放大器的2阶和3阶交点

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什么是放大器的2阶和3阶交点?它们的含意如何?

  答:通常它们与射频的应用有关,这些指标提供了表征放大器的IMD性能的质量 因数。交点功率越大,使IMD变大的输入电平越高,所以在给定的信号电平条件下IMD就越低 。

  它是这样推导出来的:把两个在频谱上很纯的信号加到同一个放大器上。这里给出 (及外推出)单一频率信号输出功率(用dBm表示)以及2阶和3阶分量(相对单一频率)的相对幅 值与输入信号功率的函数曲线,见图1。

  假如你经过数学分析发现:如果放大器的非线性可以用一个简单的幂级数展开来近以 表示,那么输入信号每增加1 dB,2阶IMD幅值会增加2 dB。同样,输入信号每增 加1 dB,3阶IMD幅值会增加3 dB。如果从低电平的两个单一频率输入信号开始,并且只取几 个IMD的数据点,你就能画(或外推)出2阶和3阶IMD的直线,如图1所示。

  


 

  图1 2阶交点、3阶交点、增益压缩和IMD

  输出信号超过一定程度开始逐渐饱和,同时IMD分量明显增加。假设你延长2阶和3阶IMD 直线,它们将与输出输入直线的延长线相交,这2个交点被称为2阶交点和3阶交点(secONd and thirdorder intercept points)。与这些 交点相对应的投影在纵轴上的输出功率值通常可为放大器输出功率提供基准,用dBm表示。

  因为已知3阶IMD的幅值斜率(3 dB/dB),假如它的交点也知道,那么可以估计出任何输入( 或输出)电平的3阶IMD分量。对于高阶交点,直线向右移(斜率相同),图1中示出的是对 于给定输入电平对应较低的3阶分量。

  许多射频混频器和放大模块都有50 Ω的输入和输出阻抗。输出功率就是器件传输到50 Ω负载上的功率。输出功率可以这样计算:输出电压有效值VO的平方除以负载电阻RL 。输出功率换算为dBm形式的公式为:

  输出功率=10log 10 V2ORL1mW dBm

  另一方面,由于运算放大器输出阻抗很低,所以对于大多数的射频应用来说,必须把运 放的 输出作为信号源接到负载端。按照上述公式通过计算可以看出实际运放输出功率 必须比传输到负载上的功率高3 dB。在这类应用中习惯上根据实际传输到50 Ω负 载上的功 率而不是 用实际运算放大器的输出功率来定义IMD分量。

  另一个值得感兴趣的参数是1 dB压缩点(1dB compression point),见图1。在这 点输出信号已开始受到限制并且相对理想的输入输出曲线衰减1 dB。

  图2是AD9620缓冲放大器的3阶交点功率(thirdorder intercept power)与输入 频率的关系 曲线。图中的数据用来近似表示在各种频率和信号电平下3阶互调分量的实际值。

  

 

  图2 交点功率与输入频率的关系

  假设运算放大器输出信号是以频率20 MHz峰峰值2 V加到100 Ω负载(其中50 Ω是 放大器输出阻抗 ,50 Ω是负载)。所以加到50 Ω负载上的电压是1V峰峰值,功率为25 mW,对应+4 dBm。 3阶交点在20 MHz时从图156查得是+40 dBm。这里可采用图解法,如图3所示。对一个 输出为+4 d Bm的信号,3阶IMD分量,根据从交点画出的斜率为3的外推直线,得到-6 dBm或者比信号低 72 dBm。 这个分析假定了运放失真可以用简单的幂级数展开来表示。遗憾的是运算放大器并非始 终可以用这种简单方式(尤其在高频时)来表示,所以3阶交点指标主要是用来表示质量因数 ,而不能代替测量。

  

 

  图3 IMD分量图解法