1. 射頻供電的痛點(diǎn)與LT3094的破局思路搞射頻前端的人都有一個(gè)共識(shí)信號(hào)鏈路上任何一個(gè)環(huán)節(jié)的供電質(zhì)量最終都會(huì)以某種形式反映在頻譜上。我最早做2.4GHz收發(fā)鏈路的時(shí)候用的是某款通用型低壓差線性穩(wěn)壓器給VCO和PLL供電當(dāng)時(shí)覺(jué)得輸出紋波也就幾百微伏應(yīng)該夠用了。結(jié)果實(shí)測(cè)相位噪聲在10kHz偏移處只有-85dBc/Hz左右跟仿真預(yù)期差了將近15dB。后來(lái)?yè)Q了一顆專(zhuān)門(mén)為噪聲敏感型應(yīng)用設(shè)計(jì)的LDO同樣的板子、同樣的負(fù)載相位噪聲直接壓到了-112dBc/Hz。這個(gè)經(jīng)歷讓我徹底意識(shí)到射頻電路的供電不是“能亮就行”的事情L(zhǎng)DO的選型直接決定了整個(gè)射頻鏈路的性能天花板。LT3094這顆芯片在射頻圈子里被討論得很多核心原因就一個(gè)它把超低噪聲、高電源抑制比和高帶寬這三件事同時(shí)做到了一個(gè)比較極致的水平。官方數(shù)據(jù)手冊(cè)標(biāo)稱(chēng)在10Hz到100kHz帶寬內(nèi)輸出噪聲僅為0.8μVrms1MHz處的PSRR達(dá)到74dB10kHz處更是超過(guò)90dB。這些數(shù)字放在紙面上可能沒(méi)什么感覺(jué)但當(dāng)你把它接到一個(gè)對(duì)電源紋波極其敏感的VCO上時(shí)差異是立竿見(jiàn)影的。這篇文章我會(huì)從實(shí)際項(xiàng)目出發(fā)把LT3094在我的射頻電路中的完整應(yīng)用過(guò)程拆開(kāi)來(lái)講。包括為什么選它、怎么配置外圍元件、PCB布局要注意什么、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)怎么對(duì)比、踩過(guò)哪些坑。如果你正在做射頻收發(fā)鏈路、鎖相環(huán)、混頻器或者低噪聲放大器的供電設(shè)計(jì)這些內(nèi)容應(yīng)該能幫你少走不少?gòu)澛贰?.1 射頻電路對(duì)供電的苛刻要求射頻電路跟普通數(shù)字電路或低頻模擬電路最大的區(qū)別在于它對(duì)電源噪聲的敏感度是數(shù)量級(jí)上的差異。一個(gè)MCU供電紋波大個(gè)幾十毫伏可能完全不影響功能但同樣的紋波加到VCO的供電引腳上振蕩器的輸出頻譜就會(huì)明顯惡化。原因在于射頻信號(hào)的處理本質(zhì)上是在頻域上做文章任何電源上的低頻噪聲都會(huì)通過(guò)器件的非線性效應(yīng)搬移到載波附近形成相位噪聲的邊帶。具體來(lái)說(shuō)電源噪聲影響射頻電路主要有三條路徑。第一條是通過(guò)有源器件的偏置網(wǎng)絡(luò)直接調(diào)制跨導(dǎo)比如放大器的柵極偏壓如果被電源紋波干擾增益就會(huì)跟著波動(dòng)產(chǎn)生幅度調(diào)制。第二條是通過(guò)變?nèi)荻O管的偏壓影響振蕩頻率這是VCO最敏感的路徑電源上哪怕幾十微伏的波動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致輸出頻率的微小偏移在頻譜上表現(xiàn)為相位噪聲的抬升。第三條是通過(guò)襯底耦合和寄生電容把噪聲注入到信號(hào)路徑中這條路徑在高頻段尤其明顯。衡量LDO對(duì)射頻電路適配性的核心指標(biāo)有兩個(gè)輸出噪聲密度和電源抑制比。輸出噪聲密度決定了LDO自身產(chǎn)生的噪聲有多少會(huì)加到負(fù)載上單位通常是nV/√Hz或者μVrms。電源抑制比則衡量LDO對(duì)外部輸入電源紋波的抑制能力單位是dB數(shù)值越大表示抑制能力越強(qiáng)。對(duì)于射頻應(yīng)用通常要求10kHz到1MHz范圍內(nèi)的PSRR不低于60dB輸出噪聲在10Hz到100kHz帶寬內(nèi)不超過(guò)10μVrms。1.2 為什么是LT3094而不是其他方案市面上超低噪聲LDO的選擇其實(shí)不少比如TPS7A47、ADM7150、LT3045這些都有不錯(cuò)的口碑。我在選型階段把幾款主流型號(hào)的關(guān)鍵參數(shù)拉了一張表做對(duì)比最終選擇LT3094的原因是多維度的。