电源ripple对线性度的影响

非零电源阻抗会造成电源ripple,也叫做“电源调制效应”,该效应会导致某些非线性电路的失真(比如class-B/AB amplifier、sampler等电路),直接原因是流过power的瞬态电流与input signal相关。下面是电源ripple导致线性度恶化的理论推导,实际上这是一篇JSSC’2008上发表的部分内容,这里给出简单总结和实际考虑。

图1 差分class-B的简化电路,Cb为bypass电容,Lvdd/Lgnd分别为电源上的routing寄生电感
图2 (a)class-B,双音输入,流过M1的drain电流;(b) 流过M2的drain电流;(c) 流过M1和M2 drain电流之和;(d) 电源上加入bypass后的电流波形

简单理论

根据上面两图的图题描述,应该很好理解电源调制过程,不清楚的可以去查阅paper,这里不再复述。理论总结如下,原paper讲的是,给定双音输入,

流过power的电流表达为,

经过傅里叶级数展开,得到,

如果片上电源地之间有bypass电容,is的高频成分会被滤除,但滤不掉ωs的低频成分及其谐波(除非使用非常大的bypass电容,但这是以牺牲面积和P/G settling为代价的,不切实际),因此这些低频电流会流过电源线,与routing上的阻抗形成电源电压ripple。换句话说,实际电源电压表达为,

其中VDD为理想的干净电源电压,而ωs的ripple会与双音频率ω1和ω2发生混频调制,在ω1±ωs、ω2±ωs处产生额外的spur,这些spur中,我们很容易就能找到ω1s=2ω12、ω2s=2ω21处的spur,它们直接加在M1/M2管子本身产生的IM3上进而恶化电路的IM3性能,即恶化线性度,同时,幅度A2也与频率正相关,也即是频率越高,线性度越差。

实际考虑

上面以class-B amplifier为例展开分析,对于class-AB或其他非线性电路(如sampler等)具有类似的分析过程,通过分析,可以发现电源ripple与信号相关,直接影响线性度。解决方法是,对于一般精度,取合理大小的bypass电容即可,同时考虑共地问题(尤其是内部电路);但对于高精度电路,光有bypass电容还不够,具体情况具体分析,甚至可能变更电路架构,进而影响系统方案,需特别关注此问题。

以上□

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