無線器件檢測非線性分析在綠色無線設(shè)計(jì)中的作用
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傳統(tǒng)上，為獲得對非線性器件行為檢測的最佳結(jié)果，通常需要進(jìn)行測量和建模。就測量方面而言，現(xiàn)有產(chǎn)品在應(yīng)用軟件和硬件方面都進(jìn)行了擴(kuò)展，以滿足該市場的需求并幫助創(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(fù)載牽引系統(tǒng)的緊密集成方面存在不足，從而導(dǎo)致在檢測器件時(shí)的阻抗與其最終應(yīng)用時(shí)的阻抗不匹配，這就將導(dǎo)致，難以將測得的器件性能轉(zhuǎn)化為功率放大器設(shè)計(jì)，或者難以發(fā)揮器件或功率放大器架構(gòu)的性能潛力。
最近出現(xiàn)了將所測量的波形數(shù)據(jù)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(shù)擴(kuò)展到非線性域的一種明晰、有效的數(shù)學(xué)方法。然而該方法能否很好地被擴(kuò)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(tǒng)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(fù)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(fù)載牽引，對被測器件和諧波源/負(fù)載牽引之間的任何信號損失進(jìn)行補(bǔ)償是十分必要的。這樣的集成式系統(tǒng)令非線性器件的檢測和功率放大器的設(shè)計(jì)形成真實(shí)而相干的聯(lián)系。例如，諧波源/負(fù)載牽引允許生成RF波形以提高器件的運(yùn)行效率，并直接提供所獲得的阻抗信息，來保證在功率放大器設(shè)計(jì)中該性能的精確再現(xiàn)。反之亦然，因?yàn)橄到y(tǒng)可以輕而易舉地模擬功率放大器中出現(xiàn)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(xì)的信息，包括有關(guān)運(yùn)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)人員能夠按照既定應(yīng)用的信號復(fù)雜性來進(jìn)行相關(guān)功率等級和頻率下的測量。
本文將探討非線性測量解決方案的發(fā)展演變，然后詳細(xì)介紹一種新方法，該方法可以顯著減少設(shè)計(jì)中不必要的反復(fù)（即使對復(fù)雜的功率放大器模式亦不例外），同時(shí)達(dá)到與理論非常契合的性能水平。
各種已嘗試過的各種非線性測量方法都面臨許多挑戰(zhàn)，使獲得最大的功率放大器效率異常困難。這些方法包括無源/負(fù)載牽引、閉環(huán)有源負(fù)載牽引以及新近出現(xiàn)的開環(huán)有源負(fù)載牽引。
無源、負(fù)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性測量。調(diào)諧器可調(diào)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(shè)計(jì)匹配電路和功率等級的阻抗值。
圖1 無源、負(fù)載牽引測試框圖
這些系統(tǒng)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。阻抗控制一般通過放置插片（slug）來實(shí)現(xiàn)，插片在物理上會影響所有剩下的調(diào)諧器起作用的頻率。結(jié)果是，所有的諧波阻抗不僅無法控制，而且會在每個(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(xiàn)的測量贗象（artefact）。這將會導(dǎo)致負(fù)載牽引測量結(jié)果和所設(shè)計(jì)的功率放大器之間的嚴(yán)重性能差異。
同樣存在缺點(diǎn)的諧波調(diào)諧器（帶有多個(gè)插片和滑動(dòng)式短路器的無源調(diào)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(diào)諧器能夠輕易產(chǎn)生諧波阻抗（第3諧波以上），根據(jù)歐姆定律，可以把來自被測器件的小電流能夠被轉(zhuǎn)變成非常大的電壓。 不受控制的負(fù)載變化令獲得波形設(shè)計(jì)所要求的規(guī)則波形變成不可能，因?yàn)樗鼈儠胂喈?dāng)大的電容和電感負(fù)載，使波形出現(xiàn)嚴(yán)重失真。
另一個(gè)嚴(yán)重問題是無源調(diào)諧器的正確運(yùn)行要求高度精確的校準(zhǔn)程序，特別是在今天設(shè)計(jì)周期被壓縮的情況下，這一過程需要花費(fèi)大量時(shí)間，從而導(dǎo)致過長的停工時(shí)間。
高反射負(fù)載帶來了又一個(gè)挑戰(zhàn)。功率傳感器的讀數(shù)會受到輸出調(diào)諧器所設(shè)定反射系數(shù)的嚴(yán)重影響。在高反射系數(shù)（短路或開路）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(shù)的動(dòng)態(tài)范圍有限，所以就難以得到有價(jià)值的讀數(shù)。通過使用讀數(shù)動(dòng)態(tài)范圍更大，且更昂貴的網(wǎng)絡(luò)分析儀可以彌補(bǔ)這一不足。