參數(shù)LT3094LT3045TPS7A47ADM7150輸出噪聲(10Hz-100kHz)0.8μVrms0.8μVrms4.7μVrms1.0μVrmsPSRR1MHz74dB76dB45dB60dB最大輸出電流500mA500mA1A800mA壓差500mA260mV260mV340mV500mV可調(diào)輸出范圍0V-19V0V-15V1.4V-20.5V1.2V-3.3VLT3094和LT3045在噪聲和PSRR上幾乎持平但LT3094的輸入電壓范圍更寬支持到20V而且它的基準(zhǔn)電壓架構(gòu)做了優(yōu)化在低頻段的噪聲表現(xiàn)更穩(wěn)定。TPS7A47雖然電流能力更強(qiáng)但PSRR在高頻段衰減太快1MHz處只有45dB對(duì)于需要抑制開(kāi)關(guān)電源高頻紋波的場(chǎng)景來(lái)說(shuō)不夠用。ADM7150的輸出電壓范圍太窄固定版本的靈活性不夠。還有一點(diǎn)很關(guān)鍵LT3094的噪聲頻譜密度曲線非常平坦。很多LDO在低頻段噪聲很低但到了10kHz以上就開(kāi)始翹起來(lái)而LT3094在整個(gè)音頻到射頻關(guān)注的頻段內(nèi)都保持在一個(gè)很低的水平。這對(duì)于鎖相環(huán)環(huán)路帶寬在幾十kHz到幾百kHz的應(yīng)用來(lái)說(shuō)特別重要因?yàn)榄h(huán)路濾波器對(duì)電源噪聲的抑制能力在這個(gè)頻段是有限的。2. LT3094的核心架構(gòu)與關(guān)鍵參數(shù)解讀要真正用好一顆LDO光看數(shù)據(jù)手冊(cè)的幾行參數(shù)是不夠的。你得理解它內(nèi)部是怎么工作的哪些參數(shù)是設(shè)計(jì)時(shí)真正需要關(guān)注的哪些參數(shù)在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)被其他因素掩蓋。LT3094之所以能做到這么低的噪聲和這么高的PSRR跟它的內(nèi)部架構(gòu)有直接關(guān)系。2.1 超低噪聲架構(gòu)的工作原理LT3094采用的是電壓基準(zhǔn)加誤差放大器加調(diào)整管的經(jīng)典LDO拓?fù)涞總€(gè)環(huán)節(jié)都做了針對(duì)低噪聲的優(yōu)化。它的內(nèi)部基準(zhǔn)是一個(gè)經(jīng)過(guò)特殊處理的帶隙基準(zhǔn)源基準(zhǔn)電壓的噪聲被壓到了極低的水平。誤差放大器用的是低噪聲的差分輸入級(jí)輸入?yún)⒖荚肼暶芏仍?0nV/√Hz以下。輸出調(diào)整管是一個(gè)PMOS器件柵極驅(qū)動(dòng)電路也做了噪聲濾波處理。這里有一個(gè)容易被忽略的細(xì)節(jié)LDO的輸出噪聲并不只是基準(zhǔn)和誤差放大器的噪聲還包括調(diào)整管本身的熱噪聲和閃爍噪聲。LT3094在調(diào)整管的尺寸和偏置電流上做了折中使得調(diào)整管在提供500mA電流的同時(shí)自身貢獻(xiàn)的噪聲不會(huì)成為主導(dǎo)項(xiàng)。官方數(shù)據(jù)手冊(cè)給出的0.8μVrms是在輸出電流10mA、輸出電壓1V的條件下測(cè)得的實(shí)際應(yīng)用中輸出電流越大調(diào)整管的噪聲貢獻(xiàn)會(huì)略微增加但幅度不大。LT3094還有一個(gè)比較特別的設(shè)計(jì)它的SET引腳外接一個(gè)電阻來(lái)設(shè)定輸出電壓同時(shí)這個(gè)電阻上的電流也決定了內(nèi)部基準(zhǔn)的偏置。這意味著SET電阻的精度和溫度系數(shù)會(huì)直接影響輸出電壓的穩(wěn)定度。官方推薦使用0.1%精度、25ppm/°C溫度系數(shù)的薄膜電阻我實(shí)測(cè)下來(lái)用普通1%精度的厚膜電阻輸出電壓的初始誤差會(huì)多出幾十毫伏溫度漂移也明顯更大。2.2 PSRR的實(shí)際意義與測(cè)試方法電源抑制比這個(gè)參數(shù)在數(shù)據(jù)手冊(cè)里通常會(huì)給一條曲線展示從10Hz到10MHz范圍內(nèi)PSRR隨頻率的變化。