天华中威科技微波小课堂_动态范围和无杂散动态范围

动态范围和无杂散动态范围（SFDR）的概念出现在各种工程环境中。尽管如此，很多朋友可能并没有完全理解这些性能指标的重要性。

一、设计中的线性度与噪声的权衡

当我们想要提升电路的线性性能时，就不得不考虑线性度与电路其他性能参数之间的平衡——这些参数包括增益、带宽和噪声特性等。（统一与矛盾的）虽然这些性能参数也同样重要，但是本章仅考虑线性度与噪声的关系。

二、共源放大器中的源极退化

为了深入理解线性度与噪声之间的权衡，我们来看看一个基本的线性化技术：在共源放大器的源极串联一个电阻（RS）（如图1所示）。这样可以帮助我们更直观地理解两者之间的相互影响和取舍。

图1

电阻RS作为一个局部负反馈源，作用于MOSFET的栅源电压。RS上的电压降与漏极电流成正比。随着漏极电流的增加，RS上的电压也会增加。这降低了MOSFET的栅源电压，从而减少了漏极电流。

这样改善了电路的线性度。然而，添加的电阻增加了电路引入了额外的噪声，从而降低了整体噪声性能。

三、采样保持电路

噪声与线性度之间的权衡也在模数转换器（ADC）的设计中体现出来。图2为中采样保持（S/H）电路的基本框图。

图2

如果我们增加保持电容（CH），系统的带宽以及随之而来的噪声就会降低。但是，这样一来，第一个放大器就需要驱动一个更大的电容。然而，实际放大器能提供的电流是有限的。因此，当电容变大时，采样保持（S/H）电路可能无法快速跟随输入信号，尤其是对于那些幅度大或频率高的信号。

S/H电路有限的压摆率（即电压变化率）是制造具有优良噪声性能和高线性度的ADC在信号带宽超过几兆赫兹时变得非常困难的一个关键原因。

四、无线电接收器信号路径

为了探讨噪声与线性度权衡的最后一个例子，深入探究一下无线电接收器的信号链。图3是一个矢量网络分析仪（VNA）的参考通道和测试通道的简化框图。

图3

如果在混频器之前添加低噪声放大器，我们可以使后续阶段产生的噪声相对于所需信号来说变得相对较小。这样，接收器对LNA之后各阶段的噪声就不那么敏感了。但是，为了顺利地将LNA产生的相对较大的信号进行下变频，这需要混频器具有较高的线性度。我们再次看到了熟悉的噪声与线性度之间的权衡！

五、动态范围的介绍

线性度是测量大信号时的关键限制因素。随着输入信号幅度的增大，实际电路的非线性特性会更加明显，并开始产生不可接受的失真水平，这会降低测量的准确性。因此，为了测量更大的信号，我们需要使系统更加线性化。

然而，正如我们之前所看到的，线性化通常是以增加噪声为代价的。当噪声水平提高时，小信号可能会被淹没在噪声中，变得难以检测。这使得设计一个能够精确测量高幅度和低幅度信号的电路变得具有挑战性。

为了描述电路的这一重要特性，我们引入了动态范围这一指标。它是指系统能够测量的最高幅度信号与最低幅度信号之间的差值。这一概念在图4的示例频谱图中得到了直观的展示。简单来说，动态范围越大，电路对信号幅度的适应能力就越强，可以更加准确地测量不同幅度的信号。

图4

动态范围决定了系统能够测量的信号幅度的范围。在这个范围内，我们可以认为电路具有可接受的线性和确定性（即输出不是由噪声产生的不可预测信号）。

动态范围是频谱分析仪和矢量网络分析仪（VNA）的重要参数，我们稍后会详细讨论。在频谱分析仪和VNA中，动态范围的上限通常受到分析仪内部放大器和混频器的压缩点的限制。图5展示了当输入功率接近放大器压缩点时，典型放大器变得过度非线性的情况。

图5

六、动态范围为什么这么重要

为了说明具有高动态范围的重要性，我们来看一个常见应用：测量滤波器的频率响应。以具有90 dB阻带抑制的带通滤波器为例。图6展示了使用两台不同的矢量网络分析仪（VNA）在所选的频率范围内扫描单频正弦波输入时得到的测量响应。

图6

图中左侧部分的响应是使用动态范围较低的矢量网络分析仪（VNA）得到的结果。在这种情况下，VNA接收器的灵敏度约为-60 dBm。因此，在滤波器的阻带区域，即滤波器输出信号非常小的部分，VNA测量的是其自身的噪声基底，而不是滤波器产生的信号。

右侧的响应是由灵敏度为-100 dBm的VNA获得的。这代表了更宽的动态范围，这种改进使我们能够正确表征滤波器的阻带行为。请注意，在滤波器输出功率与VNA的噪声基底相当的频率下，迹线会变得嘈杂。

在这个例子中，大信号和小信号是由测试设备在不同时间测量的——它们没有同时应用到VNA上。为了研究同时存在小信号和大信号时系统的性能，我们使用无杂散动态范围（SFDR）。

七、定义无杂散动态范围

即使使用单频输入，非线性电路也可能在输出端产生不同频率的分量（杂散）。这些杂散可能与输入信号有谐波关系，也可能没有，如图7所示。

图7

在图7中，橙色分量是基频分量，也就是我们期望的输出分量。在这个例子中，基频分量小于可测量的最大信号。但我们假设它足够大，能产生多个杂散（紫色分量）。

为了量化杂散的影响，我们使用无杂散动态范围（SFDR）来看。SFDR的定义有多种，有时会令人困惑。在这里，我们将它定义为在所选的带宽内，期望信号幅度与最大杂散之间的差值。

采用这个定义时，最大杂散幅度是以信号（或载波）水平为参考的。因此，我们用dBc（相对于载波的dB）来表示SFDR。请注意，即使在存在杂散的情况下，动态范围仍然定义为可测量的最大信号与系统噪声基底之间的差值。

八、何时使用无杂散动态范围

让我们设想一个场景，其中电路同时接收小信号和大信号。小信号是需要测量的信号，而大信号则是干扰信号。这种情况在我们日常的接收机中十分常见。

我们可以在图8中看到这一点，它展示了接收机在典型信号水平下的工作情况。天线在其所选的频率范围内接收到两个信号：一个低功率的期望信号和一个高功率的带内阻塞信号。

图8

请注意，带内阻塞和带外阻塞有不同的效果。带外阻塞通常被接收器前端的带通滤波器充分抑制。

相比之下，带内干扰的频率更接近所需信号。通常，直到链路的末端才会将其移除。因此，图8中的RF混频器会将所需信号和带内阻塞都下变频至中频（IF）。

在存在大功率干扰器的情况下，RF信号链和ADC需要测量所需的小信号。但是，高功率阻塞器可能使系统非线性运行，从而在非常接近所需信号的频率处产生杂散。图9显示了非线性如何产生这样的杂散（紫色部分）。

图9

如果接近所需信号的杂散足够大，它会降低接收机的信噪比。我们需要知道接收机的无杂散动态范围（SFDR），以确定频谱中可能出现的最大杂散水平。

九、选择合适的动态范围指标

动态范围描述了系统能够测量的最高和最低幅度信号之间的差异。然而，正如我们现在所看到的，动态范围仅提供了系统性能的有限信息。当输入信号的幅度在系统的线性区域内时，动态范围最为有用。

对于导致系统非线性运行的高功率输入信号，我们还需要查看无杂散动态范围。SFDR在需要同时测量大信号和小信号的应用中特别有用。