放大器的2階和3階交點(diǎn)

　什么是放大器的2階和3階交點(diǎn)?它們的含意如何?

　　答：通常它們與射頻的應(yīng)用有關(guān)，這些指標(biāo)提供了表征放大器的IMD性能的質(zhì)量 因數(shù)。交點(diǎn)功率越大，使IMD變大的輸入電平越高，所以在給定的信號(hào)電平條件下IMD就越低 。

　　它是這樣推導(dǎo)出來的：把兩個(gè)在頻譜上很純的信號(hào)加到同一個(gè)放大器上。這里給出 (及外推出)單一頻率信號(hào)輸出功率(用dBm表示)以及2階和3階分量(相對(duì)單一頻率)的相對(duì)幅 值與輸入信號(hào)功率的函數(shù)曲線，見圖1。

　　假如你經(jīng)過數(shù)學(xué)分析發(fā)現(xiàn)：如果放大器的非線性可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的冪級(jí)數(shù)展開來近以 表示，那么輸入信號(hào)每增加1 dB，2階IMD幅值會(huì)增加2 dB。同樣，輸入信號(hào)每增 加1 dB，3階IMD幅值會(huì)增加3 dB。如果從低電平的兩個(gè)單一頻率輸入信號(hào)開始，并且只取幾 個(gè)IMD的數(shù)據(jù)點(diǎn)，你就能畫(或外推)出2階和3階IMD的直線，如圖1所示。

　　圖1 2階交點(diǎn)、3階交點(diǎn)、增益壓縮和IMD

　　輸出信號(hào)超過一定程度開始逐漸飽和，同時(shí)IMD分量明顯增加。假設(shè)你延長(zhǎng)2階和3階IMD 直線，它們將與輸出?輸入直線的延長(zhǎng)線相交，這2個(gè)交點(diǎn)被稱為2階交點(diǎn)和3階交點(diǎn)(secONd ?and third?order intercept points)。與這些 交點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的投影在縱軸上的輸出功率值通?？蔀榉糯笃鬏敵龉β侍峁┗鶞?zhǔn)，用dBm表示。

　　因?yàn)橐阎?階IMD的幅值斜率(3 dB/dB)，假如它的交點(diǎn)也知道，那么可以估計(jì)出任何輸入( 或輸出)電平的3階IMD分量。對(duì)于高階交點(diǎn)，直線向右移(斜率相同)，圖1中示出的是對(duì) 于給定輸入電平對(duì)應(yīng)較低的3階分量。

　　許多射頻混頻器和放大模塊都有50 Ω的輸入和輸出阻抗。輸出功率就是器件傳輸?shù)?0 Ω負(fù)載上的功率。輸出功率可以這樣計(jì)算：輸出電壓有效值VO的平方除以負(fù)載電阻RL 。輸出功率換算為dBm形式的公式為：

　　輸出功率=10log 10 V2ORL1mW dBm

　　另一方面，由于運(yùn)算放大器輸出阻抗很低，所以對(duì)于大多數(shù)的射頻應(yīng)用來說，必須把運(yùn) 放的 輸出作為信號(hào)源接到負(fù)載端。按照上述公式通過計(jì)算可以看出實(shí)際運(yùn)放輸出功率 必須比傳輸?shù)截?fù)載上的功率高3 dB。在這類應(yīng)用中習(xí)慣上根據(jù)實(shí)際傳輸?shù)?0 Ω負(fù) 載上的功 率而不是 用實(shí)際運(yùn)算放大器的輸出功率來定義IMD分量。

　　另一個(gè)值得感興趣的參數(shù)是1 dB壓縮點(diǎn)(1?dB compression point)，見圖1。在這 點(diǎn)輸出信號(hào)已開始受到限制并且相對(duì)理想的輸入?輸出曲線衰減1 dB。

　　圖2是AD9620緩沖放大器的3階交點(diǎn)功率(third?order intercept power)與輸入 頻率的關(guān)系 曲線。圖中的數(shù)據(jù)用來近似表示在各種頻率和信號(hào)電平下3階互調(diào)分量的實(shí)際值。

　　圖2 交點(diǎn)功率與輸入頻率的關(guān)系

　　假設(shè)運(yùn)算放大器輸出信號(hào)是以頻率20 MHz峰峰值2 V加到100 Ω負(fù)載(其中50 Ω是 放大器輸出阻抗 ，50 Ω是負(fù)載)。所以加到50 Ω負(fù)載上的電壓是1V峰峰值，功率為2?5 mW，對(duì)應(yīng)+4 dBm。 3階交點(diǎn)在20 MHz時(shí)從圖15?6查得是+40 dBm。這里可采用圖解法，如圖3所示。對(duì)一個(gè) 輸出為+4 d Bm的信號(hào)，3階IMD分量，根據(jù)從交點(diǎn)畫出的斜率為3的外推直線，得到-6 dBm或者比信號(hào)低 72 dBm。 這個(gè)分析假定了運(yùn)放失真可以用簡(jiǎn)單的冪級(jí)數(shù)展開來表示。遺憾的是運(yùn)算放大器并非始 終可以用這種簡(jiǎn)單方式(尤其在高頻時(shí))來表示，所以3階交點(diǎn)指標(biāo)主要是用來表示質(zhì)量因數(shù) ，而不能代替測(cè)量。

　　圖3 IMD分量圖解法