【导读】于5G基站、防务范畴、周详仪器等对于噪声极端敏感的射频体系中，电源噪声直接影响旌旗灯号完备性。传统降压+LDO的二级供电方案虽能降噪，却面对体积年夜、效率低、成本高的痛点。新型超低噪声开关稳压器Silent Switcher® 3系列打破这一局限，依附0.1Hz-100kHz频段噪声低在LDO的冲破性机能，联合单级架构上风，为射频工程师提供了更紧凑、高效、经济的电源解决方案。本文经由过程锁相环时钟与高速ADC两年夜案例，深切解析其怎样均衡降噪需求与体系设计挑战。

择要

于5G基站、防务范畴、周详仪器等对于噪声极端敏感的射频体系中，电源噪声直接影响旌旗灯号完备性。传统降压+LDO的二级供电方案虽能降噪，却面对体积年夜、效率低、成本高的痛点。新型超低噪声开关稳压器Silent Switcher® 3系列打破这一局限，依附0.1Hz-100kHz频段噪声低在LDO的冲破性机能，联合单级架构上风，为射频工程师提供了更紧凑、高效、经济的电源解决方案。本文经由过程锁相环时钟与高速ADC两年夜案例，深切解析其怎样均衡降噪需求与体系设计挑战。

弁言

射频(RF)体系对于电源解决方案的噪声机能提出了更严酷的要求，由于要运用在包括航空航天与防务、5G无线运用、医疗装备、仪器仪表等于内的多种范畴。电源解决方案的输出噪声低是维持体系出众机能的要害因素之一。是以，噪声敏感型RF运用的市场份额正于迅速扩展。传统上，降压式(buck)稳压器与低压差(LDO)稳压器组合而成的电源树解决方案于噪声敏感型运用中盘踞主导职位地方。然而，跟着下一代产物中的负载耗损的电流愈来愈年夜，降压式稳压器与LDO稳压器组合的解决方案成了体系瓶颈。受限在LDO稳压器有限的电流承载能力，此类解决方案袒露出尺寸年夜、成本高、损耗显著等毛病。

最近几年来，超低噪声开关稳压器获得了成长，具有精彩的电磁滋扰(EMI)机能和超低的低频（0.1 Hz至100 kHz）噪声。1,2,3进步前辈的超低噪声开关稳压器的低频噪声可与市道上机能最好的超低噪声LDO稳压器相媲美。进阶型超低噪声开关稳压器于噪声敏感型运用范畴中可谓厘革性的存于，统筹超低噪声、高电流承载能力、高效率及小尺寸的上风。

Silent Switcher3是立异的超低噪声开关稳压器系列，于上述四个要害机能维度均处在行业领先程度。1此前，ADI推出的Silent Switcher 1及2系列已经成为开关稳压器范畴的标杆之作，以高效率、低电磁滋扰噪声及小尺寸解决方案著称，可以或许撑持最高65 V的输入电压及30 A的输出电流。而Silent Switcher 3则于Silent Switcher1及2的乐成技能基础长进一步改造，相较在LDO稳压器，能更高效地输出年夜电流，仅靠单个集成电路（采用4 妹妹×4 妹妹的紧凑型封装），就能实现高达16 A的电流输出。相较在Silent Switcher 2系列，Silent Switcher 3系列依附立异的电路与布局设计，乐成实现了超低的低频输出噪声。1如表1所示，Silent Switcher 3稳压器于低频规模内的输出噪声低在未采用超低噪声设计的LDO稳压器。是以，于噪声敏感型RF运用中，基在单个超低噪声开关稳压器的单级电源解决方案于代替传统的降压式稳压器加LDO稳压器解决方案方面极具竞争力。本文将依托多个案例研究，先容于噪声敏感型运用中采用超低噪声开关稳压器Silent Switcher 3所带来的体系机能和显著上风。同时，文中还有将具体论述怎样充实使用Silent Switcher 3稳压器于器件层面的优秀机能，实现预期的体系层面机能方针。

