動(dòng)態(tài)范圍和無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）的概念出現(xiàn)在各種工程環(huán)境中。盡管如此，很多朋友可能并沒(méi)有完全理解這些性能指標(biāo)的重要性。

一、設(shè)計(jì)中的線性度與噪聲的權(quán)衡當(dāng)我們想要提升電路的線性性能時(shí)，就不得不考慮線性度與電路其他性能參數(shù)之間的平衡——這些參數(shù)包括增益、帶寬和噪聲特性等。（統(tǒng)一與矛盾的）雖然這些性能參數(shù)也同樣重要，但是本章僅考慮線性度與噪聲的關(guān)系。

二、共源放大器中的源極退化

為了深入理解線性度與噪聲之間的權(quán)衡，我們來(lái)看看一個(gè)基本的線性化技術(shù)：在共源放大器的源極串聯(lián)一個(gè)電阻（RS）（如圖1所示）。這樣可以幫助我們更直觀地理解兩者之間的相互影響和取舍。

圖1

電阻RS作為一個(gè)局部負(fù)反饋源，作用于MOSFET的柵源電壓。RS上的電壓降與漏極電流成正比。隨著漏極電流的增加，RS上的電壓也會(huì)增加。這降低了MOSFET的柵源電壓，從而減少了漏極電流。

這樣改善了電路的線性度。然而，添加的電阻增加了電路引入了額外的噪聲，從而降低了整體噪聲性能。

三、采樣保持電路

噪聲與線性度之間的權(quán)衡也在模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的設(shè)計(jì)中體現(xiàn)出來(lái)。圖2為中采樣保持（S/H）電路的基本框圖。

圖2

如果我們?cè)黾颖３蛛娙荩–H），系統(tǒng)的帶寬以及隨之而來(lái)的噪聲就會(huì)降低。但是，這樣一來(lái)，第一個(gè)放大器就需要驅(qū)動(dòng)一個(gè)更大的電容。然而，實(shí)際放大器能提供的電流是有限的。因此，當(dāng)電容變大時(shí)，采樣保持（S/H）電路可能無(wú)法快速跟隨輸入信號(hào)，尤其是對(duì)于那些幅度大或頻率高的信號(hào)。

S/H電路有限的壓擺率（即電壓變化率）是制造具有優(yōu)良噪聲性能和高線性度的ADC在信號(hào)帶寬超過(guò)幾兆赫茲時(shí)變得非常困難的一個(gè)關(guān)鍵原因。

四、無(wú)線電接收器信號(hào)路徑

為了探討噪聲與線性度權(quán)衡的最后一個(gè)例子，深入探究一下無(wú)線電接收器的信號(hào)鏈。圖3是一個(gè)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）的參考通道和測(cè)試通道的簡(jiǎn)化框圖。

圖三

如果在混頻器之前添加低噪聲放大器，我們可以使后續(xù)階段產(chǎn)生的噪聲相對(duì)于所需信號(hào)來(lái)說(shuō)變得相對(duì)較小。這樣，接收器對(duì)LNA之后各階段的噪聲就不那么敏感了。但是，為了順利地將LNA產(chǎn)生的相對(duì)較大的信號(hào)進(jìn)行下變頻，這需要混頻器具有較高的線性度。我們?cè)俅慰吹搅耸煜さ脑肼暸c線性度之間的權(quán)衡！

五、動(dòng)態(tài)范圍的介紹

線性度是測(cè)量大信號(hào)時(shí)的關(guān)鍵限制因素。隨著輸入信號(hào)幅度的增大，實(shí)際電路的非線性特性會(huì)更加明顯，并開始產(chǎn)生不可接受的失真水平，這會(huì)降低測(cè)量的準(zhǔn)確性。因此，為了測(cè)量更大的信號(hào)，我們需要使系統(tǒng)更加線性化。

然而，正如我們之前所看到的，線性化通常是以增加噪聲為代價(jià)的。當(dāng)噪聲水平提高時(shí)，小信號(hào)可能會(huì)被淹沒(méi)在噪聲中，變得難以檢測(cè)。這使得設(shè)計(jì)一個(gè)能夠精確測(cè)量高幅度和低幅度信號(hào)的電路變得具有挑戰(zhàn)性。

為了描述電路的這一重要特性，我們引入了動(dòng)態(tài)范圍這一指標(biāo)。它是指系統(tǒng)能夠測(cè)量的最高幅度信號(hào)與最低幅度信號(hào)之間的差值。這一概念在圖4的示例頻譜圖中得到了直觀的展示。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，動(dòng)態(tài)范圍越大，電路對(duì)信號(hào)幅度的適應(yīng)能力就越強(qiáng)，可以更加準(zhǔn)確地測(cè)量不同幅度的信號(hào)。

圖4動(dòng)態(tài)范圍決定了系統(tǒng)能夠測(cè)量的信號(hào)幅度的范圍。在這個(gè)范圍內(nèi)，我們可以認(rèn)為電路具有可接受的線性和確定性（即輸出不是由噪聲產(chǎn)生的不可預(yù)測(cè)信號(hào)）。動(dòng)態(tài)范圍是頻譜分析儀和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）的重要參數(shù)，我們稍后會(huì)詳細(xì)討論。在頻譜分析儀和VNA中，動(dòng)態(tài)范圍的上限通常受到分析儀內(nèi)部放大器和混頻器的壓縮點(diǎn)的限制。圖5展示了當(dāng)輸入功率接近放大器壓縮點(diǎn)時(shí)，典型放大器變得過(guò)度非線性的情況。圖5

