高線性性能的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

線性性能是一個(gè)令人難以捉摸的目標(biāo)。對(duì)線性的定義在某種程度上具有相對(duì)性，而且許多工作特性都會(huì)影響到有源或無(wú)源器件的線性質(zhì)量。在半導(dǎo)體層面，即使是工藝也可以通過(guò)調(diào)整來(lái)改善線性性能。近年來(lái)，提高高頻元件線性的重要性越來(lái)越高，因?yàn)橹T如正交幅度調(diào)制(QAM)等數(shù)字調(diào)制格式使用越來(lái)越廣泛，而這些調(diào)制技術(shù)都依賴(lài)于幅度、頻率、相位或三者的組合(經(jīng)調(diào)制置于載波信號(hào)包絡(luò)上)來(lái)表示數(shù)字信息。理解線性的定義是辨別哪種元器件可以被認(rèn)為具有真正線性的第一步。

正如其名字的含義那樣，對(duì)線性的最簡(jiǎn)單認(rèn)識(shí)與一個(gè)元件產(chǎn)生的輸出信號(hào)能夠精確再現(xiàn)其輸入信號(hào)的能力有關(guān)(雖然存在一定的增益或損耗)。如果輸入信號(hào)在某個(gè)頻段內(nèi)的幅度變化在±1dB范圍內(nèi)，那么輸出信號(hào)也應(yīng)在相同的±1dB幅度窗口內(nèi)(雖然一般情況下幅度水平會(huì)偏高或偏低一些)。不過(guò)在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)電 纜、放大器、 濾波器和其它元件進(jìn)行信號(hào)傳輸從未如此理想化，特別是在現(xiàn)代通信環(huán)境中，一臺(tái)接收機(jī)可能會(huì)收到來(lái)自多種無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)和傳輸信道的許多不同射頻/微波信號(hào)。任何 時(shí)候，只要有兩個(gè)或多個(gè)信號(hào)進(jìn)入高頻元件的輸入端，就有可能產(chǎn)生互調(diào)或混合產(chǎn)物，從而有可能會(huì)破壞元件理想的“直線”傳輸特性。

混頻器需要依靠多個(gè)信號(hào)的這種屬性向上或向下改變輸入信號(hào)的頻率。例如在下變頻器中，理想情況下射頻輸入是一個(gè)單音信號(hào)，本振(LO)輸入信號(hào)也是一個(gè)單音信號(hào)， 后者用來(lái)將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換到更低頻率的中頻(IF)信號(hào)。這兩個(gè)音混合后將產(chǎn)生前兩個(gè)音之和或之差的第三個(gè)音。當(dāng)涉及兩個(gè)以上的輸入音時(shí)，會(huì)產(chǎn)生有害的、有 時(shí)是不可預(yù)測(cè)的(并且難以濾除)額外輸出信號(hào)。那些本質(zhì)上就是非線性的元件有可能會(huì)產(chǎn)生顯著的互調(diào)失真(IMD)電平。

可以用許多不同參數(shù)來(lái)比較元器件的線性性能，包括三階截取點(diǎn)和二階截取點(diǎn)，以被測(cè)設(shè)備(DUT)的輸入端或輸出端信號(hào)電平作為參考。這些參數(shù)值與DUT輸入或輸出端口存在的二階和三階互調(diào)產(chǎn)物的數(shù)量有關(guān)，該值越高，代表互調(diào)產(chǎn)物的數(shù)量越少。

在比較不同元件的線性性能時(shí)應(yīng)使用相同的參考端口。例如在比較放大器時(shí)，其數(shù)據(jù)手冊(cè)上提供的三階截取點(diǎn)(IP3)可能參考的是輸入端口、輸入三階截取點(diǎn) (IIP3)、輸出三階截取點(diǎn)(OIP3)或三者的組合。放大器規(guī)格制定者往往需要知道放大器的線性輸出功率電平以及維持線性性能所要求的最大允許輸入電 平。對(duì)于混頻器來(lái)說(shuō)，需要考慮輸入功率，以及通常用于比較混頻器線性性能的IIP3。三階截取點(diǎn)和二階截取點(diǎn)(IP2)的值越高，意味著線性性能越好。

這種線性參數(shù)一般是推斷出來(lái)和理論上計(jì)算出來(lái)的，特別是對(duì)于大信號(hào)元件(如功率放大器)而言，因?yàn)榛祛l器(二極管)和放大器(晶體管)中使用的有源器件在大功率電平時(shí)一般都會(huì)飽和。雖然如此，IP3和IP2指標(biāo)還是為比較不同產(chǎn)品的線性性能提供了有用的方法。