利用超低噪声开关稳压器为锁相环(PLL)供电

RF体系中的很多组件及体系对于噪声都很敏感，例如PLL、高速ADC/DAC、混淆旌旗灯号前端MxFE®等。尤其是高机能PLL，它是RF体系中最主要的组件之一，能为ADC、DAC、FPGA及其他数字及混淆旌旗灯号IC提供所需的高质量时钟旌旗灯号。本节将切磋怎样使用基在Silent Switcher 3技能的单级解决方案，为高机能PLL供电并实现精彩的PLL机能。本次研究选用了ADF4372，这是一款广受接待的额定频率为5 GHz的高机能PLL频率合成器。4图1显示了具体的电源布局及用在试验研究的演示板。

表1.差别电源的输出噪声比力

图1.(a) ADF4372的详细电源布局；(b) ADF4372的演示板。

于RF运用中，高机能PLL的机能重要依据一项要害指标予以评估，即相位噪声。相位噪声的计较方式为，将1 Hz带宽规模内的噪声功率相对于在主RF旌旗灯号功率做归一化处置惩罚，其具体界说如公式1所示。

是以，相位噪声始终为负数，其值越低越抱负。相位噪声的单元是dBc/Hz，此中c暗示该值是按照载波功率举行归一化处置惩罚所患上。如图1所示，ADF4372需要两条电源轨，别离为3.3 V及5 V。此中，5 V电源轨的敏感度最高，由于它为PLL内部的压控振荡器(VCO)供电。4于本案例研究中，3.3 V电源始终由超低噪声LDO稳压器(LT3045)供给，而5 V电源则由Silent Switcher 3稳压器驱动，旨于研究Silent Switcher 3稳压器对于RF输出旌旗灯号相位噪声的影响。

图2给出了于采用基在Silent Switcher 3稳压器(LT8625S)的单级解决方案为PLL的5V电源轨供电时，其相位噪声机能的基准评估成果。2基准评估利用的是LT8625S演示板，仅对于演示板举行了最小限度的改动以实现5V供电。如图2所示，于这类环境下，ADF4372仍能实现精彩的相位噪声体现。从10Hz到100kHz，所测患上的相位噪声与采用LDO稳压器为5V电源轨供电时的环境近乎一致。然而，于约250kHz处呈现了一个尖峰，致使于100kHz至500kHz规模内的相位噪声略有升高。约250kHz处的相位噪声尖峰是由Silent Switcher 3稳压器的输出噪声引起的，该稳压器于此频率规模内的输出噪声也有一个平台区。因为VCO的输出对于其电源噪声高度敏感，Silent Switcher 3稳压器的输出噪声会传导至输出RF旌旗灯号的相位噪声上。

Silent Switcher 3稳压器的输出噪声尖峰是由低节制环路增益（约0 dB）酿成的，因为增益太弱，没法按捺此频率规模内的输出噪声。关在这一机制的具体注释，可参阅Silent Switcher 3系列的数据手册。2可以经由过程调解赔偿来增长Silent Switcher 3稳压器的节制带宽，从而降低噪声尖峰。是以，经由过程优化Silent Switcher 3稳压器的节制环路以得到更高的节制带宽，相位噪声可以获得进一步降低，如图3所示。图2中的基线相位噪声评估成果，是于Silent Switcher 3稳压器处在慢赔偿及低节制带宽的前提下患上出的。经由过程优化节制环路并实现高带宽，约250 kHz处的相位噪声尖峰险些被消弭，降低幅度跨越10 dBc/Hz。只管云云，于100 kHz至500 kHz的频率规模内，基在Silent Switcher 3稳压器的单级解决方案所孕育发生的相位噪声仍略高在采用超低噪声低LDO的两级解决方案。

图2.超低噪声LDO稳压器(LT3045)与Silent Switcher 3稳压器(LT8625S)的5 V相位噪声基线比力。

图3.Silent Switcher 3稳压器节制带宽对于高机能PLL相位噪声的影响。

为了进一步晋升Silent Switcher 3稳压器供电时的相位噪声机能，可以设计并添加一个次级（第二个）LC滤波器至Silent Switcher 3稳压器的输出端。具体的电路图如图4所示，此中展示了一个基在Silent Switcher 3稳压器的单级解决方案，利用了第二级LC滤波器为5 V电源轨供电。配置了第二级LC滤波器后，输出电压的检测既可以于当地输出端举行，也可于第二级LC滤波器后的远端输出端完成。本案例中选择于当地输出端检测输出电压，以便简化节制环路的设计。因为高机能PLL的电流耗损较低（凡是低在1A），第二级LC滤波器两头的电压降很小，是以仅检测当地输出电压是合理的。是以，选择利用当地输出电容来包管Silent Switcher 3稳压器的不变运行。然后，按照一般的设计指南建议，远端输出电容应高在当地输出电容，以使体系不变性对于负载电容的敏感度降低。5

