高线性性能的设计挑战

线性性能是一个令人难以捉摸的目标。对线性的定义在某种程度上具有相对性，而且许多工作特性都会影响到有源或无源器件的线性质量。在半导体层面，即使是工艺也可以通过调整来改善线性性能。近年来，提高高频元件线性的重要性越来越高，因为诸如正交幅度调制(QAM)等数字调制格式使用越来越广泛，而这些调制技术都依赖于幅度、频率、相位或三者的组合(经调制置于载波信号包络上)来表示数字信息。理解线性的定义是辨别哪种元器件可以被认为具有真正线性的第一步。

正如其名字的含义那样，对线性的最简单认识与一个元件产生的输出信号能够精确再现其输入信号的能力有关(虽然存在一定的增益或损耗)。如果输入信号在某个频段内的幅度变化在±1dB范围内，那么输出信号也应在相同的±1dB幅度窗口内(虽然一般情况下幅度水平会偏高或偏低一些)。不过在实际应用中，通过电 缆、放大器、 滤波器和其它元件进行信号传输从未如此理想化，特别是在现代通信环境中，一台接收机可能会收到来自多种无线标准和传输信道的许多不同射频/微波信号。任何 时候，只要有两个或多个信号进入高频元件的输入端，就有可能产生互调或混合产物，从而有可能会破坏元件理想的“直线”传输特性。

混频器需要依靠多个信号的这种属性向上或向下改变输入信号的频率。例如在下变频器中，理想情况下射频输入是一个单音信号，本振(LO)输入信号也是一个单音信号， 后者用来将射频信号转换到更低频率的中频(IF)信号。这两个音混合后将产生前两个音之和或之差的第三个音。当涉及两个以上的输入音时，会产生有害的、有 时是不可预测的(并且难以滤除)额外输出信号。那些本质上就是非线性的元件有可能会产生显著的互调失真(IMD)电平。

可以用许多不同参数来比较元器件的线性性能，包括三阶截取点和二阶截取点，以被测设备(DUT)的输入端或输出端信号电平作为参考。这些参数值与DUT输入或输出端口存在的二阶和三阶互调产物的数量有关，该值越高，代表互调产物的数量越少。

在比较不同元件的线性性能时应使用相同的参考端口。例如在比较放大器时，其数据手册上提供的三阶截取点(IP3)可能参考的是输入端口、输入三阶截取点 (IIP3)、输出三阶截取点(OIP3)或三者的组合。放大器规格制定者往往需要知道放大器的线性输出功率电平以及维持线性性能所要求的最大允许输入电 平。对于混频器来说，需要考虑输入功率，以及通常用于比较混频器线性性能的IIP3。三阶截取点和二阶截取点(IP2)的值越高，意味着线性性能越好。

这种线性参数一般是推断出来和理论上计算出来的，特别是对于大信号元件(如功率放大器)而言，因为混频器(二极管)和放大器(晶体管)中使用的有源器件在大功率电平时一般都会饱和。虽然如此，IP3和IP2指标还是为比较不同产品的线性性能提供了有用的方法。

虽然集成电路(IC)一般是针对小信号使用而设计的，但它也是系统线性预算的一部分。因此对于模数转换器(ADC)、收发器、调制器和解调器等元件的线性性能也应进行评估。举例来说，凌力尔特公司的LT5575(参见图)就是一款频率为800MHz至2700MHz的直接转换正交解调器。这款IC被设计用于处理接收机应用中的QAM信号的同相(I)和正交(Q)信号分量。

图：凌力尔特直接转换正交解调器LT5575模块示意图。

由于LT5575处理的是接收机信号链中的常规低电平信号，因此其IIP3性能与功率放大器相比并不是特别出色，900MHz时 是+28dBm，1900MHz时是+22.6dBm。但将LT5575的IIP2数值(900MHz时为+54.1dBm、1900MHz时 为+60dBm)与其它解调器相比时，很明显这种器件可以有效抑制接收机信号链中的二阶IMD，从而保持良好的信号灵敏度以及同相与正交状态的最小失真。

在大信号侧，有许多因素会影响放大器的线性性能(特别是偏置配置)。经常要向有源器件馈入能量的放大器电路(如A类放大器)与采用开关电源的放大器(如E类 设计)相比，前者可以提供更加完善的线性。显然，提高放大器线性性能的代价是牺牲效率。与根据输入信号要求导通和关闭的E类放大器相比，在给定输出功率电 平的条件下“一直工作的”A类放大器效率要低得多，且需要消耗更多的功率。此外，一种被称为“后援(backing off)”电源的技术已被应用于放大器，这种技术可在更低的偏置电平运行器件，从而改善它们的线性性能，虽然这样做同样会降低效率。

还可以使用载波互调(C/I)比来评估放大器的线性性能，这种方法需要应用多个输入音，并测量有用输出信号与输出端IMD结果的比值；相邻信道功率比(ACPR)用来衡量在有用频带之外产生了多少能量；误差矢量幅度(EVM)则将失真表示为信号矢量(如I和Q矢量)。

在设计高线性度的功率放大器时，并没有一种“秘密晶体管类型”可以提供无可匹敌的IP3和IP2性能水平。在过去几年中，为了寻找最终需要的晶体管，业界开 发出了许多不同类型的固态器件。但更加明显的是，基板材料对线性性能的影响程度要比器件结构更大。很长时间以来，高频器件都是采用硅基板，最近开始使用砷 化镓(GaAs)基板。

近年来，替代性外延材料(比如碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN))的开发给器件设计人员提供了将经 过验证的晶体管结构(例如异质结双极晶体管(HBT)和高电子迁移率晶体管(HEMT))应用到这些高性能材料的极好机会，而且效果相当不错。业界已经利 用SiC和GaN基板生产出了许多优秀的、具有优异线性性能的大功率器件。

最近，受到早期GaN工艺所呈现的线性性能的鼓 励，RF Micro Devices公司改进了其大功率GaN 1工艺，以期获得更高的线性性能。新工艺名称为大功率GaN 2工艺，采用SiC基板上的GaN外延材料，可形成0.5μm栅极长度、+48V DC连续波工作电压和+65V DC脉冲式工作电压的HEMT器件。这些器件具有极高的功率密度，最高可达8W/mm的器件外设密度，而且这种工艺据说可以提供约6dB的线性性能改进。