雖然集成電路(IC)一般是針對(duì)小信號(hào)使用而設(shè)計(jì)的，但它也是系統(tǒng)線性預(yù)算的一部分。因此對(duì)于模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、收發(fā)器、調(diào)制器和解調(diào)器等元件的線性性能也應(yīng)進(jìn)行評(píng)估。舉例來(lái)說(shuō)，凌力爾特公司的LT5575(參見(jiàn)圖)就是一款頻率為800MHz至2700MHz的直接轉(zhuǎn)換正交解調(diào)器。這款I(lǐng)C被設(shè)計(jì)用于處理接收機(jī)應(yīng)用中的QAM信號(hào)的同相(I)和正交(Q)信號(hào)分量。

圖：凌力爾特直接轉(zhuǎn)換正交解調(diào)器LT5575模塊示意圖。

由于LT5575處理的是接收機(jī)信號(hào)鏈中的常規(guī)低電平信號(hào)，因此其IIP3性能與功率放大器相比并不是特別出色，900MHz時(shí) 是+28dBm，1900MHz時(shí)是+22.6dBm。但將LT5575的IIP2數(shù)值(900MHz時(shí)為+54.1dBm、1900MHz時(shí) 為+60dBm)與其它解調(diào)器相比時(shí)，很明顯這種器件可以有效抑制接收機(jī)信號(hào)鏈中的二階IMD，從而保持良好的信號(hào)靈敏度以及同相與正交狀態(tài)的最小失真。

在大信號(hào)側(cè)，有許多因素會(huì)影響放大器的線性性能(特別是偏置配置)。經(jīng)常要向有源器件饋入能量的放大器電路(如A類(lèi)放大器)與采用開(kāi)關(guān)電源的放大器(如E類(lèi) 設(shè)計(jì))相比，前者可以提供更加完善的線性。顯然，提高放大器線性性能的代價(jià)是犧牲效率。與根據(jù)輸入信號(hào)要求導(dǎo)通和關(guān)閉的E類(lèi)放大器相比，在給定輸出功率電 平的條件下“一直工作的”A類(lèi)放大器效率要低得多，且需要消耗更多的功率。此外，一種被稱(chēng)為“后援(backing off)”電源的技術(shù)已被應(yīng)用于放大器，這種技術(shù)可在更低的偏置電平運(yùn)行器件，從而改善它們的線性性能，雖然這樣做同樣會(huì)降低效率。

還可以使用載波互調(diào)(C/I)比來(lái)評(píng)估放大器的線性性能，這種方法需要應(yīng)用多個(gè)輸入音，并測(cè)量有用輸出信號(hào)與輸出端IMD結(jié)果的比值；相鄰信道功率比(ACPR)用來(lái)衡量在有用頻帶之外產(chǎn)生了多少能量；誤差矢量幅度(EVM)則將失真表示為信號(hào)矢量(如I和Q矢量)。

在設(shè)計(jì)高線性度的功率放大器時(shí)，并沒(méi)有一種“秘密晶體管類(lèi)型”可以提供無(wú)可匹敵的IP3和IP2性能水平。在過(guò)去幾年中，為了尋找最終需要的晶體管，業(yè)界開(kāi) 發(fā)出了許多不同類(lèi)型的固態(tài)器件。但更加明顯的是，基板材料對(duì)線性性能的影響程度要比器件結(jié)構(gòu)更大。很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，高頻器件都是采用硅基板，最近開(kāi)始使用砷 化鎵(GaAs)基板。

近年來(lái)，替代性外延材料(比如碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN))的開(kāi)發(fā)給器件設(shè)計(jì)人員提供了將經(jīng) 過(guò)驗(yàn)證的晶體管結(jié)構(gòu)(例如異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)和高電子遷移率晶體管(HEMT))應(yīng)用到這些高性能材料的極好機(jī)會(huì)，而且效果相當(dāng)不錯(cuò)。業(yè)界已經(jīng)利 用SiC和GaN基板生產(chǎn)出了許多優(yōu)秀的、具有優(yōu)異線性性能的大功率器件。

最近，受到早期GaN工藝所呈現(xiàn)的線性性能的鼓 勵(lì)，RF Micro Devices公司改進(jìn)了其大功率GaN 1工藝，以期獲得更高的線性性能。新工藝名稱(chēng)為大功率GaN 2工藝，采用SiC基板上的GaN外延材料，可形成0.5μm柵極長(zhǎng)度、+48V DC連續(xù)波工作電壓和+65V DC脈沖式工作電壓的HEMT器件。這些器件具有極高的功率密度，最高可達(dá)8W/mm的器件外設(shè)密度，而且這種工藝據(jù)說(shuō)可以提供約6dB的線性性能改進(jìn)。