有源器件對源和負(fù)載阻抗變化的響應(yīng)資料下載

??放大器設(shè)計師一直都喜歡用負(fù)載拉移系統(tǒng)功能為所選晶體管開發(fā)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。在線性系統(tǒng)中，簡單地把小信號輸入阻抗的復(fù)共軛用作源匹配網(wǎng)絡(luò)、把小信號輸出阻抗的復(fù)共軛用作負(fù)載匹配網(wǎng)絡(luò)就可以了。但針對和它們的非線性特性，負(fù)載拉移系統(tǒng)可以提供必要的信息最大限度地提高寬頻率范圍內(nèi)的功率轉(zhuǎn)移和輸出功率。 ??負(fù)載拉移技術(shù)需要研究有源器件（比如功率晶體管）對源和負(fù)載阻抗變化的響應(yīng)。負(fù)載拉移系統(tǒng)提供了改變阻抗的途徑，還能針對最佳大信號條件表征器件。諧波負(fù)載拉移技術(shù)是基頻負(fù)載拉移測量的擴(kuò)展，用于研究待測器件（DUT）在負(fù)載阻抗ZL與基準(zhǔn)測試頻率和一個或多個基頻諧波頻率組合方面的響應(yīng)性能。這種方法經(jīng)常用來提高高壓縮放大器的效率，或降低工作在功率回退狀態(tài)下的放大器的誤差向量幅度（EVM）。 ?? ??呈現(xiàn)給DUT的阻抗可以用好幾種格式表述：阻抗ZL（包括R+jX）、電壓駐波比VSWR（作為幅度和相位中的復(fù)數(shù)）和反射系數(shù)ΓL（作為幅度和相位中的復(fù)數(shù)）。把DUT想像成一種雙端口器件（圖1），出現(xiàn)在DUT上的反射幅度ΓL就只是a2/b2，或反射波和前向行波之比。通用公式可以寫成： ??Γx，n（fn） = ax，n（fn）/bx，n（fn） ??在傳統(tǒng)的無源機(jī)械式調(diào)諧器系統(tǒng)中，反射產(chǎn)生的原因是由于使用金屬探測器（也稱為調(diào)諧塊）部分中斷了壓風(fēng)管路的電場。探測器以某一可變的深度插入壓風(fēng)管路；探測器插入壓風(fēng)管路并中斷電場的深度越深，反射幅度ΓL就越大。沿著厚膜線長度滑動探測器將改變反射的相位。因此，通過選擇相對壓風(fēng)管路合適的探測器垂直和水平位置，DUT上可以呈現(xiàn)Smith Chart上的任何阻抗。 ??只關(guān)注基頻阻抗的基準(zhǔn)負(fù)載拉移調(diào)諧可以用一個調(diào)諧探測器或多個調(diào)諧探測器組合實(shí)現(xiàn)。諧波負(fù)載拉移調(diào)諧能夠使用級聯(lián)或濾波配置方式組合兩個、三個或多個探測器實(shí)現(xiàn)。 ??在使用無源機(jī)械調(diào)諧器時，很明顯a2總是要小于b2，原因是調(diào)諧器的反射限制（不是所有能量都可以被反射）以及DUT和調(diào)諧器之間的損耗（能量在到達(dá)調(diào)諧器時已有耗散，從而降低了可以被反射的能量值）。假設(shè)ΓL=1左右的諧波阻抗代表理論上理想的端接狀態(tài)，那么使用機(jī)械式調(diào)諧器在DUT參考平面可取得的值范圍應(yīng)在ΓL=0.8和ΓL=0.92之間。 ??在通信和其它系統(tǒng)中越來越多地使用調(diào)制寬帶信號對傳統(tǒng)負(fù)載拉移系統(tǒng)提出了很大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)負(fù)載拉移系統(tǒng)設(shè)計工作在離散頻率，而寬帶信號所占的頻譜段通常為10MHz或更寬。誠然，負(fù)載拉移系統(tǒng)也會在比如10MHz寬的帶寬上呈現(xiàn)一定的阻抗，雖然與調(diào)諧的中心頻率阻抗值不盡相同。