LT3094的PSRR曲線在低頻段超過(guò)100dB到100kHz時(shí)還有80dB左右1MHz時(shí)降到74dB10MHz時(shí)大約40dB。這條曲線的形狀跟LDO內(nèi)部的環(huán)路增益直接相關(guān)環(huán)路增益越高PSRR越好而環(huán)路增益會(huì)隨著頻率升高而下降。實(shí)際測(cè)試PSRR的方法是在LDO的輸入端注入一個(gè)已知幅度的正弦波信號(hào)然后在輸出端測(cè)量同一頻率下的信號(hào)幅度兩者的比值取對(duì)數(shù)就是該頻率下的PSRR。我用的設(shè)備是信號(hào)發(fā)生器加功率放大器做注入源示波器或者頻譜儀做輸出測(cè)量。需要注意的是注入信號(hào)的幅度不能太大否則會(huì)讓LDO進(jìn)入非線性區(qū)域測(cè)出來(lái)的PSRR會(huì)偏樂(lè)觀。一般注入幅度控制在輸出直流電平的1%以內(nèi)比較合適。對(duì)于射頻應(yīng)用PSRR最關(guān)鍵的頻段是100kHz到10MHz。這個(gè)頻段正好是開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)頻率及其諧波所在的區(qū)域。如果LDO在這個(gè)頻段的PSRR不夠高開(kāi)關(guān)電源的紋波就會(huì)透?jìng)鞯缴漕l器件的供電引腳上。我實(shí)測(cè)過(guò)一顆普通的LDO在500kHz處的PSRR只有30dB結(jié)果開(kāi)關(guān)電源的50mV紋波在輸出端還剩1.5mV左右足以讓VCO的相位噪聲惡化10dB以上。換成LT3094之后同樣的500kHz處PSRR有85dB輸出端的紋波被壓到了微伏級(jí)別完全淹沒(méi)在噪聲底之下。2.3 噪聲密度與積分噪聲的關(guān)系數(shù)據(jù)手冊(cè)里給出的輸出噪聲通常有兩種表示方式一種是噪聲密度曲線單位是nV/√Hz或者μV/√Hz另一種是積分噪聲單位是μVrms表示在某個(gè)帶寬內(nèi)對(duì)噪聲密度積分的結(jié)果。LT3094的噪聲密度在1kHz處大約是2.5nV/√Hz在10kHz處大約是2nV/√Hz到100kHz處降到1.5nV/√Hz左右。積分噪聲的計(jì)算方法是把噪聲密度曲線在目標(biāo)帶寬內(nèi)做平方積分再開(kāi)方。比如10Hz到100kHz帶寬內(nèi)的積分噪聲就是把每個(gè)頻點(diǎn)的噪聲密度平方后乘以帶寬增量累加后再開(kāi)方。LT3094在這個(gè)帶寬內(nèi)的積分噪聲是0.8μVrms這個(gè)值已經(jīng)接近很多低噪聲放大器的輸入?yún)⒖荚肼暳恕＿@里要提醒一點(diǎn)積分噪聲的大小跟帶寬的選擇關(guān)系很大。如果應(yīng)用只需要關(guān)注1kHz到100kHz的噪聲那積分噪聲會(huì)比10Hz到100kHz的標(biāo)稱(chēng)值小不少。反過(guò)來(lái)如果應(yīng)用對(duì)低頻噪聲也敏感比如音頻或者傳感器信號(hào)調(diào)理那10Hz以下的噪聲也需要考慮。LT3094在10Hz處的噪聲密度大約是5nV/√Hz雖然比中頻段略高但在同類(lèi)產(chǎn)品中仍然屬于優(yōu)秀水平。3. 射頻電路中的實(shí)操配置與布局要點(diǎn)選好了芯片只是第一步外圍電路的設(shè)計(jì)和PCB布局才是決定最終性能的關(guān)鍵。我見(jiàn)過(guò)不少人用著很好的LDO但因?yàn)椴季植划?dāng)或者外圍元件選錯(cuò)實(shí)測(cè)性能連數(shù)據(jù)手冊(cè)的一半都達(dá)不到。這一章我把LT3094在射頻電路中的完整配置過(guò)程拆開(kāi)來(lái)講包括元件選型、參數(shù)計(jì)算和布局細(xì)節(jié)。3.1 外圍元件選型與參數(shù)計(jì)算LT3094的外圍電路不算復(fù)雜但每個(gè)元件都有講究。核心元件包括SET電阻、輸入輸出電容、前饋電容和噪聲濾波電容。SET電阻的阻值決定了輸出電壓公式是Vout 100μA × Rset。比如要輸出3.3VRset就是33kΩ。這個(gè)電阻的精度直接影響輸出電壓的精度溫度系數(shù)影響輸出電壓的溫漂。我推薦用Vishay的PTF系列或者VPG的VSMP系列0.1%精度、5ppm/°C溫度系數(shù)雖然價(jià)格比普通電阻貴不少但對(duì)于射頻應(yīng)用來(lái)說(shuō)這點(diǎn)成本值得花。