了解动态范围和无杂散动态范围的意义

模拟设计中的线性度与噪声权衡

当尝试提高模拟电路的线性度时，我们面临线性度与电路其他性能维度（增益、带宽和噪声特性等）之间的多种权衡。尽管所有这些都很重要，但线性度和噪声之间的权衡将是本文的重点。

共源放大器中的源退化

为了了解线性度与噪声的权衡，我们来看看基本的线性化技术：添加一个与共源级的源极端子串联的电阻器 ( RS ) （图 1）。

具有源极负反馈电阻的 MOSFET 共源放大器原理图。

图 1.具有源电阻的 MOSFET 共源放大器。图片由 Steve Arar 提供

R S被称为退化电阻器，充当 MOSFET 栅源电压的局部负反馈源。R S 两端的电压降与漏极电流成正比。随着漏极电流的增加， R S 两端的电压降也会增加。这会降低 MOSFET 的栅源电压，从而降低漏极电流。

这种局部反??馈提高了电路的线性度。然而，添加的电阻增加了电路的复杂性，并且给电路带来了额外的噪声，从而降低了整体噪声性能。

模拟采样保持电路

噪声与线性度之间的权衡也体现在模数转换器 (ADC) 的设计中，模数转换器是无线电接收器以及测试和测量系统中的重要组件。考虑图 2 中采样保持 (S/H) 电路的基本框图。

采样保持电路的框图。

图 2. 模拟信号采样保持电路的框图。图片由Analog Devices提供

如果我们增加保持电容 ( CH )，系统带宽（进而噪声）就会下降。然而，在这种情况下，放大器需要驱动更大的电容器。实际放大器可以提供的电流是有限的。因此，使用较大的电容器时，S/H 可能无法足够快地跟踪输入信号，特别是对于振幅较大或频率较高的信号。

S/H 电路的转换速率有限，这是构建具有良好噪声性能的高度线性 ADC 成为超过几兆赫信号带宽的一项艰巨任务的关键原因。

无线电接收器信号路径

作为噪声与线性权衡的一个例子，我想探讨一下无线电接收器信号链。图 3 是 VNA参考和测试通道的简化框图。

VNA 参考和测试通道的简化框图。

图 3.矢量网络分析仪的参考和测试通道信号路径。图片由 Steve Arar 提供

如果我们在射频混频器之前添加低噪声放大器 (LNA)，则可以使后续级产生的噪声与所需信号相比相对较小。这样，接收器对 LNA 之后级的噪声变得不那么敏感。然而，这需要具有更高线性度的混频器才能成功地对 LNA 产生的相对较大的信号进行下变频。我们再次看到熟悉的噪声和线性度的权衡！

动态范围简介

线性度是大信号测量的主要限制因素。随着输入信号幅度的增加，现实世界的电路变得更加非线性，并开始产生不可接受的失真程度。这会降低测量精度。因此，为了测量更大的信号，我们需要对系统进行线性化。

然而，正如我们在上一节中看到的，线性化通常是以更高噪声为代价来实现的。如果噪声水平较高，小信号可能会被隐藏在本底噪声中，并且可能无法检测到。这使得设计能够测量高幅度和低幅度信号的电路变得具有挑战性。

为了表征电路的这一重要特性，我们使用动态范围度量，其定义为系统可以测量的和幅度信号之间的差异。图 4 中的频谱示例对此进行了说明。

动态范围的图示。

图 4.动态范围是可测量信号与本底噪声之间的差值。图片由 Steve Arar 提供

动态范围决定了系统可以测量的信号幅度的范围。对于此范围内的信号幅度，我们可以假设电路具有可接受的线性和确定性（意味着输出不是由噪声产生的不可预测的信号）。

动态范围是频谱分析仪和 VNA 的一个重要参数，我们稍后将讨论这一点。频谱分析仪和 VNA 的动态范围上限通常受到分析仪内放大器和混频器的压缩点的限制。图 5 显示了当输入功率接近放大器的压缩点时，典型放大器如何变得过度非线性。

功率放大器增益曲线的示例。

图 5. 功率放大器增益曲线示例。图片由David M. Pozar提供

为什么动态范围很重要？

为了捕获 DUT 在不同频率下的响应，您需要具有足够高频率范围的测量设备。同样，您的设备应该具有足够高的动态范围，以准确测量 DUT 产生的不同功率电平。

为了说明高动态范围的重要性，我们来看看一个常见的应用：测量滤波器的频率响应。考虑阻带抑制为 90 dB 的带通滤波器。图 6 显示了在感兴趣的频率范围内扫描单音正弦输入时，两个不同的 VNA 获得的测量响应。