图4.带有第二级LC滤波器的Silent Switcher 3稳压器的电路图，用在为PLL提供5 V的电压。

于确定了当地输出电容及远端输出电容以后，第二级电感L2可以按照截止频率，也就是第二级LC滤波器的谐振频率来举行选择。如图3所示，设计方针是于250 kHz处实现年夜在10 dBc/Hz的衰减量，于是要求第二级LC滤波器于250 kHz处至少孕育发生20 dB的衰减量。为了提供更高的裕度，采用于250 kHz时实现30 dB衰减量的设计，是以第二级LC滤波器（衰减斜率为-40 dB/dec）的截止频率应为44.6 kHz。由此计较患上出，第二级LC滤波器的电感值为260 nH。思量到电感的公役（凡是为±20%），终极选定的电感值为330 nH。末了但一样主要的是，于第二级LC滤波器的设计中应实现充足的阻尼，凡是的经验规则是将品质因数Q节制于1.5如下。是以，添加120 mΩ的阻尼电阻并将其与远端输出电容串联，从而使有用品质因数Q到达0.7。

如图4所示，配备了所设计的第二级LC滤波器后，基在Silent Switcher 3稳压器的解决方案所实现的相位噪声机能，险些与采用超低噪声LDO稳压器的两级解决方案相称。如图5所示，所设计的第二级LC滤波器进一步晋升了由Silent Switcher 3稳压器供电时的相位噪声机能，使患上于10 Hz到10 MHz的频率规模内，与超低噪声LDO稳压器的效果险些不异。只管由Silent Switcher 3稳压器供电孕育发生的相位噪声成果于2 MHz处因开关频率的缘故仍旧存于一个微小的杂散旌旗灯号，但这个杂散旌旗灯号的频率是可猜测的，且与载波频率相距较远，是以其实不难处置惩罚。

图5.超低噪声LDO稳压器(LT3045)与带第二级LC滤波器的Silent Switcher 3稳压器(LT8625S)于输出5 V电压时的ADF4372相位噪声比力。

此外，不管是否配备设计的第二级LC滤波器，Silent Switcher 3解决方案所孕育发生的相位噪声，都远低在Silent Switcher 2稳压器(LTM8024)及其他供给商的通例开关稳压器。如图6a所示，作为一款超低噪声降压型开关稳压器，与Silent Switcher 2稳压器及通例开关稳压器比拟，Silent Switcher 3稳压器于1 kHz至500 kHz的频率规模内，可以或许实现低患上多的相位噪声。于低在1 kHz的频率下，差别电源供电时所测患上的相位噪声并没有差异。这是由于于云云低的频率下，高机能PLL的相位噪声重要由PLL的参考时钟决议，而非电源。此外，如图6b所示，Silent Switcher 3稳压器于没有针对于超低噪声举行非凡设计的环境下，也能实现比LDO稳压器更低的相位噪声。于5 kHz至100 kHz规模内，二者的相位噪声差值年夜在10 dBc/Hz，此中Silent Switcher 3稳压器于输出噪声方面优在未采用超低噪声设计的LDO稳压器（见表1）。综上所述，经由过程合理的节制环路及滤波器设计，基在Silent Switcher 3稳压器的单级解决方案可以或许实现与采用超低噪声LDO稳压器的两级解决方案近乎不异的PLL机能。基在Silent Switcher 3稳压器的单级解决方案，相较在采用未举行超低噪声设计的LDO稳压器的两级解决方案，能为PLL提供更好的相位噪声机能。