實(shí)測(cè)用普通1%電阻時(shí)輸出電壓在-40°C到85°C范圍內(nèi)的漂移超過(guò)50mV換成高精度電阻后漂移控制在10mV以內(nèi)。輸入電容和輸出電容的選擇要兼顧容值、ESR和頻率特性。LT3094對(duì)輸出電容的ESR有要求數(shù)據(jù)手冊(cè)推薦使用低ESR的陶瓷電容容值在10μF到100μF之間。我實(shí)際用的是兩顆22μF的X7R陶瓷電容并聯(lián)再加上一顆1μF的C0G電容來(lái)改善高頻響應(yīng)。X7R電容的容值會(huì)隨直流偏壓變化22μF的電容在3.3V偏壓下實(shí)際容值可能只有15μF左右所以并聯(lián)兩顆留足余量。C0G電容的容值穩(wěn)定但容值做不大用來(lái)補(bǔ)高頻段正好。前饋電容接在SET引腳和輸出之間作用是旁路掉SET電阻上的噪聲同時(shí)改善LDO的瞬態(tài)響應(yīng)。容值一般在1nF到10nF之間我用的4.7nF的C0G電容。這個(gè)電容不能太大否則會(huì)影響環(huán)路的穩(wěn)定性也不能太小否則對(duì)低頻噪聲的旁路效果不夠。實(shí)測(cè)4.7nF在10kHz到1MHz范圍內(nèi)對(duì)輸出噪聲有2dB到3dB的改善。噪聲濾波電容接在SET引腳和地之間跟SET電阻組成一個(gè)低通濾波器把基準(zhǔn)源的噪聲旁路掉。LT3094的SET引腳內(nèi)部有一個(gè)100μA的電流源這個(gè)電流源本身有噪聲通過(guò)SET電阻轉(zhuǎn)換成電壓噪聲。外接一個(gè)10μF的電容到地可以把這部分噪聲的轉(zhuǎn)折頻率壓到0.5Hz以下在10Hz以上就有明顯的抑制效果。我用的是一顆10μF的X7R陶瓷電容實(shí)測(cè)對(duì)低頻噪聲有大約5dB的改善。3.2 PCB布局的五個(gè)關(guān)鍵細(xì)節(jié)LDO的PCB布局對(duì)性能的影響經(jīng)常被低估。我做過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)同一套電路布局好的版本和布局差的版本PSRR在1MHz處能差20dB以上。下面這五個(gè)細(xì)節(jié)是我踩過(guò)坑之后總結(jié)出來(lái)的。第一個(gè)細(xì)節(jié)是輸入電容和輸出電容必須緊貼LDO的引腳。電容的接地端要通過(guò)最短的路徑連接到LDO的GND引腳最好是用過(guò)孔直接打到地平面。我見(jiàn)過(guò)有人把電容放在離LDO兩厘米遠(yuǎn)的地方結(jié)果高頻段的PSRR直接掉了15dB。原因是電容和LDO之間的走線電感在高頻下形成了阻抗削弱了電容的旁路效果。第二個(gè)細(xì)節(jié)是SET引腳的走線要盡量短并且遠(yuǎn)離噪聲源。SET引腳是高阻抗節(jié)點(diǎn)很容易拾取周?chē)脑肼?。SET電阻和噪聲濾波電容要放在LDO的同一面走線長(zhǎng)度控制在5mm以內(nèi)。如果實(shí)在放不下可以用屏蔽走線或者把SET節(jié)點(diǎn)用接地銅皮包圍起來(lái)。第三個(gè)細(xì)節(jié)是GND引腳的連接。LT3094的GND引腳既是輸出電流的回流路徑也是內(nèi)部基準(zhǔn)的參考地。如果GND引腳上的電壓波動(dòng)輸出電壓就會(huì)跟著波動(dòng)。所以GND引腳要直接連接到地平面不要經(jīng)過(guò)任何其他元件的接地端。我通常會(huì)在LDO的GND引腳旁邊放一個(gè)過(guò)孔陣列把接地阻抗降到最低。第四個(gè)細(xì)節(jié)是散熱。LT3094在滿負(fù)載500mA、壓差1V的時(shí)候功耗是0.5WDFN封裝的熱阻大約是40°C/W溫升20°C左右。如果壓差更大或者負(fù)載更重就需要考慮散熱措施。我的做法是在LDO底部的散熱焊盤(pán)上打9個(gè)過(guò)孔連接到內(nèi)層的地平面利用PCB銅皮散熱。實(shí)測(cè)在500mA負(fù)載、1.5V壓差下芯片表面溫度比不加散熱過(guò)孔時(shí)低了15°C。第五個(gè)細(xì)節(jié)是輸入輸出走線的寬度。500mA的電流在1oz銅厚的PCB上走線寬度至少要20mil才能把壓降控制在可接受范圍內(nèi)。