無源調(diào)諧器在被測器件和測量接收機(jī)之間的位置（如圖1所示）使得難以區(qū)分來自調(diào)諧器和被測器件本身的贗象。此效應(yīng)又會對功率放大器設(shè)計(jì)中的輸入或輸出匹配網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生潛在影響。長度的增加會產(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引起類似于記憶效應(yīng)的贗象。更嚴(yán)重的是，這些阻抗贗象隨每個(gè)阻抗設(shè)置而不斷變化（由于各不相同的插片位置），因而要說明它們是非常困難的。在使用寬頻調(diào)制信號時(shí)，這種相變非常容易出現(xiàn)，例如在W-CDMA或LTE系統(tǒng)中或者在具有多個(gè)通道的窄帶系統(tǒng)中。
閉環(huán)有源負(fù)載牽引
圖2所示的閉環(huán)架構(gòu)將被測器件本身用作閉環(huán)技術(shù)的激勵(lì)源。閉環(huán)有效負(fù)載牽引系統(tǒng)通過接收來自被測器件的信號，調(diào)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(qiáng)來補(bǔ)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(shù)值大于1的負(fù)阻抗。
圖2 閉環(huán)、有源負(fù)載牽引測試配置
被測器件（DUT）所產(chǎn)生的反射系數(shù)與任何頻率下負(fù)載牽引（LP）的積需要滿足GDUT·GLP1，以保證其穩(wěn)定性。為減弱兩個(gè)系數(shù)間的相互作用和降低無法控制的功率增益的風(fēng)險(xiǎn)，環(huán)中引入了一個(gè)可調(diào)諧的窄帶濾波器。
對于要求高反射系數(shù)以實(shí)現(xiàn)最佳運(yùn)行滿足高功率的器件，如硅 LDMOS、砷化鎵HBT或氮化鎵pHEMT等，如何應(yīng)對系統(tǒng)振蕩和不受控制的功率增益是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。因此，由于器件反射系數(shù)GDUT趨近于1，所以有源環(huán)系統(tǒng)在接近GDUT·GLP=1的振蕩條件下運(yùn)行。換言之，有源環(huán)系統(tǒng)在任何振蕩的邊緣運(yùn)行，且反射系數(shù)在相鄰頻率下的任何小的偏離都會使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，而不受控制的功率振蕩有可能破壞被測器件和測量儀器。
為了使有源環(huán)系統(tǒng)盡可能保持穩(wěn)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(tǒng)用于帶寬超過1MHz的調(diào)制信號，如W-CDMA, LTE。
在多音（multi-tone）信號的情況下，閉環(huán)架構(gòu)不支持在調(diào)制帶寬上阻抗的單獨(dú)控制，因?yàn)樾盘柎笮『拖辔豢刂圃谡{(diào)制帶寬上保持恒定。
開環(huán)、有源負(fù)載牽引
圖3所示的是一種更新的非線性測量方法，即開環(huán)、有源負(fù)載牽引。該技術(shù)采用分離的信號源來激勵(lì)被測器件的源或負(fù)載，從而消除了被測器件和負(fù)載牽引系統(tǒng)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，開環(huán)架構(gòu)甚至可以安全地用于產(chǎn)生大于1的反射系數(shù)。這對于功率放大驅(qū)動(dòng)和主功率放大階段間的相互作用研究很有幫助。由于開環(huán)架構(gòu)具有絕對穩(wěn)定性，所以它可以方便地用于測量系統(tǒng)。
圖 3 開環(huán)、有源負(fù)載牽引測試配置
在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，有源負(fù)載牽引系統(tǒng)的位置比阻抗網(wǎng)絡(luò)更遠(yuǎn)，然而通過控制由任意波形發(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(bǔ)償。由于有源負(fù)載牽引系統(tǒng)位于經(jīng)校準(zhǔn)的通道（由耦合器及其與采樣示波器的連接構(gòu)成）之外，所以無需重新校準(zhǔn)測量系統(tǒng)即可對負(fù)載牽引系統(tǒng)進(jìn)行重新配置。當(dāng)任意波形發(fā)生器沒有信號輸出時(shí)，有源/負(fù)載牽引架構(gòu)提供了一個(gè)寬帶50歐姆阻抗的環(huán)境以及在系統(tǒng)的整個(gè)帶寬上接近于零的反射系數(shù)。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(fù)載牽引架構(gòu)還消除了前面所討論的使用無源調(diào)諧器技術(shù)時(shí)的贗象。
有源負(fù)載牽引系統(tǒng)采用電子控制方式，不包括任何運(yùn)動(dòng)機(jī)械元件。這使它成為晶片上（on-wafer）測量的理想技術(shù)。由于負(fù)載牽引測量期間不產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，所以可最大限度地保證探頭接觸點(diǎn)的穩(wěn)定性。