六、動(dòng)態(tài)范圍為什么這么重要

為了說(shuō)明具有高動(dòng)態(tài)范圍的重要性，我們來(lái)看一個(gè)常見(jiàn)應(yīng)用：測(cè)量濾波器的頻率響應(yīng)。以具有90 dB阻帶抑制的帶通濾波器為例。圖6展示了使用兩臺(tái)不同的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）在所選的頻率范圍內(nèi)掃描單頻正弦波輸入時(shí)得到的測(cè)量響應(yīng)。

圖6圖中左側(cè)部分的響應(yīng)是使用動(dòng)態(tài)范圍較低的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）得到的結(jié)果。在這種情況下，VNA接收器的靈敏度約為-60 dBm。因此，在濾波器的阻帶區(qū)域，即濾波器輸出信號(hào)非常小的部分，VNA測(cè)量的是其自身的噪聲基底，而不是濾波器產(chǎn)生的信號(hào)。右側(cè)的響應(yīng)是由靈敏度為-100 dBm的VNA獲得的。這代表了更寬的動(dòng)態(tài)范圍，這種改進(jìn)使我們能夠正確表征濾波器的阻帶行為。請(qǐng)注意，在濾波器輸出功率與VNA的噪聲基底相當(dāng)?shù)念l率下，跡線會(huì)變得嘈雜。在這個(gè)例子中，大信號(hào)和小信號(hào)是由測(cè)試設(shè)備在不同時(shí)間測(cè)量的——它們沒(méi)有同時(shí)應(yīng)用到VNA上。為了研究同時(shí)存在小信號(hào)和大信號(hào)時(shí)系統(tǒng)的性能，我們使用無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）。

七、定義無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍

即使使用單頻輸入，非線性電路也可能在輸出端產(chǎn)生不同頻率的分量（雜散）。這些雜散可能與輸入信號(hào)有諧波關(guān)系，也可能沒(méi)有，如圖7所示。

圖7

在圖7中，橙色分量是基頻分量，也就是我們期望的輸出分量。在這個(gè)例子中，基頻分量小于可測(cè)量的最大信號(hào)。但我們假設(shè)它足夠大，能產(chǎn)生多個(gè)雜散（紫色分量）。為了量化雜散的影響，我們使用無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）來(lái)看。SFDR的定義有多種，有時(shí)會(huì)令人困惑。在這里，我們將它定義為在所選的帶寬內(nèi)，期望信號(hào)幅度與最大雜散之間的差值。采用這個(gè)定義時(shí)，最大雜散幅度是以信號(hào)（或載波）水平為參考的。因此，我們用dBc（相對(duì)于載波的dB）來(lái)表示SFDR。請(qǐng)注意，即使在存在雜散的情況下，動(dòng)態(tài)范圍仍然定義為可測(cè)量的最大信號(hào)與系統(tǒng)噪聲基底之間的差值。

八、何時(shí)使用無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍

讓我們?cè)O(shè)想一個(gè)場(chǎng)景，其中電路同時(shí)接收小信號(hào)和大信號(hào)。小信號(hào)是需要測(cè)量的信號(hào)，而大信號(hào)則是干擾信號(hào)。這種情況在我們?nèi)粘５慕邮諜C(jī)中十分常見(jiàn)。我們可以在圖8中看到這一點(diǎn)，它展示了接收機(jī)在典型信號(hào)水平下的工作情況。天線在其所選的頻率范圍內(nèi)接收到兩個(gè)信號(hào)：一個(gè)低功率的期望信號(hào)和一個(gè)高功率的帶內(nèi)阻塞信號(hào)。圖8請(qǐng)注意，帶內(nèi)阻塞和帶外阻塞有不同的效果。帶外阻塞通常被接收器前端的帶通濾波器充分抑制。相比之下，帶內(nèi)干擾的頻率更接近所需信號(hào)。通常，直到鏈路的末端才會(huì)將其移除。因此，圖8中的RF混頻器會(huì)將所需信號(hào)和帶內(nèi)阻塞都下變頻至中頻（IF）。在存在大功率干擾器的情況下，RF信號(hào)鏈和ADC需要測(cè)量所需的小信號(hào)。但是，高功率阻塞器可能使系統(tǒng)非線性運(yùn)行，從而在非常接近所需信號(hào)的頻率處產(chǎn)生雜散。圖9顯示了非線性如何產(chǎn)生這樣的雜散（紫色部分）。

圖9如果接近所需信號(hào)的雜散足夠大，它會(huì)降低接收機(jī)的信噪比。我們需要知道接收機(jī)的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR），以確定頻譜中可能出現(xiàn)的最大雜散水平。九、選擇合適的動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)動(dòng)態(tài)范圍描述了系統(tǒng)能夠測(cè)量的最高和最低幅度信號(hào)之間的差異。然而，正如我們現(xiàn)在所看到的，動(dòng)態(tài)范圍僅提供了系統(tǒng)性能的有限信息。當(dāng)輸入信號(hào)的幅度在系統(tǒng)的線性區(qū)域內(nèi)時(shí)，動(dòng)態(tài)范圍最為有用。對(duì)于導(dǎo)致系統(tǒng)非線性運(yùn)行的高功率輸入信號(hào)，我們還需要查看無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍。SFDR在需要同時(shí)測(cè)量大信號(hào)和小信號(hào)的應(yīng)用中特別有用。