了解动态范围和无杂散动态范围的意义

在本文中，我们研究了用于表征射频测试和测量系统性能的两个指标。

动态范围和无杂散动态范围（SFDR）的概念出现在多种工程环境中。尽管如此，许多EE可能并没有完全掌握这些性能度量的重要性。在本文中，我们将研究如何在多个应用程序中定义和使用动态范围和SFDR，并特别注意与向量网络分析器（VNA）相关的方面。

然而，我们首先来看一下模拟设计中的噪声与线性的权衡。这种权衡限制了许多电路的动态范围；这也将有助于我们理解为什么动态范围和SFDR规范是重要的。

模拟设计中的线性-噪声权衡

当试图改进模拟电路的线性度时，我们面临线性度和电路增益、带宽和噪声特性的其他性能尺寸之间的几个权衡，举几个例子。虽然所有这些都很重要，但线性和噪声之间的权衡将是本文的重点

共源放大器中的源极退化

为了理解线性-噪声权衡，我们来看一个基本的线性化技术：在公共源级的源极端串联增加一个电阻（RS）（图1）。

带源极退化电阻的MOSFET共源放大器示意图。

•图1。一种带源电阻的MOSFET共源放大器。图片由提供

RS被称为退化电阻，充当MOSFET的栅极-源极电压的局部负反馈源。RS两端的电压降与漏电流成比例。随着漏电流的增加，RS两端的电压降也增加。这减少了MOSFET的栅极-源极电压，这减少了漏极电流。

这种局部反馈改善了电路的线性。然而，增加的电阻增加了电路的复杂度，并且为电路提供了额外的噪声，从而降低了整体的噪声性能。

模拟采样和硬件电路

噪声和线性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机以及测试和测量系统中的重要组件。考虑图2中采样和保持（S/H）电路的基本框图。

采样电路框图。

•图2。模拟信号采样和保持电路框图。图像由模拟设备提供

如果我们增加保持电容（CH），那么系统带宽，并且通过扩展，噪声减少。然而，在这种情况下，第一放大器需要驱动更大的电容器。实际的放大器能够提供的电流是有限的。结果，对于更大的电容器，S/H可能不能足够快地跟随输入信号，特别是对于具有大振幅或高频的信号。

S/H电路的有限转换速率是为什么构建具有良好噪声性能的高度线性ADC是一项超出几个兆赫信号带宽的具有挑战性的任务的关键原因。

无线电接收机信号路径

作为噪声与线性权衡的最后一个例子，我想要探讨无线电接收机信号链。图3是虚拟网络分析的参考和测试通道的简化框图。

虚拟网络分析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。图片由提供

如果我们在RF混频器之前添加低噪声放大器（LNA），那么我们可以使得由以下级贡献的噪声与所需信号相比相对小。以这种方式，接收机对LNA之后的级的噪声变得不那么敏感。然而，这需要具有较高线性度的混频器来成功地下变频LNA产生的相对较大的信号。我们再次看到熟悉的噪音和线性权衡！

动态范围介绍

线性度是测量大信号的主要限制因素。随着输入信号振幅的增加，实际电路变得更加非线性，并开始产生不可接受的失真水平。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，正如我们在前面章节中所看到的那样，线性化通常以较高的噪声为代价来实现。在较高的噪声水平下，小信号可能被掩埋在噪声基底中，并且可能无法检测到。这使得设计能够精确测量高和低振幅信号的电路具有挑战性。

为了表征电路的这一重要特性，我们使用动态范围度量，它被定义为系统能够测量的最高和最低振幅信号之间的差异。如图4中的示例频谱所示。

动态范围图解。

•图4。动态范围是最大可测量信号和本底噪声之间的差值。图片由提供

动态范围确定了系统可测量的信号振幅范围。对于这个范围内的信号振幅，我们可以假设电路是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，我们稍后将对此进行讨论。频谱分析仪和VNA中动态范围的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，典型的放大器是如何变得过度非线性的。

