在高速模擬信號(hào)處理系統(tǒng)中，電源噪聲對(duì)器件性能的影響已成為制約系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍的核心因素。隨著5G通信、毫米波雷達(dá)等應(yīng)用對(duì)信號(hào)純凈度的要求日益嚴(yán)苛，電源噪聲的抑制技術(shù)從傳統(tǒng)的“被動(dòng)濾波”轉(zhuǎn)向“主動(dòng)量化控制”。本文深入解析電源調(diào)制比(PSMR)與電源抑制比(PSRR)的本質(zhì)差異，揭示兩者在信號(hào)鏈設(shè)計(jì)中的協(xié)同作用，為電源系統(tǒng)優(yōu)化提供理論支撐。

一、定義與核心差異：從耦合到調(diào)制的范式轉(zhuǎn)變

1.1 PSRR：電源缺陷的直接耦合度量

電源抑制比(PSRR)是衡量器件對(duì)電源噪聲抑制能力的經(jīng)典指標(biāo)，其定義為輸出端噪聲與電源端噪聲的比值(dB)。在直流條件下，PSRR反映電源電壓波動(dòng)對(duì)器件增益或失調(diào)誤差的影響，例如ADC的PSRR-dc指標(biāo)可量化電源電壓變化導(dǎo)致的LSB誤差。 然而，PSRR的局限性在于其僅表征噪聲的“直接傳遞”特性，無法解釋噪聲如何通過非線性機(jī)制影響信號(hào)質(zhì)量。

1.2 PSMR：電源缺陷的調(diào)制機(jī)制解析

電源調(diào)制比(PSMR)的提出源于對(duì)RF系統(tǒng)中載波信號(hào)失真機(jī)制的深入研究。其核心差異在于：PSMR衡量電源紋波通過調(diào)制機(jī)制(如幅度調(diào)制AM或相位調(diào)制PM)對(duì)載波信號(hào)的影響，而非簡單的噪聲傳遞。 例如，在射頻放大器中，1 mV的電源紋波可能通過AM機(jī)制在載波頻率偏移處產(chǎn)生-60 dBc的雜散信號(hào)，而通過PSRR無法預(yù)測此類非線性效應(yīng)。

1.3 本質(zhì)差異的數(shù)學(xué)表達(dá)

PSRR的傳遞函數(shù)可簡化為線性關(guān)系： $$ \text{PSRR} = 20 \log \left( \frac{V_{\text{out}}}{V_{\text{in}}} \right) $$ 而PSMR需考慮調(diào)制深度與載波功率的耦合： $$ \text{PSMR} = 20 \log \left( \frac{P_{\text{spurious}}}{P_{\text{carrier}}} \right) $$ 其中，$P_{\text{spurious}}$為雜散信號(hào)功率，$P_{\text{carrier}}$為載波功率。 這一差異導(dǎo)致PSMR在高頻系統(tǒng)中(如DAC輸出)的指標(biāo)可能比PSRR低20-30 dB，成為電源設(shè)計(jì)的瓶頸。

二、對(duì)系統(tǒng)性能的影響：從靜態(tài)誤差到動(dòng)態(tài)失真

2.1 PSRR主導(dǎo)的低頻影響

在低頻信號(hào)鏈中，PSRR直接決定電源噪聲對(duì)靜態(tài)性能的干擾。例如，精密運(yùn)放的PSRR-dc指標(biāo)若為80 dB，意味著電源電壓1%的變化僅導(dǎo)致輸出失調(diào)0.01%。 但當(dāng)電源噪聲頻率接近信號(hào)帶寬時(shí)，PSRR-ac指標(biāo)會(huì)急劇惡化，導(dǎo)致SNR下降。實(shí)測表明，1 MHz的電源紋波可使ADC的SNR降低5.1 dB。

2.2 PSMR主導(dǎo)的高頻災(zāi)難

PSMR的破壞性在RF系統(tǒng)中尤為顯著。以12.6 GSPS的DAC為例，其1.8 V模擬電源軌在1 MHz處的PSMR為-40 dB，意味著10 mV的電源紋波會(huì)在載波頻率偏移處產(chǎn)生-60 dBc的雜散。 這種調(diào)制效應(yīng)會(huì)通過以下途徑惡化系統(tǒng)性能：