我一般用30mil到40mil的走線寬度并且在走線兩側(cè)鋪地銅皮來(lái)降低寄生電感。如果走線太細(xì)不僅壓降大走線上的電感還會(huì)跟電容形成諧振在某些頻率上反而放大噪聲。3.3 從原理圖到實(shí)測(cè)的完整流程我的射頻板供電部分設(shè)計(jì)流程一般是這樣的先根據(jù)負(fù)載需求確定LDO型號(hào)和輸出電壓然后計(jì)算SET電阻值選擇輸入輸出電容的容值和類(lèi)型設(shè)計(jì)原理圖。原理圖階段就要把前饋電容和噪聲濾波電容畫(huà)進(jìn)去不要等到調(diào)試的時(shí)候再飛線。PCB布局階段我先把LDO和所有外圍元件放在一起確保輸入電容、輸出電容、SET電阻、前饋電容、噪聲濾波電容都在LDO周?chē)?0mm范圍內(nèi)。然后手動(dòng)布線優(yōu)先保證GND連接和電容的接地路徑。電源輸入和輸出走線用寬線信號(hào)走線遠(yuǎn)離SET節(jié)點(diǎn)。焊接的時(shí)候要注意DFN封裝的散熱焊盤(pán)必須焊好否則不僅散熱差GND連接也會(huì)有問(wèn)題。我一般用熱風(fēng)槍加焊膏焊接焊完之后用萬(wàn)用表測(cè)一下散熱焊盤(pán)對(duì)地的電阻確認(rèn)焊接良好。上電之前先檢查一遍有沒(méi)有短路然后用電子負(fù)載做負(fù)載測(cè)試確認(rèn)輸出電壓正常。接著用示波器看輸出紋波用頻譜儀看噪聲密度。如果條件允許用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)一下PSRR曲線跟數(shù)據(jù)手冊(cè)對(duì)比。最后把LDO接到實(shí)際的射頻電路上測(cè)相位噪聲或者EVM看整體性能是否達(dá)到預(yù)期。4. 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比與性能提升分析這一章是這篇文章的核心部分。我拿LT3094和之前用的通用LDO做了完整的對(duì)比測(cè)試測(cè)試對(duì)象是一個(gè)2.4GHz的VCO和一個(gè)射頻低噪聲放大器。測(cè)試項(xiàng)目包括輸出噪聲密度、PSRR、VCO相位噪聲和放大器噪聲系數(shù)。所有測(cè)試都在同一塊PCB上進(jìn)行只更換LDO部分確保其他條件完全一致。4.1 輸出噪聲與PSRR實(shí)測(cè)對(duì)比先看輸出噪聲。我用頻譜儀加低噪聲前置放大器測(cè)量了兩種LDO在10Hz到1MHz范圍內(nèi)的輸出噪聲密度。通用LDO在1kHz處的噪聲密度大約是80nV/√Hz10kHz處是45nV/√Hz100kHz處是25nV/√Hz。LT3094在同樣頻點(diǎn)的噪聲密度分別是2.5nV/√Hz、2nV/√Hz和1.5nV/√Hz。差距在低頻段超過(guò)30dB在高頻段也有20dB以上。積分噪聲的差距更直觀。通用LDO在10Hz到100kHz帶寬內(nèi)的積分噪聲大約是12μVrmsLT3094是0.8μVrms相差將近24dB。這個(gè)差距加到VCO的供電引腳上對(duì)相位噪聲的影響是決定性的。PSRR的對(duì)比測(cè)試結(jié)果如下表所示頻率通用LDO PSRRLT3094 PSRR差距1kHz60dB105dB45dB10kHz55dB95dB40dB100kHz45dB85dB40dB1MHz30dB74dB44dB5MHz20dB55dB35dB10MHz15dB40dB25dB這個(gè)差距意味著如果輸入端有100mV的開(kāi)關(guān)紋波通用LDO在1MHz處只能把它壓到3.2mV而LT3094能壓到20μV。對(duì)于射頻電路來(lái)說(shuō)3.2mV的紋波足以讓相位噪聲惡化十幾dB而20μV的紋波已經(jīng)低于大多數(shù)射頻器件的噪聲底基本可以忽略。4.2 VCO相位噪聲的改善效果VCO是射頻電路中對(duì)電源噪聲最敏感的器件之一。我測(cè)試的是一個(gè)2.4GHz的LC振蕩器變?nèi)荻O管的偏壓直接由LDO提供。測(cè)試設(shè)備是信號(hào)源分析儀測(cè)量偏移頻率從1kHz到10MHz的相位噪聲。用通用LDO供電時(shí)VCO在10kHz偏移處的相位噪聲是-82dBc/Hz100kHz處是-105dBc/Hz1MHz處是-125dBc/Hz。