了解動(dòng)態(tài)范圍和無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍的意義

在本文中，我們研究了用于表征射頻測(cè)試和測(cè)量系統(tǒng)性能的兩個(gè)指標(biāo)。

動(dòng)態(tài)范圍和無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）的概念出現(xiàn)在多種工程環(huán)境中。盡管如此，許多EE可能并沒(méi)有完全掌握這些性能度量的重要性。在本文中，我們將研究如何在多個(gè)應(yīng)用程序中定義和使用動(dòng)態(tài)范圍和SFDR，并特別注意與向量網(wǎng)絡(luò)分析器（VNA）相關(guān)的方面。

然而，我們首先來(lái)看一下模擬設(shè)計(jì)中的噪聲與線性的權(quán)衡。這種權(quán)衡限制了許多電路的動(dòng)態(tài)范圍；這也將有助于我們理解為什么動(dòng)態(tài)范圍和SFDR規(guī)范是重要的。

模擬設(shè)計(jì)中的線性-噪聲權(quán)衡

當(dāng)試圖改進(jìn)模擬電路的線性度時(shí)，我們面臨線性度和電路增益、帶寬和噪聲特性的其他性能尺寸之間的幾個(gè)權(quán)衡，舉幾個(gè)例子。雖然所有這些都很重要，但線性和噪聲之間的權(quán)衡將是本文的重點(diǎn)

共源放大器中的源極退化

為了理解線性-噪聲權(quán)衡，我們來(lái)看一個(gè)基本的線性化技術(shù)：在公共源級(jí)的源極端串聯(lián)增加一個(gè)電阻（RS）（圖1）。

帶源極退化電阻的MOSFET共源放大器示意圖。

?圖1。一種帶源電阻的MOSFET共源放大器。圖片由提供

RS被稱為退化電阻，充當(dāng)MOSFET的柵極-源極電壓的局部負(fù)反饋源。RS兩端的電壓降與漏電流成比例。隨著漏電流的增加，RS兩端的電壓降也增加。這減少了MOSFET的柵極-源極電壓，這減少了漏極電流。

這種局部反饋改善了電路的線性。然而，增加的電阻增加了電路的復(fù)雜度，并且為電路提供了額外的噪聲，從而降低了整體的噪聲性能。

模擬采樣和硬件電路

噪聲和線性之間的權(quán)衡也體現(xiàn)在模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的設(shè)計(jì)中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器是無(wú)線電接收機(jī)以及測(cè)試和測(cè)量系統(tǒng)中的重要組件?？紤]圖2中采樣和保持（S/H）電路的基本框圖。

采樣電路框圖。

?圖2。模擬信號(hào)采樣和保持電路框圖。圖像由模擬設(shè)備提供

如果我們?cè)黾颖３蛛娙荩–H），那么系統(tǒng)帶寬，并且通過(guò)擴(kuò)展，噪聲減少。然而，在這種情況下，第一放大器需要驅(qū)動(dòng)更大的電容器。實(shí)際的放大器能夠提供的電流是有限的。結(jié)果，對(duì)于更大的電容器，S/H可能不能足夠快地跟隨輸入信號(hào)，特別是對(duì)于具有大振幅或高頻的信號(hào)。

S/H電路的有限轉(zhuǎn)換速率是為什么構(gòu)建具有良好噪聲性能的高度線性ADC是一項(xiàng)超出幾個(gè)兆赫信號(hào)帶寬的具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)的關(guān)鍵原因。

無(wú)線電接收機(jī)信號(hào)路徑

作為噪聲與線性權(quán)衡的最后一個(gè)例子，我想要探討無(wú)線電接收機(jī)信號(hào)鏈。圖3是虛擬網(wǎng)絡(luò)分析的參考和測(cè)試通道的簡(jiǎn)化框圖。

虛擬網(wǎng)絡(luò)分析參考和測(cè)試通道的簡(jiǎn)化框圖。

?圖3。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的參考和測(cè)試通道信號(hào)路徑。圖片由提供

如果我們?cè)赗F混頻器之前添加低噪聲放大器（LNA），那么我們可以使得由以下級(jí)貢獻(xiàn)的噪聲與所需信號(hào)相比相對(duì)小。以這種方式，接收機(jī)對(duì)LNA之后的級(jí)的噪聲變得不那么敏感。然而，這需要具有較高線性度的混頻器來(lái)成功地下變頻LNA產(chǎn)生的相對(duì)較大的信號(hào)。我們?cè)俅慰吹绞煜さ脑胍艉途€性權(quán)衡！