利用超低噪声开关稳压器为ADC体系供电

本节重点先容采用基在Silent Switcher 3稳压器的单级电源解决方案为ADC体系所带来的上风。ADC体系广泛运用在浩繁RF运用，例如5G/无线通讯、防务等。一个典型的ADC体系凡是由PLL时钟、ADC及数字处置惩罚器构成。本案例研究选用了一款进阶型高速ADC，即带宽为9 GHz的AD9208。6仍旧采用ADF4372演示板为体系提供时钟旌旗灯号。天生频率1.23 GHz、幅度-10 dBFS的模仿旌旗灯号，作为ADC的输入旌旗灯号。数字端则借助高速FPGA板（ADS7-V2EBZ板）及ACE软件来实现数字旌旗灯号检测及ADC机能评估。ADC体系的具体信息如图7所示。

于此ADC案例研究的第一部门，咱们研究了ADC体系的机能，以和将Silent Switcher 3稳压器用作PLL时钟电源所带来的上风。一样，ADF4372的3.3 V电源轨始终由超低噪声LDO稳压器(LT3045)供电，而5 V电源轨则由Silent Switcher 3解决方案或者其他电源解决方案供电。此外，AD9208始终由安装于尺度演示板上的默许电源解决方案供电。于不异的模仿输入旌旗灯号前提下，图8展示了于差别PLL时钟电源供电时，ADC输出旌旗灯号于1.23GHz四周的平均快速傅立叶变换(FFT)成果，其频率跨度为2MHz。与其他开关稳压器比拟，Silent Switcher 3稳压器可以或许让ADC实现最好的机能，并于1.23 GHz四周具备最低的噪声，只管其FFT波形于频率偏移约250 kHz处仍有一个平台区。

ADC体系机能对于采样时钟旌旗灯号的质量（即相位噪声）十分敏感。于约250 kHz处的平台区，与ADF4372输出旌旗灯号相位噪声图（图3中的绿色曲线）中不异频率处的小尖峰高度吻合。正如PLL案例研究中所展现的那样，相位噪声图中的这类小杂散旌旗灯号可以经由过程添加滤波器来消弭。是以，将Silent Switcher 3稳压器用作时钟电源时，经由过程添加第二级LC滤波器可以或许晋升ADC的机能，而这一点也获得了试验成果的证明。图9出现了于采用图4中设计的第二级LC滤波器的Silent Switcher 3解决方案下，ADC输出旌旗灯号的FFT成果。ADC输出的终极FFT波形于主旌旗灯号1.23 GHz四周出现出极低的噪声，这险些与超低噪声LDO稳压器的成果不异。不出所料，图9还有注解，于频率偏移小在100 kHz的环境下，配备了第二级LC滤波器的Silent Switcher 3稳压器的FFT成果优在未采用超低噪声设计的LDO稳压器的FFT成果，这是由于其低频噪声更低，进而使患上PLL时钟旌旗灯号的相位噪声也更低。

图6.差别电源下PLL时钟(ADF4372)的相位噪声：(a) ADF4372的相位噪声（5 GHz输出）；(b) ADF4372的相位噪声（5 GHz输出）。

图7.案例研究中进阶型ADC体系的具体布局。

为了更周全地评估ADC体系的机能，除了了阐发ADC输出的FFT成果以外，还有对于两个主要的ADC参数举行了评估，即信噪比(SNR)及无杂散动态规模(SFDR)。6SNR的界说简明易懂；而SFDR指的是输入旌旗灯号的均方根幅值与任何杂散噪声旌旗灯号的最高均方根幅值之比。差别在仅思量输入旌旗灯号频率四周的窄频率跨度，SNR及SFDR的计较涵盖了宽频率规模内的噪声。如表2所示，未利用任何LDO稳压器举行后级稳压的Silent Switcher 3解决方案所实现的AD9208的SNR及SFDR，与采用超低噪声LDO稳压器的传统两级解决方案告竣的成果不异。第二级LC滤波器对于所测患上的SNR及SFDR险些没有影响。此外，Silent Switcher 3解决方案实现的SNR及SFDR远远高在其他开关稳压器解决方案：孕育发生的SNR（10倍频）是通例开关稳压器的约20倍，SFDR（10倍频）则为45倍。至在与未采用超低噪声设计的LDO稳压器比拟，Silent Switcher 3解决方案实现的SNR略胜一筹，而SFDR则半斤八两，这是由于其上风仅表现于输入频率四周的噪声节制上，而这部门噪声于SNR计较所触及的总噪声中占比很小。