在寬帶信號的帶寬上可能呈現(xiàn)出巨大差異的阻抗，因為包括探測器、電纜、夾具和調(diào)諧器本身在內(nèi)的DUT和阻抗調(diào)諧器之間存在相位延遲。這將導(dǎo)致容易令人誤解的放大器品質(zhì)因數(shù)值，如功率附加效率（PAE）和相鄰?fù)ǖ拦β时龋?a target='_blank' class='arckwlink_none'>ACPR），并導(dǎo)致可能令人誤解的功率放大器性能結(jié)果。圖2演示了調(diào)諧阻抗上的相位延遲效應(yīng)。在這個例子中，2.58MHz帶寬的寬帶信號與標(biāo)準(zhǔn)非優(yōu)化負(fù)載拉移系統(tǒng)一起使用，產(chǎn)生的相移是3度/MHz或信號帶寬上的7.74度。對于具有40MHz帶寬的多通道WCDMA信號來說，相移將為120度。 ?? ??自從20世紀(jì)70年代后，IEEE出版物中就引用了有源閉環(huán)負(fù)載拉移方法。這種方法使用放大版的b2作為反射信號a2。為了達(dá)到這個目的，需要使用耦合器或環(huán)形器引導(dǎo)來自DUT的信號b2經(jīng)過可變放大級電路控制幅度和相位，最后重新將信號作為a2回注入器件。圖3顯示了典型閉環(huán)系統(tǒng)的功能框圖。 ??這種技術(shù)與傳統(tǒng)機(jī)械式負(fù)載拉移調(diào)諧器相比有多方面的優(yōu)勢，包括速度、伽瑪控制和方便集成，尤其在晶圓上的測試系統(tǒng)中。由于系統(tǒng)采用電氣調(diào)諧方式，沒有活動的機(jī)械部件，因此調(diào)諧過程相當(dāng)快速。閉環(huán)配置中的放大器可以用來增加a2，以便ΓL能夠在DUT的參考平面接近單位1。副作用是，由于無源器件的漏電流在有源閉環(huán)負(fù)載拉移系統(tǒng)中可能出現(xiàn)振蕩。因此需要采用較強(qiáng)的濾波來減少振蕩發(fā)生的機(jī)會，因為這種振蕩通常會使系統(tǒng)接近窄帶。有源方法不能解決機(jī)械式負(fù)載拉移系統(tǒng)的相位延遲問題。事實(shí)上，調(diào)諧環(huán)路長度的增加可能導(dǎo)致相對DUT參考平面的相位延遲增加。商用閉環(huán)有源負(fù)載拉移系統(tǒng)相移為30度/MHz或信號帶寬上的77.4度。對于上述40MHz的WCDMA信號來說，相移將是1200度。最后，在有源閉環(huán)負(fù)載拉移方法中使用大功率線性放大器可能會增加相當(dāng)多的系統(tǒng)成本。 ?? ??對公式ΓL = a2/b2仔細(xì)檢查可以發(fā)現(xiàn)，在分離a2和b2源方面沒有限制。顯然b2是來自器件的波，對它沒有直接控制。然而，a2不需要是b2的反射信號，但完全可以是一個新的信號。開環(huán)有源負(fù)載拉移依靠外部資源將信號注入DUT輸出，從而創(chuàng)建a2。簡單的有源調(diào)諧鏈由信號源、可變移相器和可變增益級電路組成（圖4）。內(nèi)置有注入信號幅度和相移控制功能的商用化信號發(fā)生器是有源負(fù)載拉移系統(tǒng)的理想選擇。 ?? ??使用有源負(fù)載拉移技術(shù)可以簡化諧波負(fù)載拉移調(diào)諧，因為可以用復(fù)用器合并多條有源調(diào)諧路徑，一個頻率一條，從而滿足條件Γx，n（fn） = ax，n（fn）/bx，n（fn）。復(fù)用器中固有的任何損耗問題可以被每條有源調(diào)諧鏈路中使用的放大器輕松解決。有源開環(huán)系統(tǒng)的好處與閉環(huán)系統(tǒng)類似：快速調(diào)諧，高伽瑪調(diào)諧，方便地與晶圓上測量系統(tǒng)集成。