Stromversorgung Wie man
Stromversorgung Wie man die beste Lösung mit dem geringsten Phasenrauschen findet Stromversorgung einer HF-Signalkette Dieser Artikel untersucht die Effekte, die Stromversorgungsentwicklungen auf das Phasenrauschen von HF-Verstärkern haben. Ursache und Beitrag des Phasenrauschens Hochfrequenzsysteme werden immer komplexer bei erhöhter Leistungsfähigkeit, wie streng einzuhaltende Verbindungsund Rauschbudgets. Dabei ist das Sicherstellen eines sachgerechten Designs der gesamten Signalkette wichtig. Ein dabei häufig nicht beachteter Bereich ist die Gleichspannungsversorgung. Das Thema DC Power spielt eine wichtige Rolle im System, kann aber auch unerwünschte Effekte auslösen. Eine wichtige Messung bei HF-Systemen ist das Phasenrauschen, eine Kennzahl, die abhängig von der Wahl der Stromversorgung verringert werden kann. Mit den im Artikel versammelten Daten kommt man zu dem Schluss, dass eine geeignete Wahl von Autoren: Mitchel Sternberg, System Applications Engineer Erkan Acar, RF Systems Applications Engineer David Ng, Power Systems Manager Sydney Wells, Applications Engineer Analog Devices, Inc. www.analog.com Leistungsmodulen eine Verbesserung des Phasenrauschens um bis zu 10 dB zur Folge haben kann und wichtig für die Optimierung der Leistungsfähigkeit der HF-Signalkette ist. Was ist Phasenrauschen? Phasenrauschen ist das Rauschen, das in einem Signal vorhanden ist, welches von einem unerwarteten Vor- (lead) oder Nacheilen (lag) hervorgerufen wird beim Eintreffen des Signals auf der Empfangsseite eines Systems. Genau wie das Amplitudenrauschen, das ein Verschieben oder Abweichen von der nominalen Signalamplitude ist, ist Phasenrauschen ein Verschieben bzw. Abweichen von der nominalen Phasenlage des Signals. Ideale Oszillatoren erzeugen eine Sinuswelle, wie in Gleichung 1 ausgedrückt: Diese Sinuswelle hat eine perfekte Periode und die Fouriertransformation von V ideal (t) ist als Deltafunktion bei der Frequenz des Ausgangssignals repräsentiert. Eine realistischere Darstellung eines Oszillatorausgangs schließt auch zufällige Schwankungen in der Phase (und Amplitude) mit ein, was in Gleichung 2 berücksichtigt ist: Dieses Signal beinhaltet einen stochastisches Vorgang, der die Verschiebung der Signalphase um einen bestimmten Betrag beschreibt. Diese Phasenverschiebung bewirkt, dass die Fouriertransformation des nichtlinearen Taktausgangs mehr so aussieht wie in Bild 1 dargestellt. Weil sich die Phase nur leicht verschiebt, gibt es nun mehr als nur eine Frequenzkomponente im Signal. Deshalb wird das Signal um die Mittenfrequenz gespreizt. Bild 1: Phasenrauschen eines nichtidealen Sinussignals Eine wichtige, jedoch häufig nicht beachtete Ursache für Phasenrauschen ist die DC- Stromversorgung der Signalkette. Jedes Rauschen oder jede Welligkeit auf den Strompegeln zur Stromversorgung der Signalkette können sich intern einkoppeln. Dies kann zu einem erhöhten Phasenrauschen führen, das kritische Frequenzkomponenten in der übertragenen Bandbreite überdeckt, oder Störfrequenzspitzen (Spurs) in einem bestimmten Abstand vom Träger induzieren kann. Diese Spannungsspitzen können besonders schwer zu handhaben sein, da sie nahe am Träger liegen und wegen der strikten Anforderungen an das Übertragungsband eine Herausforderung für Filter darstellen (Aufmacherbild). Zum Phasenrauschen können viele verschiedene Faktoren beitragen. Es gibt drei Hauptquellen, bekannt als weißes Rauschen, Schrot- und 1/f-Rauschen oder Funkelrauschen (Flicker). Das weiße Rauschen wird von der zufälligen thermischen Bewegung von freien Elektronen verursacht, wenn Strom fließt. Es gleicht dem Schrotrauschen, das vom zufälligen Charakter des Stromflusses stammt. Anders als Weißes- oder Schrotrauschen ändert sich Funkelrauschen mit der Frequenz. Es entsteht an 44 hf-praxis 8/2022