图8.差别电源下ADC采样时钟（超低噪声LDO稳压器、Silent Switcher 3稳压器、Silent Switcher 2稳压器及通例开关稳压器）的ADC输出旌旗灯号的平均FFT成果。

图9.差别电源下ADC采样时钟（带第二级LC滤波器的Silent Switcher 3稳压器，无超低噪声设计的LDO稳压器）的ADC输出旌旗灯号的平均FFT成果。

表2.差别ADC采样时钟电源下AD9208的SNR及SFDR对于比

本案例研究的另外一方面是探究采用Silent Switcher 3稳压器为ADC供电时，ADC体系的机能体现和由此带来的上风。于这一部门中，PLL时钟始终由默许的两级解决方案供电，采用超低噪声LDO稳压器(LT3045)，以便专注在研究ADC电源所孕育发生的影响。详细而言，为了简化研究流程，拔取AD9208的一个模仿电源轨AVDD1作为示例。AVDD1电源轨卖力为时钟域供电，其电压为0.975 V，标称电流耗损为640 mA，占总功耗的19%。6因为它对于电源噪声较为敏感，基在理论及实践阐发，故而当选定为研究对于象。其他所有电源轨则依然由尺度演示板上安装的默许电源解决方案供电。

试验成果证实，单级Silent Switcher 3解决方案可以或许代替传统的两级解决方案为ADC供电，而且不会减弱ADC的机能。为了评估采用Silent Switcher 3解决方案(LT8625S)作为AVDD1电源时ADC的机能体现，咱们对于ADC输出的平均FFT成果举行了深切阐发。需要留意的是，本次未安装第二级LC滤波器。如图10所示，由Silent Switcher 3稳压器为AVDD1供电时，ADC输出的FFT成果近乎抱负，与采用两级解决方案（降压式稳压器加超低噪声LDO稳压器）为AVDD1供电时的FFT成果同样使人满足。纵然未安装第二级LC滤波器，于频率偏移约250 kHz处也未呈现尖峰。

此外，ADC的机能对于ADC电源的低频噪声不太敏感，反而对于ADC电源的开关纹波更为敏感。基在Silent Switcher 2稳压器的单级解决方案，其开关频率为2 MHz，只管Silent Switcher 2稳压器的低频噪声机能并不是最优，但于基频(1.23 GHz)四周仍能使ADC输出近乎抱负的波形。正如本案例研究第一部门所证明的，这是由于于基频四周，ADC的输出噪声重要受采样时钟的相位噪声影响。换言之，高速ADC于基频四周的输出噪声对于电源噪声其实不十分敏感。不外，如图10所示，若利用低频噪声太高的通例开关稳压器为AVDD1供电，会使ADC于基频四周的输出噪声变患上更糟糕。图10还有显示，ADC电源的开关纹波会传导至ADC输出，致使ADC输出的FFT成果呈现相称较着的杂散旌旗灯号。例如，利用开关频率为750 kHz的通例开关稳压器为AVDD1供电时，于频率偏移750 kHz处会孕育发生年夜在30 dB的杂散旌旗灯号。先前研究开关纹波噪声对于高速数据转换器（ADC及DAC）机能影响的文献很好地证明了这一点。7,8是以，经由过程合理的滤波器设计，基在Silent Switcher 3技能的单级解决方案彻底可以或许满意ADC的电源需求，并确保其到达使人满足的机能体现。

图10.于提供AVDD1的差别电源（超低噪声LDO稳压器、Silent Switcher 3稳压器、Silent Switcher 2稳压器及通例开关稳压器）下，ADC输出旌旗灯号的平均FFT成果。

综上所述，基在Silent Switcher 3技能的单级电源解决方案可以或许代替采用超低噪声LDO稳压器的传统两级解决方案，为进阶型ADC体系中的PLL时钟及高速ADC供电。基在Silent Switcher 3技能的单级方案依然可以或许使ADC体系到达使人满足的机能，与传统的降压式稳压器加LDO稳压器的解决方案比拟，ADC的要害参数（如SNR、SFDR、噪声机能等）均未遭到影响。此外，相较在自身的电源噪声，ADC的机能对于采样时钟源的电源噪声更为敏感。是以，为了让Silent Switcher 3技能为进阶型ADC体系供电并具有使人满足的体系机能，特别是PLL时钟的机能，需要设计合理的节制环路及输出滤波器。