動(dòng)態(tài)范圍介紹

線性度是測(cè)量大信號(hào)的主要限制因素。隨著輸入信號(hào)振幅的增加，實(shí)際電路變得更加非線性，并開(kāi)始產(chǎn)生不可接受的失真水平。這會(huì)降低測(cè)量精度。因此，為了測(cè)量更大的信號(hào)，我們需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行線性化。

然而，正如我們?cè)谇懊嬲鹿?jié)中所看到的那樣，線性化通常以較高的噪聲為代價(jià)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在較高的噪聲水平下，小信號(hào)可能被掩埋在噪聲基底中，并且可能無(wú)法檢測(cè)到。這使得設(shè)計(jì)能夠精確測(cè)量高和低振幅信號(hào)的電路具有挑戰(zhàn)性。

為了表征電路的這一重要特性，我們使用動(dòng)態(tài)范圍度量，它被定義為系統(tǒng)能夠測(cè)量的最高和最低振幅信號(hào)之間的差異。如圖4中的示例頻譜所示。

動(dòng)態(tài)范圍圖解。

?圖4。動(dòng)態(tài)范圍是最大可測(cè)量信號(hào)和本底噪聲之間的差值。圖片由提供

動(dòng)態(tài)范圍確定了系統(tǒng)可測(cè)量的信號(hào)振幅范圍。對(duì)于這個(gè)范圍內(nèi)的信號(hào)振幅，我們可以假設(shè)電路是可接受的線性和確定性（意味著輸出不是由噪聲產(chǎn)生的不可預(yù)測(cè)的信號(hào)）。

動(dòng)態(tài)范圍是頻譜分析儀和VNA的一個(gè)重要參數(shù)，我們稍后將對(duì)此進(jìn)行討論。頻譜分析儀和VNA中動(dòng)態(tài)范圍的上限通常受到分析儀內(nèi)放大器和混頻器的壓縮點(diǎn)的限制。圖5顯示了當(dāng)輸入功率接近放大器的壓縮點(diǎn)時(shí)，典型的放大器是如何變得過(guò)度非線性的。

功率放大器增益曲線示例。

?圖5。圖片由David M.Pozar提供

為什么動(dòng)態(tài)范圍很重要？

為了捕捉被測(cè)設(shè)備在不同頻率下的響應(yīng)，需要具有足夠高的頻率范圍的測(cè)量設(shè)備。同理，您的設(shè)備應(yīng)具有足夠高的動(dòng)態(tài)范圍，以精確測(cè)量DUT產(chǎn)生的不同功率水平。

為了說(shuō)明具有高動(dòng)態(tài)范圍的重要性，讓我們研究一個(gè)常見(jiàn)的應(yīng)用程序：測(cè)量濾波器的頻率響應(yīng)?？紤]具有90 dB阻帶抑制的帶通濾波器。圖6顯示了在感興趣的頻率范圍內(nèi)掃描單音正弦輸入時(shí)，由兩個(gè)不同的VNA獲得的測(cè)量響應(yīng)。

兩個(gè)不同測(cè)量系統(tǒng)上帶通濾波器的頻譜。

?圖6。兩個(gè)不同測(cè)量系統(tǒng)上帶通濾波器的頻譜。圖片由安捷倫科技公司提供

圖中左側(cè)部分的響應(yīng)是使用具有低動(dòng)態(tài)范圍的VNA的結(jié)果。在這種情況下，VNA的接收機(jī)的靈敏度大約為–60 dBm。因此，在濾波器的截止帶中，在濾波器的輸出信號(hào)非常小的情況下，VNA測(cè)量其自己的噪聲本底，而不是由濾波器產(chǎn)生的信號(hào)。

右側(cè)響應(yīng)由靈敏度為-100dBm的虛擬網(wǎng)絡(luò)分析獲得。這代表了更寬的動(dòng)態(tài)范圍，并且這種改進(jìn)允許我們正確地描述過(guò)濾器的停止頻帶行為。注意軌跡在濾波器輸出功率與虛擬網(wǎng)絡(luò)分析的噪聲本底相當(dāng)?shù)念l率下是如何變?yōu)樵肼暤摹?/p>

在本例中，測(cè)試設(shè)備在不同的時(shí)間測(cè)量了大信號(hào)和小信號(hào)——它們不是同時(shí)應(yīng)用于虛擬網(wǎng)絡(luò)分析。為了研究小信號(hào)和大信號(hào)同時(shí)存在時(shí)的系統(tǒng)性能，我們使用了無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）。

