無線器件檢測非線性分析在綠色無線設(shè)計中的作用
加入技術(shù)交流群
傳統(tǒng)上，為獲得對非線性器件行為檢測的最佳結(jié)果，通常需要進行測量和建模。就測量方面而言，現(xiàn)有產(chǎn)品在應(yīng)用軟件和硬件方面都進行了擴展，以滿足該市場的需求并幫助創(chuàng)建行為模型。然而，這些功率放大器（PA）測量技術(shù)非?？赡茉谂c諧波源/負(fù)載牽引系統(tǒng)的緊密集成方面存在不足，從而導(dǎo)致在檢測器件時的阻抗與其最終應(yīng)用時的阻抗不匹配，這就將導(dǎo)致，難以將測得的器件性能轉(zhuǎn)化為功率放大器設(shè)計，或者難以發(fā)揮器件或功率放大器架構(gòu)的性能潛力。
最近出現(xiàn)了將所測量的波形數(shù)據(jù)外推到基波和諧波空間的新方法。這些方法大多基于PHD模型，PHD模型是將S參數(shù)擴展到非線性域的一種明晰、有效的數(shù)學(xué)方法。然而該方法能否很好地被擴展至基波和諧波頻率下所測得的阻抗空間范圍之外，還有待進一步的研究。
集成式測量系統(tǒng)是一種替代方案，它能夠同時測量器件的實際電流及電壓波形，并提供諧波源/負(fù)載阻抗的控制（在整個Smith圓圖上）。對于諧波阻抗控制和有源負(fù)載牽引，對被測器件和諧波源/負(fù)載牽引之間的任何信號損失進行補償是十分必要的。這樣的集成式系統(tǒng)令非線性器件的檢測和功率放大器的設(shè)計形成真實而相干的聯(lián)系。例如，諧波源/負(fù)載牽引允許生成RF波形以提高器件的運行效率，并直接提供所獲得的阻抗信息，來保證在功率放大器設(shè)計中該性能的精確再現(xiàn)。反之亦然，因為系統(tǒng)可以輕而易舉地模擬功率放大器中出現(xiàn)的阻抗，由此產(chǎn)生的RF電流及電壓波形便可被用于獲得那些更詳細的信息，包括有關(guān)運行中器件的效率與其最大效率的接近程度，或這些電流及電壓擺動對器件可靠性的潛在影響等等。
要設(shè)計出高效的功率放大器，就必須對器件的基波和諧波阻抗進行精確的控制。因此關(guān)鍵在于設(shè)計人員能夠按照既定應(yīng)用的信號復(fù)雜性來進行相關(guān)功率等級和頻率下的測量。
本文將探討非線性測量解決方案的發(fā)展演變，然后詳細介紹一種新方法，該方法可以顯著減少設(shè)計中不必要的反復(fù)（即使對復(fù)雜的功率放大器模式亦不例外），同時達到與理論非常契合的性能水平。
各種已嘗試過的各種非線性測量方法都面臨許多挑戰(zhàn)，使獲得最大的功率放大器效率異常困難。這些方法包括無源/負(fù)載牽引、閉環(huán)有源負(fù)載牽引以及新近出現(xiàn)的開環(huán)有源負(fù)載牽引。
無源、負(fù)載牽引
如圖1所示，功率傳感器、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）或采樣示波器可用于非線性測量。調(diào)諧器可調(diào)諧諧波在被測器件（DUT）輸入和輸出時的阻抗值。這提供了用于設(shè)計匹配電路和功率等級的阻抗值。
圖1 無源、負(fù)載牽引測試框圖
這些系統(tǒng)的最大缺點是，它們在大頻率范圍上產(chǎn)生阻抗，但控制阻抗只能在單一頻率下進行。阻抗控制一般通過放置插片（slug）來實現(xiàn)，插片在物理上會影響所有剩下的調(diào)諧器起作用的頻率。結(jié)果是，所有的諧波阻抗不僅無法控制，而且會在每個新位置改變值的大小，從而引起在實際電路中不可再現(xiàn)的測量贗象（artefact）。這將會導(dǎo)致負(fù)載牽引測量結(jié)果和所設(shè)計的功率放大器之間的嚴(yán)重性能差異。
