LDO噪声来源以及对射频频综输出相噪的影响-电路图讲解-电子技术方案

0; 摘要 相位噪声是时钟、射频频综最为关注的技术指标之一。影响锁相环相噪的因素有很多，比如电源、参考源相噪、VCO自身的相噪、环路滤波器的设置等。其中，电源引入的低频噪声往往对锁相环的近端相噪有着很大的影响。对于高性能的时钟和射频频综产品，为了获得极低的相噪性能，往往采用低噪声的LDO供电。然而，采用不同的LDO给频综供电，取得的相噪性能往往会有很大差别，同时，LDO外围电路设计也会影响到频综的相噪性能。     

 本文首先简要地介绍了LDO的噪声来源及环路稳定性对输出噪声的影响；其次，根据调频理论推导出VCO的相位噪声与LDO的噪声频谱密度的理论计算关系。在此基础上，为了验证LDO噪声对射频频综输出相噪的影响，分别采用TPS7A8101和TPS74401LDO评估板给TRF3765射频频综评估板供电，对比测试这两种情况下的TRF3765相噪曲线；同时，为了验证LDO环路稳定性对频综相噪的影响，针对TPS7A8101评估板的参考电路做出部分修改，并对比测试了电路修改前后的TRF3765输出相噪。  

1、LDO噪声来源及环路稳定性对输出噪声影响1.1LDO噪声来源 

 LDO的噪声分为LDO内部的噪声和LDO外部的噪声。LDO内部的噪声来自于内部电路的带隙基准源，放大器以及晶体管。LDO外部的噪声来自于输入。在LDO的手册中，PSRR是表征LDO抑制外部噪声的能力，但PSRR高并不代表LDO内部噪声小。LDO的总输出噪声才是表征LDO内部噪声抑制的参数，一般在电气特性表里用单位µVRMS表示，或者在噪声频谱密度图上表示。     

 图2是LDO内部结构框图，VN代表等效噪声源。噪声源包括带隙基准源产生的噪声VN(REF)，误差放大器产生的噪声VN(AMP)，FET产生的噪声VN(FET)以及反馈电阻产生的噪声VN(R1)和VN(R2)。在大多数情况下，由于带隙基准源电路是由很多不同的电阻、晶体管和电容组成，它所产生的噪声会远远大于反馈电阻产生的噪声。而且带隙基准源是误差放大器的输入，它所产生的噪声也会经由误差放大器放大来控制FET，所以误差放大器本身以及FET所产生的噪声也会比带隙基准源的噪声要低。可以说，LDO内部最大的噪声源就是带隙基准源。我们把LDO输出噪声VN(OUT)表示为     VN(Other)是VN(AMP)以及VN(FET)的和。由公式1可以得出，输出噪声最小值出现在R1短接到FB，误差放大器的增益近似为1的时候。       1.2LDO噪声抑制方法 为了抑制带隙基准源产生的噪声，有三种办法。   一是降低误差放大器的带宽，抑制了带隙基准源的高频噪声。但是降低带宽会使LDO的动态性能降低。 二是在带隙基准源和误差放大器之间加低通滤波。高性能的LDO都会有一个噪声抑制NR管脚，CNR并联在带隙基准源和GND之间，起到低通滤波的作用。如图3所示。     三是在反馈电阻R1上增加前馈电容CFF。在增加了CFF和CNR后，输出噪声可以表示为     从式2可以得出，CFF越大，输出噪声就越小。频率越高，输出噪声越小。   图4是不同CFF下的噪声频谱密度图。可以看出，CFF越大，噪声从低频开始都能被很好的抑制。CFF太小的时候，抑制噪声的作用就不太明显。当频率很高的时候，不管用多大的CFF，噪声频谱密度相差不会太大。所以，增加合适的前馈电容CFF，对改善LDO低频噪声有非常好的效果。

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  针对超短波电台训练中实装训练存在装备数量有限、设备损耗大、现有纯软件模拟训练系统操作体验与实装差距大的问题，提出一种基于STM32和MAX7349的超短波电台模拟训练系统。系统以STM32为微处理器实现对按键、LED、显示屏和音频接口等的控制，提供与实装电台相同的人机交互界面，通过串口与计算机实现数据交互，借助计算机网络完成电台通信的模拟和训练的监控，可为待训人员提供与真实设备没有差距的操作体验，便于掌握每一个人在训练过程中的基本情况，便于大规模集中训练，同时可以降低成本、避免电磁辐射与干扰。  

0引言 军用超短波电台是船艇近距离通信的主要装备，是船艇通信人员必须熟练操作的装备。由于按军标生产配备的超短波电台成本较高，很难实现按训练人数配备电台，在数量有限的情况下，学员培训过程中的频繁操作易造成设备的损坏，且多台设备使用中的电磁辐射及干扰问题不容忽视。为解决实装在教学实践中的局限性，基于模拟技术的超短波电台模拟训练系统在教学训练中被广泛使用。   本文针对某型号船用超短波电台，基于STM32和MAX7349实现电台人机交互界面的实物仿真，考虑到实装更新换代速度较快的情况，电路设计预留多种按键及LED的配置方式，可适应多种超短波电台模拟训练系统的需求。通信模拟基于计算机网络，实现了超短波通信环境的模拟、通信业务模拟、复杂电磁环境模拟，同时可进行训练情景设计、训练过程监控和训练效果评估。  

