传媒大学 广播电视数字化教育部工程研究中心，北京　100024)



以频谱角度研究LDO高频段PSRR对射频信号的影响

何欢,卢起斌

(中国传媒大学 广播电视数字化教育部工程研究中心，北京100024)

以降压开关电源、LDO以及ADF4350频率综合芯片为测试平台，以自制无源探头、频谱仪作为测试工具，从频谱的角度研究了LDO高频段纹波抑制能力对射频信号质量的影响。频谱测量结果表明:当LDO高频段纹波抑制能力不佳时会在射频信号中引入较大杂散，应在LDO的选型时予以慎重对待。

射频；开关电源；LDO；PSRR；频谱

目前高频开关电源搭配低压差线性稳压器(low-dropout regulator,LDO)的组合作为射频器件的供电方式已经被广泛使用。开关电源有着体积小、效率高的特点[1]。实际应用中对电源管理电路功耗、效率、体积的要求越来越高，而提升开关频率是应对这些要求的途径之一。目前开关频率大于500 kHz的高频开关电源方案已经非常常见，大大降低了储能电感和输出电容的要求，促进了开关电源的小型化发展[2]，同时也为降低输出电压纹波提供了条件，减小了对用电器件造成的干扰。但是纹波是无法从根本上消除的。LDO具有结构简单、成本低廉、外围器件少等优点[3]，而且对输入的电压纹波还具有抑制能力。抑制能力的高低以电源纹波抑制比(power-supply rejection ratio,PSRR)表现出来。在需要低噪声的场合下通常会采用LDO作为电源[4]。然而LDO效率较低，很大一部分能量转化为热量散发出去，造成了能量浪费，并且增加了系统的散热负担。在实际应用中需要2种电源搭配使用，在两者的优缺点中取得平衡，尽可能减小电源纹波对射频信号质量的影响。

一般传统的电压纹波测试仅仅依靠示波器观察时域波形，虽然测试结果非常直观，但是测量精度有限，不适合观察LDO输出端的纹波，同时很难从时域波形上体现射频信号杂散和电源电压纹波的关系。使用频谱仪能从频谱的角度观察纹波的特性，有助于直观地了解电源纹波如何对射频信号造成影响。

本文以降压变换器、LDO以及ADF4350频率综合芯片为测试平台，使用自制无源探头和R&S FSW13信号分析仪作为测试工具，探究了LDO纹波抑制能力对射频指标的影响，并对出现的问题给出了一些解决方案。

1　LDO与降压开关电源的原理

LDO和开关电源都是闭环的负反馈自动控制系统，可以根据负载和输入电源的情况自动调节，输出稳定的电压。

LDO是一个根据负载电阻变化自动地改变自身内阻，从而输出恒定电压的器件[5]。PMOS型LDO基本拓扑结构如图1所示。

图1　PMOS型LDO基本拓扑结构

LDO的基本结构由基准源、调整管、反馈网络和误差放大器4个部分组成。基准源是产生基准电压的电路。基准源是LDO的核心部分，因为基准电压是整个线性稳压器工作的基础。基准电压应该足够稳定，不受温度、输入电源和输出电压影响。调整管在图1中对应的是PMOS管Q1，在实际的产品中，调整管也可以是PNP三极管、NPN三极管或者是NMOS管。反馈网络是由R1和R2组成的分压网络，得到电压信号。误差放大器是产生调整管控制信号的关键器件。它的正向输入端是输出电压被反馈网络分压得到的电压信号VFB=VOUT·R2/(R1+R2)，反相输入端是基准电压VREF。正向输入端和反相输入端的差值(VFB-VREF)即为误差信号。误差信号经过放大之后驱动调整管，使得输出电压VOUT改变，将误差信号尽量减小到0(即VFB=VREF)，稳定输出电压，由此可以得出LDO的输出电压公式：

(1)

此外，为了保证LDO的正常工作，还有过流保护、过热保护等电路。

开关电源是一个根据负载电阻变化改变传输的离散能量大小从而输出恒定电压的器件。开关电源的基本拓扑结构有升压(boost)、降压(buck)以及反向(inverter)3种。在实际应用中以这3种基本的拓扑结构为基础发展出了众多的拓扑结构。降压开关电源又分为同步和非同步两种。同步降压开关电源的基本结构如图2所示。

