無(wú)線(xiàn)器件檢測非線(xiàn)性分析在綠色無(wú)線(xiàn)設計中的作用
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傳統上，為獲得對非線(xiàn)性器件行為檢測的最佳結果，通常需要進(jìn)行測量和建模。就測量方面而言，現有產(chǎn)品在應用軟件和硬件方面都進(jìn)行了擴展，以滿(mǎn)足該市場(chǎng)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/負載牽引系統的緊密集成方面存在不足，從而導致在檢測器件時(shí)的阻抗與其最終應用時(shí)的阻抗不匹配，這就將導致，難以將測得的器件性能轉化為功率放大器設計，或者難以發(fā)揮器件或功率放大器架構的性能潛力。
最近出現了將所測量的波形數據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參數擴展到非線(xiàn)性域的一種明晰、有效的數學(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(jìn)一步的研究。
集成式測量系統是一種替代方案，它能夠同時(shí)測量器件的實(shí)際電流及電壓波形，并提供諧波源/負載阻抗的控制（在整個(gè)Smith圓圖上）。對于諧波阻抗控制和有源負載牽引，對被測器件和諧波源/負載牽引之間的任何信號損失進(jìn)行補償是十分必要的。這樣的集成式系統令非線(xiàn)性器件的檢測和功率放大器的設計形成真實(shí)而相干的聯(lián)系。例如，諧波源/負載牽引允許生成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(lái)保證在功率放大器設計中該性能的精確再現。反之亦然，因為系統可以輕而易舉地模擬功率放大器中出現的阻抗，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(dòng)對器件可靠性的潛在影響等等。
要設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(jìn)行精確的控制。因此關(guān)鍵在于設計人員能夠按照既定應用的信號復雜性來(lái)進(jìn)行相關(guān)功率等級和頻率下的測量。
本文將探討非線(xiàn)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(zhù)減少設計中不必要的反復（即使對復雜的功率放大器模式亦不例外），同時(shí)達到與理論非常契合的性能水平。
各種已嘗試過(guò)的各種非線(xiàn)性測量方法都面臨許多挑戰，使獲得最大的功率放大器效率異常困難。這些方法包括無(wú)源/負載牽引、閉環(huán)有源負載牽引以及新近出現的開(kāi)環(huán)有源負載牽引。
無(wú)源、負載牽引
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(xiàn)性測量。調諧器可調諧諧波在被測器件（DUT）輸入和輸出時(shí)的阻抗值。這提供了用于設計匹配電路和功率等級的阻抗值。
圖1 無(wú)源、負載牽引測試框圖
這些系統的最大缺點(diǎn)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(jìn)行。阻抗控制一般通過(guò)放置插片（slug）來(lái)實(shí)現，插片在物理上會(huì )影響所有剩下的調諧器起作用的頻率。結果是，所有的諧波阻抗不僅無(wú)法控制，而且會(huì )在每個(gè)新位置改變值的大小，從而引起在實(shí)際電路中不可再現的測量贗象（artefact）。這將會(huì )導致負載牽引測量結果和所設計的功率放大器之間的嚴重性能差異。
同樣存在缺點(diǎn)的諧波調諧器（帶有多個(gè)插片和滑動(dòng)式短路器的無(wú)源調諧器），允許對諧波阻抗進(jìn)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(dòng)很大。例如，利用調諧器能夠輕易產(chǎn)生諧波阻抗（第3諧波以上），根據歐姆定律，可以把來(lái)自被測器件的小電流能夠被轉變成非常大的電壓。 不受控制的負載變化令獲得波形設計所要求的規則波形變成不可能，因為它們會(huì )引入相當大的電容和電感負載，使波形出現嚴重失真。
另一個(gè)嚴重問(wèn)題是無(wú)源調諧器的正確運行要求高度精確的校準程序，特別是在今天設計周期被壓縮的情況下，這一過(guò)程需要花費大量時(shí)間，從而導致過(guò)長(cháng)的停工時(shí)間。