功率放大器增益曲线示例。

•图5。图片由David M.Pozar提供

为什么动态范围很重要？

为了捕捉被测设备在不同频率下的响应，需要具有足够高的频率范围的测量设备。同理，您的设备应具有足够高的动态范围，以精确测量DUT产生的不同功率水平。

为了说明具有高动态范围的重要性，让我们研究一个常见的应用程序：测量滤波器的频率响应。考虑具有90 dB阻带抑制的带通滤波器。图6显示了在感兴趣的频率范围内扫描单音正弦输入时，由两个不同的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

图中左侧部分的响应是使用具有低动态范围的VNA的结果。在这种情况下，VNA的接收机的灵敏度大约为–60 dBm。因此，在滤波器的截止带中，在滤波器的输出信号非常小的情况下，VNA测量其自己的噪声本底，而不是由滤波器产生的信号。

右侧响应由灵敏度为-100dBm的虚拟网络分析获得。这代表了更宽的动态范围，并且这种改进允许我们正确地描述过滤器的停止频带行为。注意轨迹在滤波器输出功率与虚拟网络分析的噪声本底相当的频率下是如何变为噪声的。

在本例中，测试设备在不同的时间测量了大信号和小信号——它们不是同时应用于虚拟网络分析。为了研究小信号和大信号同时存在时的系统性能，我们使用了无杂散动态范围（SFDR）。

确定无杂散动态范围

即使是单音输入，非线性电路也可以在输出端产生不同的频率分量（杂散）。这些杂散可能与输入和谐相关，也可能不与输入和谐相关，如图7所示。

动态范围和无杂散动态范围。

•图7。与动态范围相比，无杂散动态范围。图片由提供

在图7中，橙色分量是基本的或希望的输出分量。在本例中，基本分量小于最大可测量信号。然而，我们假设它足够大，可以产生几个毛刺（紫色组件）。

为了量化毛刺的影响，我们使用SFDR规范。SFDR有多种定义，有时会引起混淆。我们在此将其定义为所需信号振幅与感兴趣带宽上的最大杂散之间的差异。

使用这个定义时，最大杂散振幅是参考信号（或载波）电平来指定的。因此，我们以dBc（相对于载波的dB）表示SFDR。注意，即使在存在毛刺的情况下，动态范围仍被定义为系统的最大可测量信号和噪声本底之间的差异。

使用无杂散动态范围的时间

让我们研究一个场景，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；。这是我们日常无线电接收机的情况。

我们可以在图8中看到这一点，它显示了在典型信号电平下工作的无线电接收机。天线在其感兴趣的频率范围内接收两个信号：低功率所需信号和高功率带内阻断器。

具有小的所需输入信号和大的阻断信号的示例无线电接收机。

•图8。具有小的所需输入信号和大的阻断信号的示例无线电接收机。

注意带内阻断器的效果与带外阻断器的效果不同。带外拦截器通常被接收机前端中的带选择滤波器充分抑制。

相比之下，带内干扰的频率更接近于所需的信号。一般情况下，直到接收器链结束才拆除。因此，图8中的射频混频器将所需信号和带内阻断器下变频到中频（fIF）。

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，大功率阻断器可以使系统非线性运行，导致在非常接近所需信号的频率处出现毛刺。图9显示了非线性如何产生这种毛刺（紫色分量）。

•图9。系统非线性可从高功率输入信号中产生带内杂散。图片由 Steve Arar提供

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

选择正确的动态范围度量

动态范围表征系统能够测量的最高和最低振幅信号之间的差异。然而，正如我们现在所看到的，动态范围只提供了有限的系统性能信息。当我们有振幅在系统线性区域的输入信号时，它是最有用的。

对于导致非线性系统操作的大功率输入信号，我们还需要查看无杂散动态范围。SFDR规范特别有助于需要同时测量大信号和小信号的应用，例如通信系统。

现在我们已经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，我们将讨论如何增加VNA的动态范围。