图2　同步降压开关电源基本结构

同步降压开关电源的基本结构包含了上下开关管Q1和Q2、电感L1、输出电容COUT、由R1和R2组成的分压反馈网络和驱动电路等。开关管Q1和Q2应该按照驱动电路的设计需求使用PMOS管或NMOS管。当电路开始工作时，Q1导通而Q2关断，使得此时在L1两端形成了电压差。由于电感具有阻碍电流突变的特性，流过电感的电流由小逐渐变大，并且将一部分电能以磁能的方式存于自身。之后Q2导通而Q1关断，此时在电感阻碍电流突变的作用下，流过电感的电流由大逐渐变小，并且将已储存的磁能释放。流经负载的电流通过电源输出的负端和Q2端回流到L1上，形成一个完整的回路。

若不考虑开关管的导通电阻、电感的直流电阻(DCR)等参数，此过程中电流的波动幅度为

(2)

其中fSW是开关电源的开关频率。由此可见，电路输出电流的大小是上下波动的，在负载上会形成很大的电压纹波，因而需要在输出端放置输出电容来稳定输出。若电路处于连续导通状态，输出电压波动幅度近似计算公式为

(3)

其中RESR是输出输出电容的等效直流电阻，可以通过查找电容的数据手册得到。

分压反馈网络的原理和LDO中的分压反馈网络是类似的。由反馈网络分压得到的电压信号VFB和内部基准电压VREF相比较得到误差信号。通过对误差信号的处理来控制开关管的导通关断,同样可以得到输出电压公式

(4)

实际使用的产品中可能还具有短路保护、欠压保护、过压保护、使能、缓启动(soft start)，Power Good指示等功能。

2　研究方案的设置与实现

2.1测试系统设计

本文测试系统框图如图3所示。系统由TPS54327降压开关电源、3 Ω负载、被测LDO和作为测试射频电路的ADF4350频率合成器组成。频谱仪设置：RBW为300 Hz，平均100次。

图3　测试系统框图

测试系统中有4个测试点：测试点A用于测量开关电源输出纹波的频谱；测试点B用于测量LDO输入纹波频谱；测试点C用于测量LDO输出纹波频谱；ADF4350的输出信号亦将被测量，用于观察电源纹波对射频器件信号的影响。此外，在0 Ω位置可在需要的情况下测量LDO和ADF4350所消耗的电流。

测试系统的总电源输入为12 V，经过开关电源降压到合适的电压之后，再由LDO二次降压到3.3 V，提供给ADF4350使用。

开关电源使用TPS54327，它是集成MOSFET的3 A降压开关电源芯片，输入电压为4.5～18 V，输出电压为0.76 ～7.0 V，开关频率约为700 kHz[6]。

参测LDO有AMS1117、TLV1117LV以及ADP151这3种常见的3.3V固定电压输出LDO，它们的基本参数如表1所示[7-10]，表1中同时也列入常见的LM1117作为对比。本文3种被测LDO所用的电路连接如图4所示。

表1　常见LDO基本参数

*PSRR测试条件：AMS1117.COUT=22 μF,IOUT=1 A；LM1117.COUT=25 μF,IOUT=0.5 A,数据为图表曲线上的近似值；TLV1117LV.COUT=1 μF,IOUT=150 mA,数据为图表曲线上的近似值；ADP151.COUT=1 μF,IOUT=200 mA,数据为图表曲线上的近似值。

图4　LDO电路

开关电源输出电压的设置要考虑到3个要求:一是满足所有LDO的输入电压要求；二是让LDO输入输出两端压差能使LDO有较好稳压和纹波抑制效果；三是LDO输入输出两端压差不能过大，以免造成太大的散热负担。

综合考虑选择4.6 V作为开关电源的输出电压。根据文献[6]，TPS54327的VREF=0.765 V。当取分压网络下部电阻R2=10 kΩ时，可求得

(5)

最接近的E24系列电阻标称值为51 kΩ。因此实际设计输出电压

(6)

3 Ω负载可以模拟实际使用中除了被测LDO和ADF4350以外的其他负载。这样可以让开关电源避免工作在低输出电流的工作状态，更接近实际使用的情形。

ADF4350是Analog Device公司出品的宽带频率合成芯片。它内部集成VCO，输出频率范围为137.5 ～4 400 MHz[11]。在ADF4350中可能比较容易受到纹波干扰的部分有信号输出级和片内VCO。

信号输出级是差分集电极开路的结构[11]，亦可作为两路单端输出。单端集电极开路是射频器件中非常常见的结构，特别是在小型射频放大器中使用非常广泛。在输出端外用合适的阻抗连接集电极和电源，即可构成一个完整的共射级放大器。此时电源纹波信号容易进入三极管，和被放大信号混频产生杂散信号[12]。为了让测试具有一定的普遍性，本文仅测试单路输出的情形。

