高線性性能的設(shè)計挑戰(zhàn)

線性性能是一個令人難以捉摸的目標。對線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影響到有源或無源器件的線性質(zhì)量。在半導體層面，即使是工藝也可以通過調(diào)整來改善線性性能。近年來，提高高頻元件線性的重要性越來越高，因為諸如正交幅度調(diào)制(QAM)等數(shù)字調(diào)制格式使用越來越廣泛，而這些調(diào)制技術(shù)都依賴于幅度、頻率、相位或三者的組合(經(jīng)調(diào)制置于載波信號包絡(luò)上)來表示數(shù)字信息。理解線性的定義是辨別哪種元器件可以被認為具有真正線性的第一步。

正如其名字的含義那樣，對線性的最簡單認識與一個元件產(chǎn)生的輸出信號能夠精確再現(xiàn)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頻段內(nèi)的幅度變化在±1dB范圍內(nèi)，那么輸出信號也應在相同的±1dB幅度窗口內(nèi)(雖然一般情況下幅度水平會偏高或偏低一些)。不過在實際應用中，通過電 纜、放大器、 濾波器和其它元件進行信號傳輸從未如此理想化，特別是在現(xiàn)代通信環(huán)境中，一臺接收機可能會收到來自多種無線標準和傳輸信道的許多不同射頻/微波信號。任何 時候，只要有兩個或多個信號進入高頻元件的輸入端，就有可能產(chǎn)生互調(diào)或混合產(chǎn)物，從而有可能會破壞元件理想的“直線”傳輸特性。

混頻器需要依靠多個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單音信號，本振(LO)輸入信號也是一個單音信號， 后者用來將射頻信號轉(zhuǎn)換到更低頻率的中頻(IF)信號。這兩個音混合后將產(chǎn)生前兩個音之和或之差的第三個音。當涉及兩個以上的輸入音時，會產(chǎn)生有害的、有 時是不可預測的(并且難以濾除)額外輸出信號。那些本質(zhì)上就是非線性的元件有可能會產(chǎn)生顯著的互調(diào)失真(IMD)電平。

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

在比較不同元件的線性性能時應使用相同的參考端口。例如在比較放大器時，其數(shù)據(jù)手冊上提供的三階截取點(IP3)可能參考的是輸入端口、輸入三階截取點 (IIP3)、輸出三階截取點(OIP3)或三者的組合。放大器規(guī)格制定者往往需要知道放大器的線性輸出功率電平以及維持線性性能所要求的最大允許輸入電 平。對于混頻器來說，需要考慮輸入功率，以及通常用于比較混頻器線性性能的IIP3。三階截取點和二階截取點(IP2)的值越高，意味著線性性能越好。

這種線性參數(shù)一般是推斷出來和理論上計算出來的，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一般都會飽和。雖然如此，IP3和IP2指標還是為比較不同產(chǎn)品的線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(shè)計的，但它也是系統(tǒng)線性預算的一部分。因此對于模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、收發(fā)器、調(diào)制器和解調(diào)器等元件的線性性能也應進行評估。舉例來說，凌力爾特公司的LT5575(參見圖)就是一款頻率為800MHz至2700MHz的直接轉(zhuǎn)換正交解調(diào)器。這款I(lǐng)C被設(shè)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(zhuǎn)換正交解調(diào)器LT5575模塊示意圖。

由于LT5575處理的是接收機信號鏈中的常規(guī)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 是+28dBm，1900MHz時是+22.6dBm。但將LT5575的IIP2數(shù)值(900MHz時為+54.1dBm、1900MHz時 為+60dBm)與其它解調(diào)器相比時，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(cè)，有許多因素會影響放大器的線性性能(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類放大器)與采用開關(guān)電源的放大器(如E類 設(shè)計)相比，前者可以提供更加完善的線性。顯然，提高放大器線性性能的代價是犧牲效率。與根據(jù)輸入信號要求導通和關(guān)閉的E類放大器相比，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，從而改善它們的線性性能，雖然這樣做同樣會降低效率。

還可以使用載波互調(diào)(C/I)比來評估放大器的線性性能，這種方法需要應用多個輸入音，并測量有用輸出信號與輸出端IMD結(jié)果的比值；相鄰信道功率比(ACPR)用來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(shè)計高線性度的功率放大器時，并沒有一種“秘密晶體管類型”可以提供無可匹敵的IP3和IP2性能水平。在過去幾年中，為了尋找最終需要的晶體管，業(yè)界開 發(fā)出了許多不同類型的固態(tài)器件。但更加明顯的是，基板材料對線性性能的影響程度要比器件結(jié)構(gòu)更大。很長時間以來，高頻器件都是采用硅基板，最近開始使用砷 化鎵(GaAs)基板。

近年來，替代性外延材料(比如碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN))的開發(fā)給器件設(shè)計人員提供了將經(jīng) 過驗證的晶體管結(jié)構(gòu)(例如異質(zhì)結(jié)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，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)異線性性能的大功率器件。

最近，受到早期GaN工藝所呈現(xiàn)的線性性能的鼓 勵，RF Micro Devices公司改進了其大功率GaN 1工藝，以期獲得更高的線性性能。新工藝名稱為大功率GaN 2工藝，采用SiC基板上的GaN外延材料，可形成0.5μm柵極長度、+48V DC連續(xù)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(shè)密度，而且這種工藝據(jù)說可以提供約6dB的線性性能改進。