基在超低噪声开关稳压器的ADC体系电源架构

前面的章节已经经证实，Silent Switcher 3技能很是合适为进阶型ADC体系中的高机能PLL及高速ADC供电。Silent Switcher 3技能不仅可以或许满意进阶型ADC体系的电源需求，还有能确保体系机能不受任何影响。基在此，可以为ADC体系设计一个简化的全新电源树，无需利用任何LDO稳压器，纯粹基在Silent Switcher 3集成电路。也就是说，传统的两级解决方案（降压型稳压器加LDO稳压器）彻底被基在超低噪声开关稳压器Silent Switcher 3的单级解决方案所代替。基在上一节中的ADC体系案例研究，图11对于ADC体系(ADF4372 + AD9208)的原始电源树及基在Silent Switcher 3技能的新型简化电源树举行了对于比。原始电源树布局是基在AD9208及ADF4372尺度演示板上所利用的电源解决方案设计的；而新型电源树则是基在合用在低电流运用的最新Silent Switcher 3系列器件（LT8622S及LT8624S）设计的。

新型电源树无需利用任何LDO稳压器，可以或许为整个体系带来显著且广泛的益处。如图11所示，基在Silent Switcher 3技能的电源树是一种简化的布局，仅包罗五个Silent Switcher 3集成电路，而原始电源树则需要两个开关稳压器及六个LDO稳压器。是以，新型电源树可以或许年夜幅节省PCB面积，而且显著降低成本。此外，新型电源树布局可以或许年夜幅提高效率，从61.7%提高到84.8%。总功率损耗降低了71%，从3.919 W降低到了1.136 W。传统电源树布局的LDO稳压级自己就有2.305W的功率损耗。总功率损耗能有云云显著的降低，不仅是由于去除了了LDO稳压器，还有患上益在Silent Switcher 3集成电路纵然于2 MHz开关频率下也具备较高的效率。将来，针对于小在1 A运用场景专门开发的超低噪声开关稳压器，有望进一步晋升基在Silent Switcher 3技能的电源树的效率。

图11.ADC体系的原始电源树与新型电源树(AD9208 + ADF4372)对于比：(a)原始电源树（降压式稳压器与LDO稳压器组合而成的两级解决方案）；(b)新型电源树（基在Silent Switcher 3技能的单级解决方案）。

结论

超低噪声开关稳压器不仅可以或许于较宽的频率规模内实现超低的输出噪声，还有兼具较高的效率及输出电流能力。依附冲破性的噪声机能，ADI的Silent Switcher 3技能于低频噪声节制上甚至逾越了年夜大都LDO稳压器。是以，基在Silent Switcher 3技能的单级电源解决方案对于在噪声敏感型RF运用而言极具吸引力，具备广漠的远景。本文周全展示了Silent Switcher 3系列于噪声敏感型RF运用中的上风。两个案例研究乐成证实，基在Silent Switcher 3技能的单级电源解决方案可以或许代替采用超低噪声LDO稳压器的传统两级解决方案，而且依然可以或许确保体系机能不受影响。

于为高机能PLL时钟供电时，Silent Switcher 3技能所实现的相位噪声险些与采用超低噪声LDO稳压器的两级解决方案相称。就PLL的机能而言，Silent Switcher 3技能甚至优在未采用超低噪声设计的基在典型LDO稳压器的两级解决方案。另外一个ADC体系案例研究注解，经由过程合理设计滤波器，Silent Switcher 3技能可以或许使ADC到达优秀机能体现，要害参数与降压式稳压器加超低噪声LDO稳压器的解决方案险些无异。是以，可以为ADC体系开发一种基在Silent Switcher 3技能的简化电源树布局，无需利用任何LDO稳压器。与原本的降压式稳压器加超低噪声LDO稳压器的解决方案比拟，不利用任何LDO稳压器的Silent Switcher 3解决方案不仅削减了元件数目、缩小相识决方案尺寸，更实现了71%的功耗降幅。

（作者：Xingxuan Huang，高级运用工程师）

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