相位噪聲惡化：電源紋波通過PM機(jī)制增加本地振蕩器的相位噪聲，導(dǎo)致解調(diào)誤碼率上升。

SFDR降低：AM調(diào)制產(chǎn)生的雜散信號(hào)會(huì)掩蓋微弱信號(hào)，使無雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)下降10 dB以上。

EVM超標(biāo)：在5G毫米波系統(tǒng)中，PSMR導(dǎo)致的調(diào)制失真可使誤差矢量幅度(EVM)超過3%的閾值。

2.3 協(xié)同作用下的系統(tǒng)級(jí)影響

PSRR與PSMR的協(xié)同效應(yīng)可通過“電源噪聲傳遞函數(shù)”建模。例如，在高速ADC中，PSRR決定噪聲基底，而PSMR決定動(dòng)態(tài)范圍。當(dāng)電源紋波頻率接近信號(hào)帶寬時(shí)，PSMR的惡化會(huì)導(dǎo)致SFDR與SNR的“雙降”現(xiàn)象。

三、測量方法與技術(shù)挑戰(zhàn)

3.1 PSRR的測量困境

傳統(tǒng)PSRR測量采用注入正弦波法，但存在以下問題：

低頻精度不足：1/f噪聲區(qū)域的PSRR測量需使用超低噪聲電源，成本高昂。

高頻寄生效應(yīng)：在GHz頻段，PCB布局的寄生電感會(huì)使實(shí)測PSRR比器件規(guī)格低10 dB。

3.2 PSMR的測量突破

PSMR的測量需采用“雙音測試法”：

在電源引腳注入低頻紋波(如1 MHz)。

在信號(hào)輸入端施加高頻載波(如2.4 GHz)。

通過頻譜分析儀檢測載波偏移處的雜散功率。 該方法可分離AM與PM分量，但需注意：

調(diào)制深度需控制在0.1%以下以避免非線性失真。

載波功率需與器件工作功率匹配，防止過載。

3.3 聯(lián)合測量技術(shù)

ADI公司提出的“動(dòng)態(tài)PSRR-PSMR聯(lián)合測試系統(tǒng)”可同步測量兩指標(biāo)：

使用數(shù)字信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生可編程的電源紋波。

通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)捕獲輸出頻譜。

利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法分離PSRR與PSMR分量。 該系統(tǒng)已應(yīng)用于AD9175 DAC的電源優(yōu)化，使PSMR指標(biāo)提升15 dB。

四、優(yōu)化策略：從器件到系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計(jì)

4.1 器件級(jí)優(yōu)化

工藝改進(jìn)：采用深溝槽隔離(DTI)技術(shù)可降低襯底耦合，使PSRR提升20 dB。

電路創(chuàng)新：共源共柵結(jié)構(gòu)可抑制電源噪聲的AM分量，使PSMR改善10 dB。

4.2 系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化

電源拓?fù)溥x擇：

低頻系統(tǒng)：LDO+LC濾波(PSRR優(yōu)化)。

高頻系統(tǒng)：開關(guān)電源+π型濾波(PSMR優(yōu)化)。

PCB布局技巧：

電源層與地層采用3-5層疊構(gòu)，降低寄生電感。

敏感信號(hào)線遠(yuǎn)離電源走線，避免耦合。

4.3 未來趨勢

智能電源管理：通過實(shí)時(shí)監(jiān)測PSRR/PSMR動(dòng)態(tài)調(diào)整供電電壓。

新材料應(yīng)用：氮化鎵(GaN)開關(guān)器件可降低電源紋波30%以上。

邁向噪聲免疫的信號(hào)鏈

PSRR與PSMR的差異本質(zhì)上是“線性傳遞”與“非線性調(diào)制”的博弈。在5G/6G時(shí)代，隨著信號(hào)帶寬向毫米波擴(kuò)展，PSMR的優(yōu)化將成為電源設(shè)計(jì)的核心。未來，通過器件-電路-系統(tǒng)的協(xié)同創(chuàng)新，有望實(shí)現(xiàn)“噪聲免疫”的信號(hào)鏈，為通信、雷達(dá)、醫(yī)療影像等領(lǐng)域提供更純凈的電源支持。