PSMR与PSRR的区别

在高速模拟信号处理系统中，电源噪声对器件性能的影响已成为制约系统动态范围的核心因素。随着5G通信、毫米波雷达等应用对信号纯净度的要求日益严苛，电源噪声的抑制技术从传统的“被动滤波”转向“主动量化控制”。本文深入解析电源调制比(PSMR)与电源抑制比(PSRR)的本质差异，揭示两者在信号链设计中的协同作用，为电源系统优化提供理论支撑。

一、定义与核心差异：从耦合到调制的范式转变

1.1 PSRR：电源缺陷的直接耦合度量

电源抑制比(PSRR)是衡量器件对电源噪声抑制能力的经典指标，其定义为输出端噪声与电源端噪声的比值(dB)。在直流条件下，PSRR反映电源电压波动对器件增益或失调误差的影响，例如ADC的PSRR-dc指标可量化电源电压变化导致的LSB误差。 然而，PSRR的局限性在于其仅表征噪声的“直接传递”特性，无法解释噪声如何通过非线性机制影响信号质量。

1.2 PSMR：电源缺陷的调制机制解析

电源调制比(PSMR)的提出源于对RF系统中载波信号失真机制的深入研究。其核心差异在于：PSMR衡量电源纹波通过调制机制(如幅度调制AM或相位调制PM)对载波信号的影响，而非简单的噪声传递。 例如，在射频放大器中，1 mV的电源纹波可能通过AM机制在载波频率偏移处产生-60 dBc的杂散信号，而通过PSRR无法预测此类非线性效应。

1.3 本质差异的数学表达

PSRR的传递函数可简化为线性关系： $$ \text{PSRR} = 20 \log \left( \frac{V_{\text{out}}}{V_{\text{in}}} \right) $$ 而PSMR需考虑调制深度与载波功率的耦合： $$ \text{PSMR} = 20 \log \left( \frac{P_{\text{spurious}}}{P_{\text{carrier}}} \right) $$ 其中，$P_{\text{spurious}}$为杂散信号功率，$P_{\text{carrier}}$为载波功率。 这一差异导致PSMR在高频系统中(如DAC输出)的指标可能比PSRR低20-30 dB，成为电源设计的瓶颈。

二、对系统性能的影响：从静态误差到动态失真

2.1 PSRR主导的低频影响

在低频信号链中，PSRR直接决定电源噪声对静态性能的干扰。例如，精密运放的PSRR-dc指标若为80 dB，意味着电源电压1%的变化仅导致输出失调0.01%。 但当电源噪声频率接近信号带宽时，PSRR-ac指标会急剧恶化，导致SNR下降。实测表明，1 MHz的电源纹波可使ADC的SNR降低5.1 dB。

2.2 PSMR主导的高频灾难

PSMR的破坏性在RF系统中尤为显著。以12.6 GSPS的DAC为例，其1.8 V模拟电源轨在1 MHz处的PSMR为-40 dB，意味着10 mV的电源纹波会在载波频率偏移处产生-60 dBc的杂散。 这种调制效应会通过以下途径恶化系统性能：

相位噪声恶化：电源纹波通过PM机制增加本地振荡器的相位噪声，导致解调误码率上升。

SFDR降低：AM调制产生的杂散信号会掩盖微弱信号，使无杂散动态范围(SFDR)下降10 dB以上。

EVM超标：在5G毫米波系统中，PSMR导致的调制失真可使误差矢量幅度(EVM)超过3%的阈值。

2.3 协同作用下的系统级影响

PSRR与PSMR的协同效应可通过“电源噪声传递函数”建模。例如，在高速ADC中，PSRR决定噪声基底，而PSMR决定动态范围。当电源纹波频率接近信号带宽时，PSMR的恶化会导致SFDR与SNR的“双降”现象。

三、测量方法与技术挑战

3.1 PSRR的测量困境

传统PSRR测量采用注入正弦波法，但存在以下问题：

低频精度不足：1/f噪声区域的PSRR测量需使用超低噪声电源，成本高昂。

高频寄生效应：在GHz频段，PCB布局的寄生电感会使实测PSRR比器件规格低10 dB。

3.2 PSMR的测量突破

PSMR的测量需采用“双音测试法”：

在电源引脚注入低频纹波(如1 MHz)。

在信号输入端施加高频载波(如2.4 GHz)。

通过频谱分析仪检测载波偏移处的杂散功率。 该方法可分离AM与PM分量，但需注意：

调制深度需控制在0.1%以下以避免非线性失真。

载波功率需与器件工作功率匹配，防止过载。

3.3 联合测量技术

ADI公司提出的“动态PSRR-PSMR联合测试系统”可同步测量两指标：

使用数字信号发生器产生可编程的电源纹波。

通过矢量网络分析仪(VNA)捕获输出频谱。

利用机器学习算法分离PSRR与PSMR分量。 该系统已应用于AD9175 DAC的电源优化，使PSMR指标提升15 dB。

四、优化策略：从器件到系统的协同设计

4.1 器件级优化

工艺改进：采用深沟槽隔离(DTI)技术可降低衬底耦合，使PSRR提升20 dB。

电路创新：共源共栅结构可抑制电源噪声的AM分量，使PSMR改善10 dB。

4.2 系统级优化

电源拓扑选择：

低频系统：LDO+LC滤波(PSRR优化)。

高频系统：开关电源+π型滤波(PSMR优化)。

PCB布局技巧：

电源层与地层采用3-5层叠构，降低寄生电感。

敏感信号线远离电源走线，避免耦合。

4.3 未来趋势

智能电源管理：通过实时监测PSRR/PSMR动态调整供电电压。

新材料应用：氮化镓(GaN)开关器件可降低电源纹波30%以上。

迈向噪声免疫的信号链

PSRR与PSMR的差异本质上是“线性传递”与“非线性调制”的博弈。在5G/6G时代，随着信号带宽向毫米波扩展，PSMR的优化将成为电源设计的核心。未来，通过器件-电路-系统的协同创新，有望实现“噪声免疫”的信号链，为通信、雷达、医疗影像等领域提供更纯净的电源支持。