两个不同测量系统上带通滤波器的频谱。

图 6.两个不同测量系统上带通滤波器的频谱。图片由安捷伦科技公司提供

图左侧部分的响应是使用低动态范围 VNA 的结果。在这种情况下，VNA 接收器的灵敏度约为 –60 dBm。因此，在滤波器的输出信号非常小的滤波器阻带中，VNA 测量其自身的本底噪声，而不是滤波器产生的信号。

右侧响应是通过灵敏度为 –100 dBm 的 VNA 获得的。这代表了更宽的动态范围，并且改进使我们能够正确表征滤波器的阻带行为。请注意，在滤波器的输出功率与 VNA 的本底噪声相当的频率下，迹线如何变得嘈杂。

在此示例中，测试设备在不同时间测量大信号和小信号 - 它们并未同时施加到 VNA。为了研究同时存在小信号和大信号时的系统性能，我们使用无杂散动态范围 (SFDR)。

定义无杂散动态范围

即使使用单音输入，非线性电路也会在输出处产生不同的频率分量（杂散）。这些杂散可能与输入谐波相关，也可能不相关，如图 7 所示。

动态范围和无杂散动态范围。

图 7.无杂散动态范围与动态范围的比较。图片由 Steve Arar 提供

在图 7 中，橙色分量是基本或所需的输出分量。在此示例中，基波分量小于可测量信号。然而，我们假设它足够大，可以产生多个杂散（紫色分量）。

为了量化杂散的影响，我们使用 SFDR 规范。SFDR有多种定义，有时可能会令人困惑。我们在这里将其定义为所需信号幅度与感兴趣带宽上杂散之间的差异。

使用此定义时，杂散幅度是根据信号（或载波）电平指定的。因此，我们用 dBc（相对于载波的 dB）表示 SFDR。请注意，即使存在杂散，动态范围仍然定义为可测量信号与系统本底噪声之间的差值。

何时使用无杂散动态范围

让我们研究一下电路同时接收小信号和大信号的情况。小信号就是需要测量的信号；大信号是干扰源。这就是我们日常无线电接收器的情况。

我们可以在图 8 中看到这一点，该图显示了在典型信号电平下运行的无线电接收器。天线在其感兴趣的频率范围内接收两个信号：低功率有用信号和高功率带内阻塞信号。

具有较小的所需输入信号和较大的阻塞信号的无线电接收器示例。

图 8.具有较小的所需输入信号和较大的阻塞信号的无线电接收器示例。图片由 Steve Arar 提供

请注意，带内阻塞器与带外阻塞器具有不同的效果。带外阻塞通常可以通过接收器前端的带选滤波器来充分抑制。

相比之下，带内干扰源的频率更接近所需信号。通常，直到接收器链的末尾才将其删除。因此，图 8 中的 RF 混频器会将所需信号和带内阻塞信号下变频至中频 ( f IF )。

RF 信号链和 ADC 需要在存在大干扰的情况下测量所需的小信号。然而，高功率阻塞器会使系统非线性运行，导致频率非常接近所需信号的杂散。图 9 显示了非线性如何产生此类杂散（紫色分量）。

由系统非线性产生的杂散。

图 9.系统非线性可能会因高功率输入信号而产生带内杂散。图片由 Steve Arar 提供

如果接近所需信号的杂散足够大，则可能会降低接收器的信噪比。我们需要知道接收器的 SFDR 以确定频谱中可能出现的杂散电平。

选择正确的动态范围指标

动态范围表征系统可以测量的和幅度信号之间的差异。然而，正如我们现在所看到的，动态范围仅提供有关系统性能的有限信息。当我们输入信号的幅度位于系统线性区域时，它有用。

对于导致非线性系统运行的高功率输入信号，我们还需要考虑无杂散动态范围。SFDR 规范对于需要同时测量大信号和小信号的应用（例如通信系统）特别有用。

现在我们了解了动态范围的重要性，我们可以开始寻找改进它的方法。在本系列的下一篇文章中，我们将讨论增加 VNA 动态范围的方法。