高反射負載帶來(lái)了又一個(gè)挑戰。功率傳感器的讀數會(huì )受到輸出調諧器所設定反射系數的嚴重影響。在高反射系數（短路或開(kāi)路）諧波頻率下尤其如此，這時(shí)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的動(dòng)態(tài)范圍有限，所以就難以得到有價(jià)值的讀數。通過(guò)使用讀數動(dòng)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(wú)源調諧器在被測器件和測量接收機之間的位置（如圖1所示）使得難以區分來(lái)自調諧器和被測器件本身的贗象。此效應又會(huì )對功率放大器設計中的輸入或輸出匹配網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)生潛在影響。長(cháng)度的增加會(huì )產(chǎn)生較大的相位變化，并引入有別于實(shí)際電路的測量贗象。例如，事實(shí)表明，僅僅存在幾度的相位差就會(huì )引起類(lèi)似于記憶效應的贗象。更嚴重的是，這些阻抗贗象隨每個(gè)阻抗設置而不斷變化（由于各不相同的插片位置），因而要說(shuō)明它們是非常困難的。在使用寬頻調制信號時(shí)，這種相變非常容易出現，例如在W-CDMA或LTE系統中或者在具有多個(gè)通道的窄帶系統中。
閉環(huán)有源負載牽引
圖2所示的閉環(huán)架構將被測器件本身用作閉環(huán)技術(shù)的激勵源。閉環(huán)有效負載牽引系統通過(guò)接收來(lái)自被測器件的信號，調制其大小和相位，并在信號被反射回被測器件之前對其進(jìn)行增強來(lái)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，包括反射系數值大于1的負阻抗。
圖2 閉環(huán)、有源負載牽引測試配置
被測器件（DUT）所產(chǎn)生的反射系數與任何頻率下負載牽引（LP）的積需要滿(mǎn)足GDUT·GLP1，以保證其穩定性。為減弱兩個(gè)系數間的相互作用和降低無(wú)法控制的功率增益的風(fēng)險，環(huán)中引入了一個(gè)可調諧的窄帶濾波器。
對于要求高反射系數以實(shí)現最佳運行滿(mǎn)足高功率的器件，如硅 LDMOS、砷化鎵HBT或氮化鎵pHEMT等，如何應對系統振蕩和不受控制的功率增益是一項挑戰。因此，由于器件反射系數GDUT趨近于1，所以有源環(huán)系統在接近GDUT·GLP=1的振蕩條件下運行。換言之，有源環(huán)系統在任何振蕩的邊緣運行，且反射系數在相鄰頻率下的任何小的偏離都會(huì )使系統出現振蕩，而不受控制的功率振蕩有可能破壞被測器件和測量?jì)x器。
為了使有源環(huán)系統盡可能保持穩定，所要求的帶通濾波器必須是窄帶的，且不能將有源環(huán)系統用于帶寬超過(guò)1MHz的調制信號，如W-CDMA, LTE。
在多音（multi-tone）信號的情況下，閉環(huán)架構不支持在調制帶寬上阻抗的單獨控制，因為信號大小和相位控制在調制帶寬上保持恒定。
開(kāi)環(huán)、有源負載牽引
圖3所示的是一種更新的非線(xiàn)性測量方法，即開(kāi)環(huán)、有源負載牽引。該技術(shù)采用分離的信號源來(lái)激勵被測器件的源或負載，從而消除了被測器件和負載牽引系統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(kāi)環(huán)架構甚至可以安全地用于產(chǎn)生大于1的反射系數。這對于功率放大驅動(dòng)和主功率放大階段間的相互作用研究很有幫助。由于開(kāi)環(huán)架構具有絕對穩定性，所以它可以方便地用于測量系統。
圖 3 開(kāi)環(huán)、有源負載牽引測試配置
在實(shí)際電路設計中，有源負載牽引系統的位置比阻抗網(wǎng)絡(luò )更遠，然而通過(guò)控制由任意波形發(fā)生器（AWG）產(chǎn)生的信號每個(gè)頻率分量的相位和大小，就可以輕易地加以補償。由于有源負載牽引系統位于經(jīng)校準的通道（由耦合器及其與采樣示波器的連接構成）之外，所以無(wú)需重新校準測量系統即可對負載牽引系統進(jìn)行重新配置。當任意波形發(fā)生器沒(méi)有信號輸出時(shí)，有源/負載牽引架構提供了一個(gè)寬帶50歐姆阻抗的環(huán)境以及在系統的整個(gè)帶寬上接近于零的反射系數。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，這一負載牽引架構還消除了前面所討論的使用無(wú)源調諧器技術(shù)時(shí)的贗象。
有源負載牽引系統采用電子控制方式，不包括任何運動(dòng)機械元件。這使它成為晶片上（on-wafer）測量的理想技術(shù)。由于負載牽引測量期間不產(chǎn)生機械振動(dòng)，所以可最大限度地保證探頭接觸點(diǎn)的穩定性。
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(kāi)環(huán)架構進(jìn)行脈沖測量。另外，任意波形發(fā)生器能夠對構成脈沖信號的所有頻譜分量進(jìn)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(zhù)可以將同一負載牽引系統用于基帶頻率下的阻抗控制。最后，現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(kāi)環(huán)架構。