但開環(huán)系統(tǒng)比閉環(huán)系統(tǒng)有更多的優(yōu)勢：沒有反饋路徑，因此不會出現(xiàn)調(diào)諧環(huán)路振蕩現(xiàn)象。 ??開環(huán)負(fù)載拉移方法的缺點(diǎn)是對應(yīng)每個感興趣的阻抗受控頻率有多個信號發(fā)生器，會將實(shí)際開環(huán)系統(tǒng)的功能限制為單頻信號及其諧波。開環(huán)系統(tǒng)在測試大時還要求大功率放大器達(dá)到理想的反射系數(shù)。然而，與閉環(huán)系統(tǒng)不同，這些放大器不必是線性的，因為用戶規(guī)定的反射系數(shù)可以通過連續(xù)軟件迭代法達(dá)到。 ??雖然機(jī)械調(diào)諧器簡單，價格便宜，也可以處理大功率，但沒有自然的方法能克服系統(tǒng)中的損耗，這種損耗會限制可能達(dá)到的ΓL值。雖然開環(huán)有源負(fù)載拉移系統(tǒng)調(diào)諧速度快，可以實(shí)現(xiàn)ΓL = 1，而且集成方便，但它們要求昂貴的頻帶受限放大器。幸運(yùn)的是，一種被稱為混合負(fù)載拉移方法的技術(shù)不僅具有無源和有源負(fù)載拉移方法的優(yōu)點(diǎn)，還能最大限度地減少兩者的缺點(diǎn)?；旌县?fù)載拉移指的是有源和無源調(diào)諧在同一系統(tǒng)中的組合。傳統(tǒng)的無源機(jī)械式調(diào)諧器可以用來反射基頻處的大功率信號，允許小得多的有源注入信號使用小得多的放大器克服損耗，并實(shí)現(xiàn)ΓL = 1。由于諧波頻率的功率電平經(jīng)常遠(yuǎn)小于基頻信號功率，因此有源調(diào)諧可以使用價格較低的寬帶放大器實(shí)現(xiàn)ΓL，nf = 1的有源諧波負(fù)載拉移系統(tǒng)。兩種情況下的有源調(diào)諧都只要求低功率電平。 ??Maury Microwave公司與合作伙伴安杰倫科技公司及AMCAD Engineering公司提供可立即使用的開環(huán)有源和無源-有源混合負(fù)載拉移系統(tǒng)，這些系統(tǒng)采用了安杰倫的PNA-X非線性矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和Maury公司的阻抗調(diào)諧器以及ATS和IVCAD軟件平臺。AMCAD公司的系列PIV脈沖發(fā)生器增加了脈沖偏壓功能。PNA-X非線性VNA為有源負(fù)載拉移提供要求的a2，并提供接收器用于測量應(yīng)用和發(fā)射的功率。PNA-X的頻率覆蓋范圍是10MHz至50GHz或更高，并提供靈活的測試裝置用于增加外部元件，如放大器。PNA-X通過測量目標(biāo)頻率點(diǎn)的a1、b1、a2和b2波監(jiān)視調(diào)諧后的阻抗，并根據(jù)要求作出校正。即使不調(diào)諧源，a1和b1知識也能用來計算DUT輸入阻抗，并確定輸出到DUT的功率。 ??混合信號有源負(fù)載拉移是Anteverta Microwave公司發(fā)明并獲得專利的一種形式獨(dú)特的開環(huán)有源負(fù)載拉移，并且只能由Maury Microwave公司在其MT2000系列產(chǎn)品中提供。這種負(fù)載拉移不使用直接頻率信號合成和分析方法，而是使用上變頻和下變頻器以及寬帶模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）創(chuàng)建和分析基帶波形。由于任意波形發(fā)生器（DAC）的寬帶特性，高達(dá)120MHz的寬帶調(diào)制信號可以被創(chuàng)建、上變頻并提交給DUT，從而允許幾乎無限數(shù)量具有感興趣帶寬的a1、b1、a2和b2波。 ??在混合信號方法中，由于寬帶調(diào)制信號相位延遲引起的誤差可以被消除，因為阻抗可以被合成，在整個信號帶寬上沒有限制。這種系統(tǒng)能夠?qū)⑿盘栔械拿總€頻率分量放到一個阻抗點(diǎn)，或一個任意圖案，甚至典型匹配網(wǎng)絡(luò)的真實(shí)頻率響應(yīng)。圖5顯示了混合信號方法下的信號合成和分析過程。 ?? ??首先，單頻、多頻或調(diào)制信號（as）在頻域中與用戶定義的反射系數(shù)一起被定義為頻率的一個函數(shù)。再用反向快速傅里葉變換（FFT）將信號轉(zhuǎn)換到時域，然后加載進(jìn)基帶的DAC。輸出信號再由射頻測試裝置從基帶上變頻為目標(biāo)頻率，并注入DUT。 ??其次，注入（an）和反射（bn）波由直接耦合器采樣，并經(jīng)射頻測試裝置下變頻為低中頻（IF）信號，并由ADC在時域中捕獲每個信號。FFT用來將信號轉(zhuǎn)換到頻域，并計算測量得到的反射系數(shù)與調(diào)制帶寬的關(guān)系。 ??第三，將測量得到的信號中每個頻率分量的反射系數(shù)與用戶預(yù)定義的值進(jìn)行比較，然后在頻域中調(diào)整原始注入信號（a1，n， a2，n），并收斂到用戶定義的值。接著使用反向FFT將新的注入信號轉(zhuǎn)換到時域，并上載到DAC產(chǎn)生新的基帶信號。這些信號被射頻測試裝置上變頻為目標(biāo)頻率，并回送給DUT。如同最初的開環(huán)方法中一樣，使用迭代過程比較創(chuàng)建的波形和目標(biāo)波形，并根據(jù)需要進(jìn)行連續(xù)校正。圖6給出了描述這個過程的流程圖。 ?? ??創(chuàng)新的MT2000系列混合信號有源負(fù)載拉移系統(tǒng)提供從0.4至26.5GHz的寬帶能力，支持用寬帶調(diào)制信號實(shí)施從標(biāo)準(zhǔn)帶寬到120MHz（可用帶寬到240MHz）的負(fù)載拉移測量。 ??利用MT2000系列負(fù)載拉移系統(tǒng)可以實(shí)時開展單頻測量，測試速度可以超過每分鐘1000個功率和阻抗負(fù)載狀態(tài)。MT2000系統(tǒng)可以使用90個基準(zhǔn)負(fù)載狀態(tài)、掃頻式負(fù)載與源諧波端接以及16個功率電平在5分鐘內(nèi)執(zhí)行獨(dú)立的完全受控的多維負(fù)載拉移參數(shù)掃描并捕獲5000多個測量點(diǎn)。 ??混合信號開環(huán)技術(shù)的優(yōu)勢有很多：高速單頻器件表征，高伽瑪，對實(shí)際通信標(biāo)準(zhǔn)兼容的調(diào)制信號提供寬帶控制，最終形成非常實(shí)用的DUT表征，而它的有源特性允許方便地集成晶圓上的測量系統(tǒng)。 ??與閉環(huán)技術(shù)不同，混合信號開環(huán)技術(shù)沒有反饋路徑，因此不會產(chǎn)生調(diào)諧環(huán)路振蕩。與傳統(tǒng)的開環(huán)有源負(fù)載拉移方法相比，可以達(dá)到更高的測量速度，不再需要為每個阻抗受控頻率準(zhǔn)備單個合成器。另外，系統(tǒng)的開環(huán)特性使得注入放大器可以被一直使用到飽和功率電平，因為信號合成和分析可以識別由于功率放大器造成的非線性問題，并通過修改注入信號自動進(jìn)行補(bǔ)償。 ??最后，由于有源負(fù)載拉移系統(tǒng)只控制目標(biāo)頻率處的阻抗，DUT看到的系統(tǒng)特征阻抗即使對帶外頻率來說也是50Ω。這樣可以減少在使用無源負(fù)載拉移技術(shù)時可能發(fā)生的帶外振蕩。 ??作者：Steve Dudkiewicz (mbbeetchina)