任意波形發(fā)生器還能夠產(chǎn)生脈沖信號（pulsed signal），因此支持使用開環(huán)架構(gòu)進(jìn)行脈沖測量。另外，任意波形發(fā)生器能夠?qū)?gòu)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，這意味著可以將同一負(fù)載牽引系統(tǒng)用于基帶頻率下的阻抗控制。最后，現(xiàn)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環(huán)架構(gòu)。
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(nèi)生成任意信號，無論是連續(xù)波（CW）信號還是復(fù)雜的多音信號，這就涵蓋了無線通信系統(tǒng)所使用的大范圍的基波和諧波頻率。
開環(huán)方法有一些小缺點(diǎn)。例如，為獲得所需的反射系數(shù)需要反復(fù)搜索正確的功率等級。由于存在一個(gè)基本負(fù)載牽引，在被測器件的線性區(qū)域無需進(jìn)行這種反復(fù)。但是，在功率掃描期間或需要考慮諧波負(fù)載間的非線性關(guān)系時(shí)，則必須在被測器件的非線性區(qū)域進(jìn)行反復(fù)運(yùn)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克服系統(tǒng)特征阻抗和最佳負(fù)載間的差異。只有在基波頻率下才會出現(xiàn)這種情況，因?yàn)樵谥C波頻率下不需要功率耗散。應(yīng)當(dāng)注意的是，大多數(shù)公司均提供窄帶功率放大器。
下一代非線性測量功能
基于市場對綠色無線器件的需求，要求更先進(jìn)的測量解決方案來幫助設(shè)計(jì)人員更快速、高效地檢測非線性器件行為。開環(huán)有源負(fù)載牽引作為一種被普遍看好的新方法，具備了一系列獨(dú)一無二的優(yōu)點(diǎn)。
原則上，這一負(fù)載牽引技術(shù)可與任何能夠?qū)ζ骷斎牒洼敵鰰r(shí)出現(xiàn)的所有4種波形進(jìn)行測量的非線性接收機(jī)結(jié)合使用。一個(gè)極具吸引力的解決方案是將開環(huán)架構(gòu)與市場上銷售的采樣示波器結(jié)合起來使用，如圖4所示。
圖 4 開環(huán)、有源源/負(fù)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(diào)準(zhǔn)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?cái)U(kuò)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(nèi)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(yīng)——這對捕獲器件中經(jīng)?？吹降挠洃浶?yīng)是很重要的，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(shè)計(jì)
為提高設(shè)計(jì)效率，接下來的步驟理所當(dāng)然是使用剛才描述的測試配置來構(gòu)建集成式系統(tǒng)，以便將信號生成與波形設(shè)計(jì)軟件結(jié)合起來，用于執(zhí)行非線性校準(zhǔn)、測量和分析。教科書上已經(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(shè)計(jì)。波形設(shè)計(jì)則反映了設(shè)計(jì)人員如何優(yōu)化其設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)這些理論波形的能力。完全集成式系統(tǒng)允許通過真實(shí)的電流和電壓波形來測量非線性參數(shù)，以精確了解被測器件行為。所測得的結(jié)果有助于高效功率放大器運(yùn)行模式的研究與開發(fā)以及記憶效應(yīng)的高級檢測。電壓和電流數(shù)據(jù)的共同性支持在測量和模擬之間輕松切換，從而加快設(shè)計(jì)產(chǎn)品上市速度。此工作流程如圖5所示。
圖 5 將波形導(dǎo)出到EDA軟件工具的工作流程圖
使用者可通過一組非線性測量結(jié)果或一個(gè)非線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(dǎo)體行業(yè)非常實(shí)用，因?yàn)樗梢陨商囟úㄐ蝸頊y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(xiàn)，并提供了用于無縫集成任何非線性EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）軟件的功能。
結(jié)束語
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(tǒng)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性器件和系統(tǒng)會在基帶、基波和諧波頻率下產(chǎn)生頻譜廣泛的信號，并能夠?qū)@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(yīng)用的市場多樣性，提供了適用于最大運(yùn)行功率達(dá)20瓦和150瓦的解決方案。該技術(shù)不限于聲音激勵(lì)源、響應(yīng)技術(shù)，而是可以進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)調(diào)制或脈沖激勵(lì)源、使用軟件的響應(yīng)測量。此方法在設(shè)計(jì)更高效——更綠色——的無線器件方面具有大量優(yōu)點(diǎn)。
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