Практическая схема широкополосного АП на МОП-транзисторах

Такая схема изображена на рис.П2.10. МОП - транзисторы М1 - М2, М6 -М7 образует базовую ячейку Б. Джильберта.

На затворы этих транзисторов поступает дифференциальный сигнал с выхода фазовращателя Balun X1, на вход которого в режиме согласования подаётся сигнал гетеродина VLO. МОП – транзисторы М3, М4 и М5 образуют дифференциальный каскад с токозадающим транзистором М5. На плечи этого каскада подается дифференциальный сигнал с выхода фазовращателя Balun X2, на вход которого в режиме согласования поступает сигнал от источника VRF. Транзисторы М8 и М9 входят в состав токовых зеркал, обеспечивающих режим работы АП по постоянному току. Выходное напряжение с симметричного выхода АП направляется на суммирующее устройство, которое реализует несимметричный выход и работу на сопротивление нагрузки, равное 50 Ом.

Рис.П2.10

Для широкополосных АП весьма важной характеристикой является оценка его нелинейных искажений. В этой связи следует подчеркнуть, что основным критерием для оценки нелинейных, а точнее интермодуляционных искажений в современных приёмниках является параметр “характеристическая точка мощности интермодуляционных искажений N – го порядка” (N – th order Intermodulation Intercept Point, или в англоязычной аббревиатуре IIP_N).

Обычно значение N равно 2 или 3. Поэтому ниже речь пойдет о параметрах IIP₂ и IIP₃. Эти параметры называет ещё точками пересечения мощности интермодуляционных продуктов 2 – го и 3 – го порядков. Они определяются следующим образом.

Пусть на некоторое устройство с нелинейной характеристикой y=F(x) воздействует входной сигнал вида (см. рис.П2.11).

x(t) = A cos + A cos = A(cos + cos ),

т.е. сумма двух гармонических колебаний с равными амплитудами, но с разными и близкими по значению частотами.

Рис.П2.11

Здесь R_вх – входное сопротивление устройства как четырёхполюсника, R_Н – сопротивление нагрузки.

Пусть или .

Определение. Параметр IIP₂ – это мощность входного сигнала на одной из частот, например, на , при которой амплитуда гармоники интермодуляционных искажений на частоте () равна амплитуде гармоники основной частоты .

Обозначим - амплитуду гармоники выходного сигнала (в данном случае тока) на частоте ()

= (A cos + A cos )+ (A cos + A cos =

Из последнего выражения следует, что амплитуда выходного сигнала (тока) на основной частоте равна а₁А, а амплитуда гармоники на частотах () или () равна а₂А².

Если , то и тогда

[W]

или [dBm].

Определение. Параметр IIP₃ – это мощность входного сигнала на одной из частот, например, , на которой амплитуда гармоники интермодуляционных искажений на частоте (2 ) равна амплитуде гармоники основной частоты .

При этом считаем, что

Тогда = (A cos + A cos )+ (A cos + A cos =

Из последнего выражения следует, что амплитуда гармоники на частоте равна , а амплитуда гармоники на частоте (2 ) равна .

При равенстве этих амплитуд определяется

Следовательно, [W],

или [dBm].

Чем больше значение IIP_N , тем выше устойчивость приёмника к интермодуляционным эффектам N – го порядка. Следует отметить, что IIP_N в некоторой степени является гипотетическим параметром, который экспериментельно определяется лишь косвенными измерениями. Основное преимущество этого параметра перед коэффициентом гармоник K_НИ и коэффициентом интермодуляционных искажений K_ИМ состоит в независимости IIP_N от уровня сигнала.

Следовательно, этот параметр характеризует собственные нелинейные свойства конкретного устройства.

Несложно установить связь коэффициента нелинейных искажений по третьей гармонике K_НИ3 при односигнальном воздействии с параметром IIP₃:

, откуда K_низ= , где IIP₃ в Вт.

Выше было показано, что при использовании аппроксимации в виде кубического полинома y = a₁x(t)+a₃x³(t) амплитуда гармоники на частоте равна .

Из последней формулы видно что при а₃< 0 амплитуда первой гармоники тока, а следовательно, и уровень выходной мощности при увеличении входного сигнала будет уменьшаться. Вводят также понятие точки компрессии (или точки насыщения) Р_1dBm – это значение входной мощности, при которой выходная мощность уменьшается на 1dBm относительно линейного усилительного устройства.

На рис. П2.12 в координатах Н1 = f₁(P_IN) и IM3 = f₂(P_IN) приведено несколько зависимостей, характеризующих нелинейные параметры широкополосного АП, рассмотренного выше (см. рис. П2.10).

Рис. П2.12

Здесь введены следующие обозначения:

1 - амплитудная характеристика идеального линейного СВЧ-устройcтва H1(dBm) = f₁(P_IN);

2 - амплитудная характеристика реального нелинейного устройства;

3 - зависимость выходной мощности IM3(dBm) интермодуляционных продуктов 3-го порядка от входной мощности P_IN;

4 - линеаризованная зависимость выходной мощности интермодуляционных продуктов 3 – го порядка от входной мощности.

Точка пересечения линейных зависимостей 1 и 4 называется IIP₃ и имеет координаты (3.9, 12.9), а точка компрессии (или точка насыщения) Р_1dBm имеет координаты (-10.6, -2.6).