片内VCO调谐电压受到电源纹波干扰时也会影响输出信号的质量[13]。

本文中ADF4350使用频率为10 MHz的参考信号，输出频率为995 MHz的单音信号。使用ADISimPLL软件仿真得到的相噪结果如图5所示，可见曲线光滑没有“毛刺”。

图5　ADF4350输出相噪仿真曲线

2.2测量探头的设计和实现

频谱仪的特性和示波器有所区别。频谱仪的输入阻抗仅有50 Ω，远远小于示波器的1 MΩ输入阻抗，因此在测量电压信号时会吸收较大的电流。频谱仪的测量范围比示波器大，并且可以测量非常小的信号，但是它的动态测量范围依旧是有限的。此外，频谱仪以dBm为单位显示被测信号的功率，和示波器以V为单位显示被测信号的幅度不同。

本文对测试所用探头提出了3个要求：① 探头衰减不能过大，过大的衰减会使频谱仪的输入信号幅度过小，降低测量精度，甚至无法测量所关心的信号；② 探头衰减不能过小，过小的衰减会加重被测系统的负载，可能改变被测系统的工作状态；③ 为了充分利用频谱仪的动态范围，希望探头能尽量消除对测试相关性不大的大信号的影响。

通常示波器使用的无源探头分为1∶1探头和10∶1高阻探头2种。10∶1无源高阻探头阻抗高达9 MΩ[14]，和示波器1 MΩ输入阻抗组成了一个10∶1的分压电路。这类探头在频谱仪上会带来超过100 dB的衰减。1∶1无源探头自身的阻抗接近于0，测量时可以认为信号经过探头未经衰减直接传输至示波器[14]，因此使用在频谱仪上时探头的输入阻抗亦为50 Ω，测量时会给电源加上过多的负载，甚至造成电源过载。由此可见，上述2种无源探头都不满足本文实验的要求。

为了能制作出满足上述要求的探头，需要事先了解仪器的性能，估算被测信号的特性。

R&S FSW13信号分析仪在衰减器设置为0 dB、RBW 为 300 Hz时显示噪声电平在-120 dBm左右。进入频谱仪被测信号功率应该不低于此限。

在示波器中观察发现TPS54327输出电压纹波波形近似正弦波，峰峰值Vripple-pp大约为10 mV，如图6所示。若将波形视作单音正弦波，则传输到50 Ω负载上的功率大约为

(7)

图6　TPS54327输出电压纹波

实际上，这样的纹波依然包含了大量高次谐波信号，它的基波实际功率将会小于此值。在LDO输入端，由于电流路径上分布电容的存在以及LDO输出电容的作用，所测得的纹波将也会小于这个值。根据表1，在被测LDO中，在700 kHz和1 MHz频段LDO的PSRR最大为46 dB[7-9]，因此开关电源纹波经过LDO之后传输到50 Ω负载上的功率将为-79 dBm。当3.3V电压直接加载到50 Ω负载上时的直流功率为

(8)

可以得知整个测试的动态范围要求将会大于96.4 dB。而且此时探头如果不加衰减则对电源增加的负载太大。因此，要对信号进行合适的衰减，并且对直流信号进行处理，使得被测信号能在幅度大小、负载增量影响以及频谱仪测量范围之中达到平衡。综合考虑，探头应该加入电容隔除直流，衰减设置为20～30 dB为宜。此时可以摒除直流的影响，同时使所有被测信号都明显高于-120 dBm的显示噪声电平。

经过设计和调试，制作完成了一种适用于纹波测量的无源探头，由输入容阻网络、50 Ω同轴传输线组成，如图7所示。

图7　自制无源探头结构

容阻网络由100 nF电容和453 Ω 1%电阻组成。信号从尖端的100 nF电容进入，电容起到了隔离直流分量的作用，大大降低了动态范围的要求。由于电源的输出阻抗近似为0，因此使用453 Ω 1%电阻和频谱仪输入阻抗50 Ω构成了近似10∶1 的衰减比例。探头不会对被测系统增加太大的负载，同时20 dB的衰减量也能满足动态范围的要求。通过使用网络分析仪测量得到该探头在300 kHz～3 MHz的衰减A1为-15～-15.3 dB。但是网络分析仪的源阻抗和负载阻抗皆为50 Ω，所测得衰减A1和探头阻抗Rprobe的关系为