同樣存在缺點的諧波調(diào)諧器（帶有多個插片和滑動式短路器的無源調(diào)諧器），允許對諧波阻抗進行有限控制，而更高階的諧波（3階諧波以上） 并未得到控制且仍然變動很大。例如，利用調(diào)諧器能夠輕易產(chǎn)生諧波阻抗（第3諧波以上），根據(jù)歐姆定律，可以把來自被測器件的小電流能夠被轉(zhuǎn)變成非常大的電壓。 不受控制的負(fù)載變化令獲得波形設(shè)計所要求的規(guī)則波形變成不可能，因為它們會引入相當(dāng)大的電容和電感負(fù)載，使波形出現(xiàn)嚴(yán)重失真。
另一個嚴(yán)重問題是無源調(diào)諧器的正確運行要求高度精確的校準(zhǔn)程序，特別是在今天設(shè)計周期被壓縮的情況下，這一過程需要花費大量時間，從而導(dǎo)致過長的停工時間。
高反射負(fù)載帶來了又一個挑戰(zhàn)。功率傳感器的讀數(shù)會受到輸出調(diào)諧器所設(shè)定反射系數(shù)的嚴(yán)重影響。在高反射系數(shù)（短路或開路）諧波頻率下尤其如此，這時幾乎所有諧波功率都被反射回器件。在此情況下，由于功率傳感器讀數(shù)的動態(tài)范圍有限，所以就難以得到有價值的讀數(shù)。通過使用讀數(shù)動態(tài)范圍更大，且更昂貴的網(wǎng)絡(luò)分析儀可以彌補這一不足。
無源調(diào)諧器在被測器件和測量接收機之間的位置（如圖1所示）使得難以區(qū)分來自調(diào)諧器和被測器件本身的贗象。此效應(yīng)又會對功率放大器設(shè)計中的輸入或輸出匹配網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生潛在影響。長度的增加會產(chǎn)生較大的相位變化，并引入有別于實際電路的測量贗象。例如，事實表明，僅僅存在幾度的相位差就會引起類似于記憶效應(yīng)的贗象。更嚴(yán)重的是，這些阻抗贗象隨每個阻抗設(shè)置而不斷變化（由于各不相同的插片位置），因而要說明它們是非常困難的。在使用寬頻調(diào)制信號時，這種相變非常容易出現(xiàn)，例如在W-CDMA或LTE系統(tǒng)中或者在具有多個通道的窄帶系統(tǒng)中。
閉環(huán)有源負(fù)載牽引
圖2所示的閉環(huán)架構(gòu)將被測器件本身用作閉環(huán)技術(shù)的激勵源。閉環(huán)有效負(fù)載牽引系統(tǒng)通過接收來自被測器件的信號，調(diào)制其大小和相位，并在信號被反射回被測器件之前對其進行增強來補償任何信號損失。對被測器件產(chǎn)生的信號與反射回被測器件信號的比率控制允許生成Smith圓圖上的任何阻抗，包括反射系數(shù)值大于1的負(fù)阻抗。
圖2 閉環(huán)、有源負(fù)載牽引測試配置
被測器件（DUT）所產(chǎn)生的反射系數(shù)與任何頻率下負(fù)載牽引（LP）的積需要滿足GDUT·GLP1，以保證其穩(wěn)定性。為減弱兩個系數(shù)間的相互作用和降低無法控制的功率增益的風(fēng)險，環(huán)中引入了一個可調(diào)諧的窄帶濾波器。
對于要求高反射系數(shù)以實現(xiàn)最佳運行滿足高功率的器件，如硅 LDMOS、砷化鎵HBT或氮化鎵pHEMT等，如何應(yīng)對系統(tǒng)振蕩和不受控制的功率增益是一項挑戰(zhàn)。因此，由于器件反射系數(shù)GDUT趨近于1，所以有源環(huán)系統(tǒng)在接近GDUT·GLP=1的振蕩條件下運行。換言之，有源環(huán)系統(tǒng)在任何振蕩的邊緣運行，且反射系數(shù)在相鄰頻率下的任何小的偏離都會使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，而不受控制的功率振蕩有可能破壞被測器件和測量儀器。
