区分功率放大器中的IIP3和OIP3

注意放大电路中的IIP3点和OIP3点

如果没有功率放大器，我们日常使用的许多电力电子产品都不可能实现。这些放大电路负责将无线信号和其他模拟信号放大到有用的水平，使它们在许多应用中非常宝贵。当涉及到确保频率调制信号的信号完整性时，电路或电路板设计可以做些什么来防止谐波失真、剪切和互调?

不幸的是，一旦将COTS有源功率放大器放在电路板上，您就不能做任何事情来改变其设计。但是，了解功率放大器中的IIP3和OIP3点将帮助您确定输入功率的上限以及对设备输出的期望。一旦与您的设计要求进行比较，您就可以确定是否需要替代组件，或者是否可以将信号提高到有用的水平。

功率放大器与非线性饱和

功率放大器通常在接近饱和状态下运行，以提供最大功率输出。这些放大器由功率晶体管构成，设计用于在高电压/大电流下运行，并在需要时在相对较高的温度下工作。为了从器件获得最大输出电流，晶体管通常在输入信号的饱和输入电压附近运行。

输入信号可以有一些应用的直流偏置，或者它可以只是一个强模拟信号。虽然我们喜欢认为放大器和晶体管是完美的线性器件，但即使在饱和状态下运行，它们也略有非线性。正如在本博客的几个地方所讨论的那样，当您输入一个振荡信号变成非线性分量．换句话说，输入晶体管电路的基频谐波在输出时会产生多个高阶谐波。每个谐波频率将是输入频率的整数倍(由组件带宽内每个频率的相对灵敏度加权)。如下图所示。

功率放大器中的谐波产生

在这里，输出信号包含的谐波是输入频率的整数倍。当一个有多个频率分量的信号(例如，调频信号)输入到功率放大器时，组件的非线性性质通过频率混合产生互调产品，在输出信号中产生互调失真。在时域中，互调失真很难与其他信号失真源区分开来。然而，互调产物可以很容易地在频域．

互调乘积的频率等于输入信号中不同频率分量的和和差。在下面的图表中很容易看到这种效果。奇阶差分频率是最重要的。特别是，三阶互调产物(绿色显示，标记为IM3)将最接近所需的载频f1和f2。

功率放大器中互调产物的产生。

设计带有功率放大器的信号链的目标是尽量减少由于谐波产生和互调产品造成的输出失真。高阶谐波可以很容易地滤波，但是互调产品要困难得多，并且会限制输入信号的电平。

什么是IIP3和OIP3?

这两个术语分别指输入和输出信号电平，其中三阶互调产物与所需输入信号具有相同的输出电平。基频和IM3频率的输出信号电平可以在输出与输入图上绘制，如下所示。IIP3点和OIP3点在这张图上。

如果你将输出与输入曲线近似为泰勒级数，你会发现IM3频率的增长速度是基频的3倍。基频和IM3频率的输出与输入曲线(对数-对数尺度)将在饱和水平以上1 dB处相交，也称为1 dB压缩点。

功率放大器中互调产物的产生。

从这张图中可以得出一些重要的观点:

• 在低输入电平时，输出几乎没有互调失真。这是因为与基频波段相比，高阶互调产物非常弱。

• 最终，随着输入信号电平的增加，压缩将导致基频停止增加，而IM3产物将继续增加。

• 三阶截点不能直接观测到。相反，它只能通过测量IM3乘积信号电平和基频信号电平的插值来确定。

如果您知道功率放大器输出与输入图上的IIP3与OIP3点，您就可以确定要使用的适当输入信号电平。三阶截距点告诉你放大器的非线性程度。更大的三阶截距点意味着IM3产品更弱，因此放大器输出的失真会更小。输入信号电平的峰值不应超过1db压缩点。

主动和被动互调

请注意，我们讨论的是有源电路产生的互调，但在频率非常高的无源元件中也会发生同样的效果。这种类型的互调失真被称为无源互调，在微波和毫米波频率出现问题，是电信基站、无源射频放大器和射频系统中使用的劣质组件中众所周知的信号完整性问题。

这里讨论的要点也适用于无源互调。在5G测试系统中，常见的三阶无源互调众所周知，即使这些互调产品比所需的载波频率低100 dB以上，也会显著降低下载速度。被动互调的原因仍然是一个活跃的研究领域，创新者有很多机会来开发这些问题的独特解决方案。

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