放大器的2階和3階交點

　什么是放大器的2階和3階交點?它們的含意如何?

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

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

　　假如你經(jīng)過數(shù)學分析發(fā)現(xiàn)：如果放大器的非線性可以用一個簡單的冪級數(shù)展開來近以 表示，那么輸入信號每增加1 dB，2階IMD幅值會增加2 dB。同樣，輸入信號每增 加1 dB，3階IMD幅值會增加3 dB。如果從低電平的兩個單一頻率輸入信號開始，并且只取幾 個IMD的數(shù)據(jù)點，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、3階交點、增益壓縮和IMD

　　輸出信號超過一定程度開始逐漸飽和，同時IMD分量明顯增加。假設(shè)你延長2階和3階IMD 直線，它們將與輸出?輸入直線的延長線相交，這2個交點被稱為2階交點和3階交點(secONd ?and third?order intercept points)。與這些 交點相對應的投影在縱軸上的輸出功率值通常可為放大器輸出功率提供基準，用dBm表示。

　　因為已知3階IMD的幅值斜率(3 dB/dB)，假如它的交點也知道，那么可以估計出任何輸入( 或輸出)電平的3階IMD分量。對于高階交點，直線向右移(斜率相同)，圖1中示出的是對 于給定輸入電平對應較低的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負載上的功率。輸出功率可以這樣計算：輸出電壓有效值VO的平方除以負載電阻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，由于運算放大器輸出阻抗很低，所以對于大多數(shù)的射頻應用來說，必須把運 放的 輸出作為信號源接到負載端。按照上述公式通過計算可以看出實際運放輸出功率 必須比傳輸?shù)截撦d上的功率高3 dB。在這類應用中習慣上根據(jù)實際傳輸?shù)?0 Ω負 載上的功 率而不是 用實際運算放大器的輸出功率來定義IMD分量。

　　另一個值得感興趣的參數(shù)是1 dB壓縮點(1?dB compression point)，見圖1。在這 點輸出信號已開始受到限制并且相對理想的輸入?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電平下3階互調(diào)分量的實際值。

　　圖2 交點功率與輸入頻率的關(guān)系

　　假設(shè)運算放大器輸出信號是以頻率20 MHz峰峰值2 V加到100 Ω負載(其中50 Ω是 放大器輸出阻抗 ，50 Ω是負載)。所以加到50 Ω負載上的電壓是1V峰峰值，功率為2?5 mW，對應+4 dBm。 3階交點在20 MHz時從圖15?6查得是+40 dBm。這里可采用圖解法，如圖3所示。對一個 輸出為+4 d Bm的信號，3階IMD分量，根據(jù)從交點畫出的斜率為3的外推直線，得到-6 dBm或者比信號低 72 dBm。 這個分析假定了運放失真可以用簡單的冪級數(shù)展開來表示。遺憾的是運算放大器并非始 終可以用這種簡單方式(尤其在高頻時)來表示，所以3階交點指標主要是用來表示質(zhì)量因數(shù) ，而不能代替測量。

　　圖3 IMD分量圖解法