Stromversorgung Bild 2: Stromversorgungstopologie in einer HF-Signalkette Bild 3: Vereinfachtes Blockdiagramm des im Experiment genutzten Testaufbaus Defekten in der Gitterstruktur von Halbleitern und ist ebenfalls zufällig. Funkelrauschen nimmt mit der Frequenz ab, weshalb eine niedrige 1/f-Eckfrequenz sehr wünschenswert ist. Typische Phasenrauschkurven sind aus Regionen angenähert, die eine Flanke von 1/fx aufweisen, wobei x = 0 die Region des Weißen Rauschens ist (Flankensteilheit 0 dB/Dekade) und x = 1 mit der Flickerphasenregion (Flankensteilheit 0...20 dB/Dekade) korrespondiert. Die Regionen für x = 2, 3 und 4 liegen näher an der Trägerfrequenz. Stromversorgungslösungen Das Sicherstellen einer sauberen Arbeitspunkteinstellung (Biasing) und Stromversorgung von Leistungsverstärkern in einer HF-Signalkette kann zur Herausforderung werden, besonders, wenn Drain-Spannungen auch als Ausgang benutzt werden. Auf dem Markt findet man zahlreiche unterschiedliche Stromversorgungslösungen und -topologien. Welche Stromversorgungslösung man wählen sollte hängt von der Applikation und den Systemanforderungen ab. Für dieses Experiment wurden die Daten unter Einsatz von linearen LDO-Reglern (low dropout) und Abwärtsschaltreglern gewonnen, wie in Bild 2 gezeigt. Abwärtsschaltende Regler sind die typische Lösung für große Spannungsabfälle mit hohem Wirkungsgrad und geringen Betriebstemperaturen. Schaltnetzteile können höhere Spannungen wie 12 V auf üblichere Spannungen für Halbleiter-Chips, wie 3,3 V und 1,8 V herabsetzen. Sie können jedoch auch schwerwiegendes Schaltrauschen oder große Welligkeit auf der Ausgangsspannung hervorrufen, was zu beträchtlichen Einschränkungen der Leistungsfähigkeit führt. LDO-Regler können diese Spannungen ebenfalls herunterwandeln, bei geringerem Rauschen; allerdings manifestiert sich ihre Verlustleistung hauptsächlich in der Wärmeentwicklung. Der Einsatz eines LDO-Reglers ist eine gute Wahl, wenn die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung gering ist, aber bei einem thermischen Widerstand von der Sperrschicht zur Umgebungstemperatur, der oberhalb von 30 K/W liegt, wird der hohe Stromverbrauch von FPGAs und ASICs deshalb schnell die Leistungsfähigkeit des LDO-Reglers einschränken. Testaufbau Das hier beschriebene Experiment nutzt drei unterschiedliche Stromversorgungsprodukte von Analog Devices: LTM8063, LTM4626 und LT3045. Tabelle 1 fasst einige Spezifikationen aus den Datenblättern für die eingesetzte Stromversorgung zusammen. Das Eingangssignal durchläuft den Frequenzbereich von 100, 200, 500 MHz und 1 Bild 4: (a) Leistung von HMC8411 und ADPA9002 bei 2 GHz und (b) Phasenrauschverlauf des ADPA9002 bei zwei unterschiedlichen Eingangsfrequenzen, wenn er vom Labornetzteil (Bench) und dem LTM8063 versorgt wird GHz bis 10 GHz. Das Phasenrauschen wurde mit einem Frequenz-Offset von 10 Hz bis 30 MHz analysiert. Der Testaufbau ist in Bild 3 dargestellt. Das HF-Eingangssignal wurde mit dem Phasenrauschanalysator FSWP50 von Rohde & Schwarz intern generiert. Dieser Oszillator zeigt eine hervorragende Leistung und wurde genutzt, weil jedes zusätzliche Phasenrauschen oder modulierte Spannungsspitzen, die von der Stromversorgung induziert wurden, deutlich erkennbar sind. Um einen Block in der Signalkette zu repräsentieren, wurden zwei Verstärker von Analog Devices verwendet. Bild 5: Phasenrauschgang des HMC8411 mit dem LTM8063, das Bild zeigt das Verhältnis Phasenrauschen/Frequenz hf-praxis 8/2022 45