為了使有源環(huán)系統(tǒng)盡可能保持穩(wěn)定，所要求的帶通濾波器必須是窄帶的，且不能將有源環(huán)系統(tǒng)用于帶寬超過1MHz的調(diào)制信號，如W-CDMA, LTE。
在多音（multi-tone）信號的情況下，閉環(huán)架構(gòu)不支持在調(diào)制帶寬上阻抗的單獨控制，因為信號大小和相位控制在調(diào)制帶寬上保持恒定。
開環(huán)、有源負(fù)載牽引
圖3所示的是一種更新的非線性測量方法，即開環(huán)、有源負(fù)載牽引。該技術(shù)采用分離的信號源來激勵被測器件的源或負(fù)載，從而消除了被測器件和負(fù)載牽引系統(tǒng)之間的任何不受控制的相互作用。這就消除了閉環(huán)技術(shù)中的功率增益的不確定性。有意思的是，開環(huán)架構(gòu)甚至可以安全地用于產(chǎn)生大于1的反射系數(shù)。這對于功率放大驅(qū)動和主功率放大階段間的相互作用研究很有幫助。由于開環(huán)架構(gòu)具有絕對穩(wěn)定性，所以它可以方便地用于測量系統(tǒng)。
圖 3 開環(huán)、有源負(fù)載牽引測試配置
在實際電路設(shè)計中，有源負(fù)載牽引系統(tǒng)的位置比阻抗網(wǎng)絡(luò)更遠，然而通過控制由任意波形發(fā)生器（AWG）產(chǎn)生的信號每個頻率分量的相位和大小，就可以輕易地加以補償。由于有源負(fù)載牽引系統(tǒng)位于經(jīng)校準(zhǔn)的通道（由耦合器及其與采樣示波器的連接構(gòu)成）之外，所以無需重新校準(zhǔn)測量系統(tǒng)即可對負(fù)載牽引系統(tǒng)進行重新配置。當(dāng)任意波形發(fā)生器沒有信號輸出時，有源/負(fù)載牽引架構(gòu)提供了一個寬帶50歐姆阻抗的環(huán)境以及在系統(tǒng)的整個帶寬上接近于零的反射系數(shù)。這一50歐姆環(huán)境僅在任意波形發(fā)生器產(chǎn)生的頻率下變化。因此，這一負(fù)載牽引架構(gòu)還消除了前面所討論的使用無源調(diào)諧器技術(shù)時的贗象。
有源負(fù)載牽引系統(tǒng)采用電子控制方式，不包括任何運動機械元件。這使它成為晶片上（on-wafer）測量的理想技術(shù)。由于負(fù)載牽引測量期間不產(chǎn)生機械振動，所以可最大限度地保證探頭接觸點的穩(wěn)定性。
任意波形發(fā)生器還能夠產(chǎn)生脈沖信號（pulsed signal），因此支持使用開環(huán)架構(gòu)進行脈沖測量。另外，任意波形發(fā)生器能夠?qū)?gòu)成脈沖信號的所有頻譜分量進行精確控制，從而可以用于被反射脈沖信號對器件行為影響的研究。任意波形發(fā)生器的頻率帶寬始于直流頻率，這意味著可以將同一負(fù)載牽引系統(tǒng)用于基帶頻率下的阻抗控制。最后，現(xiàn)代頻率合成器能夠涵蓋從亞赫茲到千兆赫茲的頻率范圍，從而允許在基帶、基波和高階諧波頻率下使用開環(huán)架構(gòu)。
目前，市面上的任意波形發(fā)生器能夠在6GHz帶寬范圍（支持對所有頻率分量的相位和大小進行控制）內(nèi)生成任意信號，無論是連續(xù)波（CW）信號還是復(fù)雜的多音信號，這就涵蓋了無線通信系統(tǒng)所使用的大范圍的基波和諧波頻率。
開環(huán)方法有一些小缺點。例如，為獲得所需的反射系數(shù)需要反復(fù)搜索正確的功率等級。由于存在一個基本負(fù)載牽引，在被測器件的線性區(qū)域無需進行這種反復(fù)。但是，在功率掃描期間或需要考慮諧波負(fù)載間的非線性關(guān)系時，則必須在被測器件的非線性區(qū)域進行反復(fù)運算。