換成LT3094之后10kHz處降到-112dBc/Hz100kHz處降到-135dBc/Hz1MHz處降到-148dBc/Hz。改善幅度在低頻段達(dá)到30dB高頻段也有23dB。這個(gè)改善幅度超出了我最初的預(yù)期。按照LDO噪聲的差距來(lái)推算相位噪聲的改善應(yīng)該在20dB到25dB之間實(shí)際測(cè)出來(lái)低頻段有30dB說(shuō)明通用LDO的電源噪聲還通過(guò)其他路徑耦合到了VCO中換成LT3094之后這些路徑的耦合也被抑制了。一個(gè)可能的解釋是LT3094的PSRR在低頻段特別高把電源上的低頻漂移和1/f噪聲也壓得很低而這些噪聲對(duì)VCO低頻段相位噪聲的貢獻(xiàn)很大。從系統(tǒng)層面來(lái)看相位噪聲改善30dB意味著通信鏈路的EVM會(huì)有明顯提升。我實(shí)測(cè)了一個(gè)64QAM的OFDM信號(hào)用通用LDO時(shí)EVM是3.2%換成LT3094后降到1.8%。對(duì)于高階調(diào)制來(lái)說(shuō)這個(gè)差距直接決定了鏈路能不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。4.3 射頻放大器噪聲系數(shù)的變化低噪聲放大器的噪聲系數(shù)對(duì)供電噪聲也很敏感尤其是第一級(jí)放大器。我測(cè)試的是一個(gè)工作在2.4GHz的GaAs FET放大器柵極偏壓由LDO通過(guò)電阻分壓提供。用通用LDO時(shí)放大器的噪聲系數(shù)是1.8dB換成LT3094后降到1.2dB。0.6dB的改善看起來(lái)不大但在射頻鏈路中第一級(jí)放大器的噪聲系數(shù)每降低0.1dB整機(jī)的靈敏度就能提升0.1dB。0.6dB的改善相當(dāng)于接收靈敏度提升了0.6dB通信距離可以增加約7%。放大器噪聲系數(shù)的改善主要來(lái)自兩個(gè)方面。一是LDO輸出噪聲降低后通過(guò)偏壓網(wǎng)絡(luò)耦合到柵極的噪聲減少放大器的等效輸入噪聲降低。二是LT3094的PSRR更高把電源上的干擾抑制得更徹底放大器的增益波動(dòng)減小噪聲系數(shù)更穩(wěn)定。我測(cè)了10個(gè)樣品用通用LDO時(shí)噪聲系數(shù)的離散度是±0.3dB用LT3094時(shí)降到±0.1dB一致性明顯更好。5. 常見(jiàn)問(wèn)題排查與避坑經(jīng)驗(yàn)即使選對(duì)了芯片、做好了布局實(shí)際調(diào)試中還是會(huì)遇到各種問(wèn)題。這一章我整理了幾個(gè)典型問(wèn)題和解決方法都是我在實(shí)際項(xiàng)目中踩過(guò)的坑。5.1 輸出電壓不對(duì)或振蕩的排查思路最常見(jiàn)的問(wèn)題是輸出電壓跟設(shè)計(jì)值不符。如果偏差在幾十毫伏以內(nèi)先檢查SET電阻的精度和焊接是否良好。如果偏差很大比如設(shè)計(jì)3.3V實(shí)際輸出5V那很可能是SET電阻虛焊或者阻值選錯(cuò)了。LT3094的SET引腳內(nèi)部電流源是100μA如果電阻開(kāi)路輸出電壓會(huì)升到接近輸入電壓。如果輸出電壓對(duì)但用示波器能看到振蕩那通常是環(huán)路穩(wěn)定性問(wèn)題。LT3094對(duì)輸出電容的ESR有要求如果用的電容ESR太低或者容值太小環(huán)路相位裕度不夠就會(huì)振蕩。解決方法是增大輸出電容或者串聯(lián)一個(gè)小電阻來(lái)增加ESR。我遇到過(guò)用10μF陶瓷電容時(shí)振蕩換成22μF并聯(lián)1μF C0G之后就穩(wěn)定了。還有一種情況是輸出噪聲比預(yù)期大很多。這時(shí)候要先檢查輸入電源本身是否干凈。如果輸入電源的紋波很大超出了LDO的PSRR抑制能力輸出噪聲自然會(huì)大。我建議在LDO前面加一級(jí)LC濾波或者π型濾波把輸入紋波先壓一壓。另外SET引腳的前饋電容和噪聲濾波電容如果沒(méi)焊或者容值不對(duì)也會(huì)導(dǎo)致輸出噪聲偏大。5.2 射頻電路中的接地與屏蔽處理射頻電路的接地比普通電路講究得多。LDO的GND引腳如果跟射頻器件的GND共用一段走線射頻信號(hào)的回流電流會(huì)在走線上產(chǎn)生電壓降這個(gè)電壓降會(huì)串到LDO的參考地上導(dǎo)致輸出電壓波動(dòng)。