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(jìn)行控制）內生成任意信號，無(wú)論是連續波（CW）信號還是復雜的多音信號，這就涵蓋了無(wú)線(xiàn)通信系統所使用的大范圍的基波和諧波頻率。
開(kāi)環(huán)方法有一些小缺點(diǎn)。例如，為獲得所需的反射系數需要反復搜索正確的功率等級。由于存在一個(gè)基本負載牽引，在被測器件的線(xiàn)性區域無(wú)需進(jìn)行這種反復。但是，在功率掃描期間或需要考慮諧波負載間的非線(xiàn)性關(guān)系時(shí)，則必須在被測器件的非線(xiàn)性區域進(jìn)行反復運算。
此外，在檢測高功率器件時(shí)還需要額外的功率放大器來(lái)克服系統特征阻抗和最佳負載間的差異。只有在基波頻率下才會(huì )出現這種情況，因為在諧波頻率下不需要功率耗散。應當注意的是，大多數公司均提供窄帶功率放大器。
下一代非線(xiàn)性測量功能
基于市場(chǎng)對綠色無(wú)線(xiàn)器件的需求，要求更先進(jìn)的測量解決方案來(lái)幫助設計人員更快速、高效地檢測非線(xiàn)性器件行為。開(kāi)環(huán)有源負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(wú)二的優(yōu)點(diǎn)。
原則上，這一負載牽引技術(shù)可與任何能夠對器件輸入和輸出時(shí)出現的所有4種波形進(jìn)行測量的非線(xiàn)性接收機結合使用。一個(gè)極具吸引力的解決方案是將開(kāi)環(huán)架構與市場(chǎng)上銷(xiāo)售的采樣示波器結合起來(lái)使用，如圖4所示。
圖 4 開(kāi)環(huán)、有源源/負載牽引的測試配置
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(diǎn)是可相干調準同時(shí)被測量的多個(gè)信號的所有頻譜分量。采樣示波器最多可同時(shí)采集8個(gè)信號，使得器件的測量可以容易地擴展到4個(gè)單端或2個(gè)差分端口。此外，采集單元可測量信號內的所有相關(guān)頻譜分量（包括基波和多個(gè)高階諧波），以及直流和基帶響應——這對捕獲器件中經(jīng)?？吹降挠洃浶呛苤匾?，并最終獲得代表器件實(shí)際物理性質(zhì)的真實(shí)電壓和電流波形。
波形設計
為提高設計效率，接下來(lái)的步驟理所當然是使用剛才描述的測試配置來(lái)構建集成式系統，以便將信號生成與波形設計軟件結合起來(lái)，用于執行非線(xiàn)性校準、測量和分析。教科書(shū)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設計。波形設計則反映了設計人員如何優(yōu)化其設計以實(shí)現這些理論波形的能力。完全集成式系統允許通過(guò)真實(shí)的電流和電壓波形來(lái)測量非線(xiàn)性參數，以精確了解被測器件行為。所測得的結果有助于高效功率放大器運行模式的研究與開(kāi)發(fā)以及記憶效應的高級檢測。電壓和電流數據的共同性支持在測量和模擬之間輕松切換，從而加快設計產(chǎn)品上市速度。此工作流程如圖5所示。
圖 5 將波形導出到EDA軟件工具的工作流程圖
使用者可通過(guò)一組非線(xiàn)性測量結果或一個(gè)非線(xiàn)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體行業(yè)非常實(shí)用，因為它可以生成特定波形來(lái)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(shí)際上，該測量方法是諧波平衡或包絡(luò )仿真器的實(shí)際實(shí)現，并提供了用于無(wú)縫集成任何非線(xiàn)性EDA（電子設計自動(dòng)化）軟件的功能。
結束語(yǔ)
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 )分析儀的傳統測量技術(shù)的新方案，后者一次只能測量一個(gè)頻率分量。該解決方案完全考慮到了非線(xiàn)性器件和系統會(huì )在基帶、基波和諧波頻率下產(chǎn)生頻譜廣泛的信號，并能夠對這些頻率進(jìn)行同時(shí)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、小功率應用的市場(chǎng)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、響應技術(shù)，而是可以進(jìn)行調整以適應調制或脈沖激勵源、使用軟件的響應測量。此方法在設計更高效——更綠色——的無(wú)線(xiàn)器件方面具有大量?jì)?yōu)點(diǎn)。
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