高線(xiàn)性性能的設計挑戰

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

正如其名字的含義那樣，對線(xiàn)性的最簡(jiǎn)單認識與一個(gè)元件產(chǎn)生的輸出信號能夠精確再現其輸入信號的能力有關(guān)(雖然存在一定的增益或損耗)。如果輸入信號在某個(gè)頻段內的幅度變化在±1dB范圍內，那么輸出信號也應在相同的±1dB幅度窗口內(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)際應用中，通過(guò)電 纜、放大器、 濾波器和其它元件進(jìn)行信號傳輸從未如此理想化，特別是在現代通信環(huán)境中，一臺接收機可能會(huì )收到來(lái)自多種無(wú)線(xiàn)標準和傳輸信道的許多不同射頻/微波信號。任何 時(shí)候，只要有兩個(gè)或多個(gè)信號進(jìn)入高頻元件的輸入端，就有可能產(chǎn)生互調或混合產(chǎn)物，從而有可能會(huì )破壞元件理想的“直線(xiàn)”傳輸特性。

混頻器需要依靠多個(gè)信號的這種屬性向上或向下改變輸入信號的頻率。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，本振(LO)輸入信號也是一個(gè)單音信號， 后者用來(lái)將射頻信號轉換到更低頻率的中頻(IF)信號。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)是不可預測的(并且難以濾除)額外輸出信號。那些本質(zhì)上就是非線(xiàn)性的元件有可能會(huì )產(chǎn)生顯著(zhù)的互調失真(IMD)電平。

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

在比較不同元件的線(xiàn)性性能時(shí)應使用相同的參考端口。例如在比較放大器時(shí)，其數據手冊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。放大器規格制定者往往需要知道放大器的線(xiàn)性輸出功率電平以及維持線(xiàn)性性能所要求的最大允許輸入電 平。對于混頻器來(lái)說(shuō)，需要考慮輸入功率，以及通常用于比較混頻器線(xiàn)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(zhù)線(xiàn)性性能越好。

這種線(xiàn)性參數一般是推斷出來(lái)和理論上計算出來(lái)的，特別是對于大信號元件(如功率放大器)而言，因為混頻器(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指標還是為比較不同產(chǎn)品的線(xiàn)性性能提供了有用的方法。

雖然集成電路(IC)一般是針對小信號使用而設計的，但它也是系統線(xiàn)性預算的一部分。因此對于模數轉換器(ADC)、收發(fā)器、調制器和解調器等元件的線(xiàn)性性能也應進(jìn)行評估。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的直接轉換正交解調器。這款I(lǐng)C被設計用于處理接收機應用中的QAM信號的同相(I)和正交(Q)信號分量。

圖：凌力爾特直接轉換正交解調器LT5575模塊示意圖。

由于LT5575處理的是接收機信號鏈中的常規低電平信號，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數值(900MHz時(shí)為+54.1dBm、1900MHz時(shí) 為+60dBm)與其它解調器相比時(shí)，很明顯這種器件可以有效抑制接收機信號鏈中的二階IMD，從而保持良好的信號靈敏度以及同相與正交狀態(tài)的最小失真。

在大信號側，有許多因素會(huì )影響放大器的線(xiàn)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) 設計)相比，前者可以提供更加完善的線(xiàn)性。顯然，提高放大器線(xiàn)性性能的代價(jià)是犧牲效率。與根據輸入信號要求導通和關(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)已被應用于放大器，這種技術(shù)可在更低的偏置電平運行器件，從而改善它們的線(xiàn)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(C/I)比來(lái)評估放大器的線(xiàn)性性能，這種方法需要應用多個(gè)輸入音，并測量有用輸出信號與輸出端IMD結果的比值；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矢量(如I和Q矢量)。

在設計高線(xiàn)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，基板材料對線(xiàn)性性能的影響程度要比器件結構更大。很長(cháng)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)給器件設計人員提供了將經(jīng) 過(guò)驗證的晶體管結構(例如異質(zhì)結雙極晶體管(HBT)和高電子遷移率晶體管(HEMT))應用到這些高性能材料的極好機會(huì )，而且效果相當不錯。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(xiàn)性性能的大功率器件。

最近，受到早期GaN工藝所呈現的線(xiàn)性性能的鼓 勵，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(xiàn)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(cháng)度、+48V DC連續波工作電壓和+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8W/mm的器件外設密度，而且這種工藝據說(shuō)可以提供約6dB的線(xiàn)性性能改進(jìn)。