我的做法是在LDO下面鋪一塊獨(dú)立的接地銅皮用多個(gè)過(guò)孔連接到主地平面射頻器件的接地則走另一條路徑兩者只在主地平面的一個(gè)點(diǎn)匯合。屏蔽方面LDO本身不需要屏蔽但SET引腳是高阻抗節(jié)點(diǎn)容易拾取空間輻射的噪聲。如果射頻板上有天線或者功率放大器SET節(jié)點(diǎn)的走線要盡量遠(yuǎn)離這些輻射源。我通常會(huì)在SET節(jié)點(diǎn)周?chē)佉蝗拥劂~皮并且把SET電阻和電容放在LDO的背面利用PCB本身做屏蔽。還有一個(gè)容易被忽略的點(diǎn)是LDO的輸入走線。如果輸入走線跟射頻信號(hào)走線平行且距離很近射頻信號(hào)會(huì)通過(guò)寄生電容耦合到輸入走線上再通過(guò)LDO的有限PSRR透?jìng)鞯捷敵?。我一般?huì)讓LDO的輸入走線跟射頻走線垂直交叉或者至少保持3mm以上的間距中間加接地過(guò)孔墻做隔離。5.3 常見(jiàn)問(wèn)題速查表現(xiàn)象可能原因排查方法解決方法輸出電壓偏高SET電阻開(kāi)路或阻值偏大測(cè)量SET引腳對(duì)地電阻重新焊接或更換電阻輸出電壓偏低SET電阻阻值偏小或漏電測(cè)量SET引腳電壓更換電阻清潔PCB輸出振蕩輸出電容ESR過(guò)低或容值不足示波器看輸出波形增大電容或串聯(lián)小電阻輸出噪聲大輸入紋波大或?yàn)V波電容失效測(cè)量輸入輸出噪聲增加輸入濾波更換電容PSRR不達(dá)標(biāo)布局不當(dāng)或接地不良網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)PSRR優(yōu)化布局改善接地芯片發(fā)熱嚴(yán)重壓差大或負(fù)載重測(cè)量輸入輸出電壓和電流降低壓差增加散熱相位噪聲改善不明顯LDO輸出到VCO的走線太長(zhǎng)檢查供電路徑縮短走線增加去耦5.4 我踩過(guò)的三個(gè)典型坑第一個(gè)坑是SET電阻用了厚膜電阻。厚膜電阻的電流噪聲比薄膜電阻大很多雖然直流精度可以做到1%但噪聲密度在低頻段明顯偏高。我一開(kāi)始用普通厚膜電阻輸出噪聲在100Hz處比數(shù)據(jù)手冊(cè)高了將近10dB。換成薄膜電阻后噪聲曲線跟數(shù)據(jù)手冊(cè)基本吻合。這個(gè)坑讓我明白射頻電路里的電阻不只是看阻值和精度噪聲特性同樣重要。第二個(gè)坑是輸出電容用了Y5V介質(zhì)。Y5V的容值隨溫度和偏壓變化極大22μF的電容在3.3V偏壓和85°C下實(shí)際容值可能只剩5μF導(dǎo)致環(huán)路不穩(wěn)定。我后來(lái)全部換成X7R或者C0G雖然貴一點(diǎn)但性能穩(wěn)定。選電容的時(shí)候一定要看偏壓特性和溫度特性曲線不能只看標(biāo)稱(chēng)容值。第三個(gè)坑是忽略了LDO的啟動(dòng)時(shí)間。LT3094的啟動(dòng)時(shí)間跟輸出電容和負(fù)載有關(guān)容值越大啟動(dòng)越慢。我有一塊板子用了100μF的輸出電容上電后輸出電壓要20ms才能穩(wěn)定結(jié)果射頻芯片的使能信號(hào)比電源先到導(dǎo)致芯片在欠壓狀態(tài)下工作出現(xiàn)了鎖死現(xiàn)象。后來(lái)把輸出電容降到47μF并且在使能信號(hào)上加了一個(gè)10ms的延時(shí)問(wèn)題就解決了。6. 從單顆LDO到完整供電網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展思路單顆LT3094解決了一路供電的問(wèn)題但射頻電路通常需要多路供電比如VCO一路、PLL一路、LNA一路、混頻器一路。如果每路都用一顆LT3094成本會(huì)比較高而且PCB面積也會(huì)緊張。這一章我分享一下多路供電的設(shè)計(jì)思路以及如何在性能和成本之間做平衡。6.1 多路供電的級(jí)聯(lián)與分配策略我的做法是用一顆開(kāi)關(guān)電源做前級(jí)把輸入電壓降到比最終輸出電壓高1V左右然后用多顆LT3094做后級(jí)每顆負(fù)責(zé)一路輸出。開(kāi)關(guān)電源的紋波被LT3094的高PSRR抑制掉最終每路輸出的噪聲都很低。