(9)

因此在源阻抗为0时，探头的实际衰减Aprobe可以由式(10)计算出。

(10)

当A1=-15 dB时，Aprobe=-20.2 dB；当A1=-15.2 dB时，Aprobe=-20.4 dB。结果与期望值20 dB非常接近。

探头使用的50 Ω同轴传输线能与频谱仪输入阻抗匹配，不会产生功率反射等问题。同时接地端很短，降低了对空间电磁噪声的耦合能力，减小了对被测信号的干扰。该探头很好地满足本文对探头的3个要求。

3　电路实物和测试结果

电路实物是一块设计用于频率合成的4层电路板局部，如图8所示。使用其中的电源电路和第1级ADF4350电路进行测试，并且为了满足测试要求对电路板进行了必要改动。

使用AMS1117时，ADF4350输出的信号两侧有明显的杂散分量，如图9所示。杂散信号的频率特征和开关电源频率吻合。由于开关电源电压纹波的高次谐波明显低于基波，因此主要考察基波抑制能力。此时测得AMS1117在开关频率频点上的纹波抑制比约为24 dB，如图10所示。

图8　电路实物

图9　AMS1117供电时ADF4350输出信号

图10　AMS1117输入纹波(左)和输出纹波(右)的

使用ADP151时，ADF4350输出信号杂散明显减小，如图11所示。在开关频率频点上的纹波抑制测量值约为36 dB，如图12所示。

图11　ADP151供电时ADF4350输出信号

图12　ADP151输入纹波(左)和输出纹波(右)的

使用TLV1117LV时，ADF4350输出信号两边杂散幅度变化为一边降低一边上升，但总能量进一步降低，如图13所示。在开关频率频点上的纹波抑制比测量值约为52 dB，如图14所示。

图13　TLV1117LV供电时ADF4350输出信号

图14　TLV1117LV输入纹波(左)和输出纹波(右)的

以上对比可以看出：LDO的纹波抑制能力对杂散分量的大小影响非常明显，选型不当将会降低信号频谱纯度。因此，在高频射频电路电源选型时，应在LDO选型的时候予以慎重对待。

当LDO的PSRR不能满足需求、影响了射频信号质量时，可以从2个方面考虑加以改善：更换PSRR和噪声性能更好的射频专用LDO型号；在开关电源输出端增加LC低通滤波。但这样可能改变开关电源反馈传递网络的参数，从而造成电源工作不稳定，因此具体的实施方案需要根据实际需求选择并加以测试验证。

4　结束语

本文通过使用一种自制无源探头，以频谱的角度通过实测研究了LDO在配合高频开关电源工作时PSRR参数对射频信号质量的影响。结果表明：LDO的PSRR对于射频信号质量有很大的影响，需要在高频射频电路电源设计、选型时慎重考虑。

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[9]Analog Devices Inc.ADP151 Rev.E[M].USA:[s.n.],2012.

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(责任编辑杨黎丽)

Research on Influence of LDO’s High Frequency PSRR on RF Signal Using Spectrum Analysis Method

HE Huan, LU Qi-bin

(Radio and Television Digital Engineering Center,Communication University of China, Beijing 100024, China)

This paper analyzed the influence of LDO’s high frequency PSRR on RF signal with spectrum analysis method using circuits contains switch power, LDO and ADF4350 wideband synthesizer as the test platform, and the self-made passive probes and a spectrum analyzer as test devices. The influence of LDO capable of suppressing high frequency ripple on the quality of the RF signal was studied from the perspective of spectrum. The result of spectrum analysis shows that it will introduce spurious spectrum to RF signal when PSRR is low. As a result, it must be carefully when choosing the model of LDOs.

radio frequency; switch power; LDO; PSRR; spectrum

2016-04-09

国家科技支撑计划资助项目(2015BAK05B01)

何欢(1990—)，男，四川绵阳人，硕士研究生，主要从事通信数字电路及射频技术方面的研究，E-mail:hugo_he_huan@a.liyun.com；卢起斌(1978—)，男，广西上林人，副研究员，主要从事数字通信技术及射频技术方面的研究。

format：HE Huan, LU Qi-bin.Research on Influence of LDO’s High Frequency PSRR on RF Signal Using Spectrum Analysis Method[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(8):105-111.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.08.017

TN86

A

1674-8425(2016)08-0105-07

引用格式：何欢,卢起斌.以频谱角度研究LDO高频段PSRR对射频信号的影响[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2016(8):105-111.