此外，在檢測高功率器件時還需要額外的功率放大器來克服系統(tǒng)特征阻抗和最佳負(fù)載間的差異。只有在基波頻率下才會出現(xiàn)這種情況，因為在諧波頻率下不需要功率耗散。應(yīng)當(dāng)注意的是，大多數(shù)公司均提供窄帶功率放大器。
下一代非線性測量功能
基于市場對綠色無線器件的需求，要求更先進的測量解決方案來幫助設(shè)計人員更快速、高效地檢測非線性器件行為。開環(huán)有源負(fù)載牽引作為一種被普遍看好的新方法，具備了一系列獨一無二的優(yōu)點。
原則上，這一負(fù)載牽引技術(shù)可與任何能夠?qū)ζ骷斎牒洼敵鰰r出現(xiàn)的所有4種波形進行測量的非線性接收機結(jié)合使用。一個極具吸引力的解決方案是將開環(huán)架構(gòu)與市場上銷售的采樣示波器結(jié)合起來使用，如圖4所示。
圖 4 開環(huán)、有源源/負(fù)載牽引的測試配置
使用采樣示波器可以支持相位相干的寬帶測量。使用采樣示波器的優(yōu)點是可相干調(diào)準(zhǔn)同時被測量的多個信號的所有頻譜分量。采樣示波器最多可同時采集8個信號，使得器件的測量可以容易地擴展到4個單端或2個差分端口。此外，采集單元可測量信號內(nèi)的所有相關(guān)頻譜分量（包括基波和多個高階諧波），以及直流和基帶響應(yīng)——這對捕獲器件中經(jīng)?？吹降挠洃浶?yīng)是很重要的，并最終獲得代表器件實際物理性質(zhì)的真實電壓和電流波形。
波形設(shè)計
為提高設(shè)計效率，接下來的步驟理所當(dāng)然是使用剛才描述的測試配置來構(gòu)建集成式系統(tǒng)，以便將信號生成與波形設(shè)計軟件結(jié)合起來，用于執(zhí)行非線性校準(zhǔn)、測量和分析。教科書上已經(jīng)描述了特定功率放大器的理論電壓和電流波形，例如Class-F和Class-J設(shè)計。波形設(shè)計則反映了設(shè)計人員如何優(yōu)化其設(shè)計以實現(xiàn)這些理論波形的能力。完全集成式系統(tǒng)允許通過真實的電流和電壓波形來測量非線性參數(shù)，以精確了解被測器件行為。所測得的結(jié)果有助于高效功率放大器運行模式的研究與開發(fā)以及記憶效應(yīng)的高級檢測。電壓和電流數(shù)據(jù)的共同性支持在測量和模擬之間輕松切換，從而加快設(shè)計產(chǎn)品上市速度。此工作流程如圖5所示。
圖 5 將波形導(dǎo)出到EDA軟件工具的工作流程圖
使用者可通過一組非線性測量結(jié)果或一個非線性模型確定既定器件是否在仿真器中得到較好的模擬。這些功能使得這種方法對半導(dǎo)體行業(yè)非常實用，因為它可以生成特定波形來測試和研究晶體管的特殊性質(zhì)，例如其knee-walk-out或電壓擊穿特征。實際上，該測量方法是諧波平衡或包絡(luò)仿真器的實際實現(xiàn)，并提供了用于無縫集成任何非線性EDA（電子設(shè)計自動化）軟件的功能。
結(jié)束語
采樣示波器和任意波形發(fā)生器的使用提供了一種可以替代基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的傳統(tǒng)測量技術(shù)的新方案，后者一次只能測量一個頻率分量。該解決方案完全考慮到了非線性器件和系統(tǒng)會在基帶、基波和諧波頻率下產(chǎn)生頻譜廣泛的信號，并能夠?qū)@些頻率進行同時控制，以獲得既定技術(shù)能夠提供的最高性能。其模塊化方案完全考慮到了涵蓋大、中、小功率應(yīng)用的市場多樣性，提供了適用于最大運行功率達20瓦和150瓦的解決方案。該技術(shù)不限于聲音激勵源、響應(yīng)技術(shù)，而是可以進行調(diào)整以適應(yīng)調(diào)制或脈沖激勵源、使用軟件的響應(yīng)測量。此方法在設(shè)計更高效——更綠色——的無線器件方面具有大量優(yōu)點。
評論