確定無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍

即使是單音輸入，非線性電路也可以在輸出端產(chǎn)生不同的頻率分量（雜散）。這些雜散可能與輸入和諧相關(guān)，也可能不與輸入和諧相關(guān)，如圖7所示。

動(dòng)態(tài)范圍和無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍。

?圖7。與動(dòng)態(tài)范圍相比，無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍。圖片由提供

在圖7中，橙色分量是基本的或希望的輸出分量。在本例中，基本分量小于最大可測(cè)量信號(hào)。然而，我們假設(shè)它足夠大，可以產(chǎn)生幾個(gè)毛刺（紫色組件）。

為了量化毛刺的影響，我們使用SFDR規(guī)范。SFDR有多種定義，有時(shí)會(huì)引起混淆。我們?cè)诖藢⑵涠x為所需信號(hào)振幅與感興趣帶寬上的最大雜散之間的差異。

使用這個(gè)定義時(shí)，最大雜散振幅是參考信號(hào)（或載波）電平來(lái)指定的。因此，我們以dBc（相對(duì)于載波的dB）表示SFDR。注意，即使在存在毛刺的情況下，動(dòng)態(tài)范圍仍被定義為系統(tǒng)的最大可測(cè)量信號(hào)和噪聲本底之間的差異。

使用無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍的時(shí)間

讓我們研究一個(gè)場(chǎng)景，其中電路同時(shí)接收小信號(hào)和大信號(hào)。小信號(hào)是需要測(cè)量的信號(hào)；。這是我們?nèi)粘o(wú)線電接收機(jī)的情況。

我們可以在圖8中看到這一點(diǎn)，它顯示了在典型信號(hào)電平下工作的無(wú)線電接收機(jī)。天線在其感興趣的頻率范圍內(nèi)接收兩個(gè)信號(hào)：低功率所需信號(hào)和高功率帶內(nèi)阻斷器。

具有小的所需輸入信號(hào)和大的阻斷信號(hào)的示例無(wú)線電接收機(jī)。

?圖8。具有小的所需輸入信號(hào)和大的阻斷信號(hào)的示例無(wú)線電接收機(jī)。

注意帶內(nèi)阻斷器的效果與帶外阻斷器的效果不同。帶外攔截器通常被接收機(jī)前端中的帶選擇濾波器充分抑制。

相比之下，帶內(nèi)干擾的頻率更接近于所需的信號(hào)。一般情況下，直到接收器鏈結(jié)束才拆除。因此，圖8中的射頻混頻器將所需信號(hào)和帶內(nèi)阻斷器下變頻到中頻（fIF）。

RF信號(hào)鏈和ADC需要在存在大干擾的情況下測(cè)量所需的小信號(hào)。然而，大功率阻斷器可以使系統(tǒng)非線性運(yùn)行，導(dǎo)致在非常接近所需信號(hào)的頻率處出現(xiàn)毛刺。圖9顯示了非線性如何產(chǎn)生這種毛刺（紫色分量）。

?圖9。系統(tǒng)非線性可從高功率輸入信號(hào)中產(chǎn)生帶內(nèi)雜散。圖片由 Steve Arar提供

如果接近所需信號(hào)的雜散足夠大，則會(huì)降低接收機(jī)的信噪比。我們需要知道接收機(jī)的SFDR，以確定頻譜中可能出現(xiàn)的最大雜散電平。

選擇正確的動(dòng)態(tài)范圍度量

動(dòng)態(tài)范圍表征系統(tǒng)能夠測(cè)量的最高和最低振幅信號(hào)之間的差異。然而，正如我們現(xiàn)在所看到的，動(dòng)態(tài)范圍只提供了有限的系統(tǒng)性能信息。當(dāng)我們有振幅在系統(tǒng)線性區(qū)域的輸入信號(hào)時(shí)，它是最有用的。

對(duì)于導(dǎo)致非線性系統(tǒng)操作的大功率輸入信號(hào)，我們還需要查看無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍。SFDR規(guī)范特別有助于需要同時(shí)測(cè)量大信號(hào)和小信號(hào)的應(yīng)用，例如通信系統(tǒng)。

現(xiàn)在我們已經(jīng)了解了動(dòng)態(tài)范圍的重要性，我們可以開(kāi)始尋找改進(jìn)它的方法。在本系列的下一篇文章中，我們將討論如何增加VNA的動(dòng)態(tài)范圍。