  1系统总体设计 模拟训练系统主要由硬件模拟器、学员计算机、监控计算机和网络设施组成，如图1所示。   　   

 其中硬件模拟器采用与超短波电台一样的外观和人机交互界面，以STM32F407为核心器件，包括USB转串口模块、音频输入输出模块、显示模块和键盘旋钮LED模块，其中USB转串口模块实现与学员计算机间的操作状态和通信内容的交互。   学员计算机通过USB 线连接硬件模拟器，通过网线接入网络，实现各模拟器间的通信模拟以及与监控计算之间的协作。   监控计算机通过网线接入网络，实现对所有学员计算机及硬件模拟器的监控。  

2硬件模拟器电路设计2.1STM32F407介绍 STM32系列微处理器基于ARM CortexM内核，专为满足高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用，广泛应用于工业控制、数据采集、网络通信等领域。本系统硬件模拟器微处理器选用STM32F407，基于32位ARM CortexM4内核，主频可达168 MHz，拥有192 KB SRAM、1 024 KB Flash、2个全双工SPI、3个I2C、6个串口、一个FSMC接口且最多支持112个通用I/O口。  

  2.2USB转串口模块电路设计 微处理器与学员计算机的接口采用串口通信方式，考虑当前主流计算机很少支持串口，采用USB转串口的方式，选用南京沁恒的CH340G芯片，电路如图2所示。微处理器的USRAT1的串行数据的发端、收端分别与CH340G的串行数据的收端、发端相连，CH340G的USB数据D+、D-通过USB口可与计算机连接，实现微处理器与学员计算机之间通过USB连接的串口通信。图中Q1、Q2构成该硬件模拟器的串口下载电路，可通过串口实现软件代码的一键下载。    

2.3音频输入输出模块 音频输入输出模块选用欧胜的WM8978作为音频处理芯片，选用TI公司的LM4990作为喇叭驱动芯片。WM8978具有较好的数字信号处理能力，集成了对麦克风的支持，通过I2S与微处理器进行音频数据传输，通过I2C接口实现芯片的配置。LM4990为2 W输出音频功率的放大芯片，需要较少的外部元件，无需外接输出耦合电容和自举电容，且内置待机电路，可以关闭功放使其工作于较低的功耗状态。  

  2.4显示模块 显示屏选用128×128点阵液晶显示模块，模块控制芯片为T6963C，与微处理器的FSMC总线相连。由于FSMC总线电压标准为+3.3 V，而显示模块的电压标准为+5.0 V，FSMC总线与显示模块总线间需要电压转换芯片，选用TI公司的SN74LVC4245芯片实现总线的电压转换，SN74LVC4245支持8路双向电压转换。  

2.5键盘、旋钮及LED 本超短波电台有1个PTT键、3个旋钮、22个按键和4个LED灯。1个PTT键位于话筒上，连接至微处理器的GPIO口；3个旋钮分别为音量、静噪和对比度旋钮，硬件模拟器电路设计中音量旋钮接入音频输出电路，对比度旋钮直接连接显示模块的对比度调节引脚，静噪旋钮连接微处理器可配置为AD输入的GPIO口，经数字化后通过微处理器实现音频的静噪处理。   按键和LED灯选用MAXIM公司的MAX7349芯片，该芯片可支持最多64个按键，支持按键音，可最多配置7路GPIO输出，此时可支持16个按键。通过引出MAX7349的引脚，可以支持不同的按键和LED灯配置。本模拟器按键和LED灯电路设计如图3所示，配置为22个按键和4个LED等，接口尚有富余。

2.6电源模块 硬件模拟器电源输入选用+12 V直流电源，选用TI公司的TL78005芯片将+12 V转变为+5 V，该芯片最大可支持1.5 A输出，+3.3 V电源采用TI公司的TLV111733芯片。  

  3系统软件设计3.1硬件模拟器软件设计 硬件模拟器软件流程如图4所示，其中按键信息由MAX7349触发的中断处理程序提供，中断处理程序中读取按键值并设置相应的按键信息参数；语音发送状态由PTT中断处理程序提供，其中断处理流程如图5所示；语音收信状态由串口中断提供，串口中断程序根据接收数据进行判断并设置相应参数。 

 硬件模拟器开机后，首先分别初始化STM32F407各模块、MAX7349和WM8978；然后判断学员计算机与硬件模拟器的串口是否有效连接，如果学员计算机未连接，则硬件模拟器只提供操作模拟，不提供通信模拟功能；检测串口连接后，程序进入循坏操作，在循坏里依次检测是否发信、是否有按键、是否收信并进行相应处理。

  3.2学员计算机软件设计 学员计算机软件启动后，自动检测USB串口并与硬件模拟器建立连接，然后同时检测串口数据与网络数据，一方面接收来自硬件模拟器串口的数据，根据数据要求广播至网络；一方面接收网路数据，根据数据要求通过串口发送至硬件模拟器。  

3.3监控计算机软件设计 监控计算机软件一方面接收来自学员计算机发送的网路数据，更新各学员的状态信息，并对训练效果进行评估；另一方面可以设置训练情景设计，通过网路向学员及发送相关指令。  

4结论 本文设计实现了一种基于STM32F407和MAX7349的超短波电台模拟训练系统，该系统采用与实装相同的人机交互界面，基于计算机网络技术模拟超短波电台通信，利用计算机模拟技术提供通信场景模拟，能够提供与实装训练无差别的操作体验，且能够灵活设置场景、下达训练任务、监控训练过程及评估训练效果。系统采用MAX7349扫描按键并驱动LED，能够灵活调整按键和LED等的设置，能够适用于其他型号超短波电台的模拟训练系统设计，具有较好的通用性。（张磊，卢华平，王方超）                                            

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