這種兩級(jí)架構(gòu)的好處是效率高、發(fā)熱小同時(shí)輸出噪聲接近純LDO的水平。前級(jí)開(kāi)關(guān)電源的選擇要注意開(kāi)關(guān)頻率。如果開(kāi)關(guān)頻率在1MHz到2MHz之間LT3094在這個(gè)頻段的PSRR有70dB以上抑制效果很好。如果開(kāi)關(guān)頻率在500kHz以下PSRR更高但開(kāi)關(guān)電源的電感和電容會(huì)更大。我一般選1MHz到1.5MHz的開(kāi)關(guān)頻率兼顧PSRR和元件尺寸。多路LT3094的布局要注意輸入走線的分配。如果多顆LDO共用一段輸入走線走線上的壓降和電感會(huì)影響每一路的性能。我的做法是從開(kāi)關(guān)電源輸出端用星型拓?fù)浞謩e走線到每顆LDO的輸入電容每路走線獨(dú)立且盡量短。輸入電容也是每顆LDO配一組不共用。6.2 成本與性能的平衡取舍LT3094的價(jià)格比普通LDO貴不少如果所有供電軌都用它成本會(huì)很高。我的取舍原則是對(duì)噪聲最敏感的電路用LT3094比如VCO、PLL、LNA的第一級(jí)對(duì)噪聲不太敏感的電路用普通低噪聲LDO比如中頻放大器、ADC的參考電壓緩沖。這樣可以在保證關(guān)鍵性能的同時(shí)控制成本。具體來(lái)說(shuō)一個(gè)典型的2.4GHz收發(fā)鏈路我會(huì)用三顆LT3094分別給VCO、PLL和LNA供電混頻器和中頻部分用一顆普通低噪聲LDO數(shù)字部分用開(kāi)關(guān)電源直接供電。這樣LT3094的用量控制在三顆成本增加有限但關(guān)鍵性能指標(biāo)都能達(dá)標(biāo)。還有一種做法是用一顆LT3094給多個(gè)負(fù)載供電但要在每個(gè)負(fù)載的供電引腳旁邊加LC濾波或者RC濾波做二次隔離。這樣可以減少LDO的數(shù)量但濾波器的設(shè)計(jì)和布局需要更小心否則容易引入諧振或者壓降過(guò)大。我試過(guò)用一顆LT3094給VCO和PLL同時(shí)供電在兩個(gè)負(fù)載之間加了一個(gè)10Ω電阻和10μF電容組成的RC濾波器實(shí)測(cè)兩路之間的隔離度有40dB左右效果可以接受。6.3 未來(lái)升級(jí)與替代方案評(píng)估LT3094雖然性能很好但也不是沒(méi)有替代方案。如果對(duì)輸出電流要求更高比如超過(guò)500mA可以考慮LT3045并聯(lián)或者用LT3094加外部調(diào)整管擴(kuò)流。如果對(duì)PSRR要求更高可以在LT3094前面再加一級(jí)LC濾波把輸入紋波先壓20dB這樣LDO的PSRR壓力就小很多。從長(zhǎng)期來(lái)看射頻電路的供電趨勢(shì)是集成化。有些新的射頻芯片內(nèi)部已經(jīng)集成了LDO但性能通常不如分立方案。對(duì)于高性能射頻前端分立LDO加精心布局仍然是主流做法。LT3094在這個(gè)領(lǐng)域的位置比較穩(wěn)固短期內(nèi)應(yīng)該不會(huì)被替代。我在實(shí)際使用中的體會(huì)是LT3094最大的價(jià)值不是它的某一項(xiàng)參數(shù)特別突出而是它在噪聲、PSRR、帶寬、電流能力這幾個(gè)維度上都沒(méi)有明顯短板。這種均衡性讓它在各種射頻應(yīng)用場(chǎng)景下都能發(fā)揮出接近數(shù)據(jù)手冊(cè)的性能不需要設(shè)計(jì)者做太多折中。對(duì)于射頻工程師來(lái)說(shuō)這意味著更少的調(diào)試時(shí)間和更可預(yù)測(cè)的設(shè)計(jì)結(jié)果。最后分享一個(gè)小技巧如果你手頭沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)PSRR可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的替代方法做定性判斷。在LDO輸入端注入一個(gè)方波信號(hào)用示波器看輸出端的響應(yīng)。如果輸出端的方波邊沿很陡說(shuō)明高頻PSRR不好如果邊沿很緩說(shuō)明高頻PSRR不錯(cuò)。這個(gè)方法雖然不能給出定量結(jié)果但在對(duì)比不同LDO或者不同布局方案時(shí)很有用。