第四章Volterra模型

第四章Volterra模型
在本章中,我们首先回顾最常用的非线性建模方法.第 4.1.2节讨论多项式Volterra模型建模方法的特性,第4.2节详细解说记录下来的完全电非线性和电热非线性,以及建模非线性级数展开中所用的项.4.3节描述了如何应用Volterra分析方法计算一个普通发射放大器的失真,并且作为第一个研究案例,第 4.4介绍了在一个BJT CE放大器中,影响IM3失真的所有项的分析.同样的分析(对一个MESFET放大器)在第4.5节中介绍.
4.1非线性建模
为了能够分析功放的非线性行为,我们需要为实际的非线性电路,无源匹配以及偏置元件建立精确的模型.但此模型的获取又有一定难度.众所周知,N阶失真的数量与I-V和Q-V波形的N阶导数成比例(参照[1-3]).因此,为了达到精确的失真模拟,对有源元件的I-V和 Q-V波必须建模,因此不仅是直流值,高阶导数同样是正确且连续的.(为了便于参考,在早期的仿真模型中,第一阶导数可以不连续).此外,电容是很容易建模的,因此电荷没有存储,这将导致完全容性结点的非物理整流和自偏压.因此,特别是如果电容值同时取决于两个终端电压,将电容模拟等效于电荷平衡是十分重要的[5].
由于无源元件在高频具有分布特性,很难在射频频率上对其建模.有损耗的传输线难以在时域上进行建模,一般而言,无源元件的建模在频域上更加精确.尽管如此,有些无源元件的频域仿真模型在高次谐波时也可能是不准确的,例如传输线宽上的阶跃变化,在电路分析中,可以采用测试电路的标准终端阻抗值来进行分析.
简而言之,为了得到精确的失真模拟,从模拟模型中需要:
1. 对N阶失真模拟来说, I-V 和Q-V波形的N阶导数必须足够精确.
2. 结点阻抗的频率响应对于最高相关谐波,必须是正确的.同时,在基带频率,偏置阻抗和热阻抗的正确模型也是十分需要的.
3. 如果可以得到主要失真源的组成信息,将十分有用.
4.1.1非线性仿真模型
通常来说,功放和发射机设计师使用两种非线性模型:一种是用于系统仿真的行为黑盒子模型,另一种是用于电路仿真的器件模型.根据建模方法的不同,可以对这两类模型进行更深层分割:可以是解析的,基于一些预先确定的和物理学的用参数表示的模型函数，或者完全根据实验的,将测量数据列表并以内插值替换的,或者用简单的曲线或物理意义不清楚的多项式表示的模型.在表4.1中有所介绍.
表4.1 功率放大器的非线性模型
行为基带模型广泛用于模拟和优化整个发射机和收发器,并且增加了新的功能,例如模拟记忆效应,在[6]中介绍.然而,行为模型描述的或者是一个已经存在的放大器,或者行为模型源自到目前为止不存在的放大器规范说明,但是在设计一个新的功率放大器中,行为模型的使用遭到限制.
这里简明地介绍了最常用的行为模型的特性,仅用于参考.简单的静态的AM-AM 和 AM-PM波形不能够模拟记忆效应,但是基于调制频率的AM-AM和AM-PM波形的模型已经被开发出来.如图4.1所示,在Saleh模型中, AM-AM和AM-PM非线性模块的输入和输出端都增加了线性滤波器.在Blum 和Jeruchim(在[7]中描述)模型中,用快速傅立叶算法及足够的抽样来找到用于修改AM-AM表的瞬时调制频率.有一种Volterra型的行为模型被称作Volterra输入输出图(VIOMAP).它是普通S参数的非线性的概念性扩展,包括谐波响应,并且被成功应用于单音负载下拉仿真中[9,10].
图4.1 (a)功率放大器的AM-AM和AM-PM波形
(b)基于滤波器和无记忆非线性的由频率决定的非线性模型.
器件模型描述了半导体设备的动作,以及无源和分布式元件的合适模型,可以建立并优化功放的模型.
早期的半导体模型是解析的,所采用的等式首先来源于半导体物理学,然后将其简化以减少仿真时间.这些基于等式的模型的一个基本问题是,所选用的函数和控制参数固定了I-V 和Q-V特性的可能形状,并且可能没有足够的自由度来模拟例如
I C-V CE曲率.例如,在基本的Gummel- Poon (GP) BJT SPICE模型中,集电极电流的简化形式如下:
其中, 基本的指数仅可被三个控制参数修改:IS依比例决定电流, VAF (所谓的早期电压[12], 如图4.2所示)构成输出电导的一个极其简化的模型, IKF (所谓的拐点电流)降低高电流时的增益[13, 14].这个简单的等式涵盖了整个I-V平面,同时固定了导数dn I C/d V n,因而固定了非线性行为. SPICE GP模型可以适当地用于模拟基带信号[15],但是特别是对于过分简单化和固有性线的输出阻抗模型, 不能用SPICE GP模型进行精确的失真仿真,这将在本书后面说明.
更好的物理模型已经被开发出来,比如BJT的Mextram和VBIC ,以及用于LDMOS 的摩托罗拉MET模型,这都是久经考验的模型.与早期的SPICE模型其比,这些模型的性能大大地提高了.后者对于找到正确的直流偏置十分重要,这是因为自我加热使得I-V波形产生一个大的差值.假如热模型有足够的时间常量来模拟缓慢加热包(主要影响直流偏置和芯片表面的微秒范围热记忆),后面的模型也可用于模拟热记忆效应.
图4.2 在BJT中使用早期电压VAF模拟输出阻抗
模型的额外自由度增加了其复杂性以及控制参数的数量.在一个极限中,MOS BSIM模型有数十个参数来单独控制比例特性.因此,模型的复杂性趋于失控,并且其配置愈加复杂,对错误愈加敏感.
另一种设备建模的方法是放弃等式,而采用列表的测试数据或者完全根据实际以验的函数来代替.现在,任何形式的I-V和Q-V特性的模型可以被建立,这是通过Root模型得到的方法,称作”设备最了解”模型[5].在内插列表数据时,存在一些技术问题,这是因为内插的多项式容易使数据点之间产生振荡,因此派生出高阶非物理波动.然而,由于预定函数不需要压力,列表模型使用灵活.
Volterra模型是一种经验模型,它不依赖于半导体物理学.其非线性描述为多项式,系数可以通过对I-V和Q-V函数微分得到,也可通过将多项式直接填入测量数据表里得到.在此我们使用的是后者,在接下来的章节中,我们将会更深层次地对Volterra模型的特性进行研究.
4.1.2 Volterra模型的特性
多项式模型并不自动地对模拟快速响应,相反,它可能严重地会聚在高于原始设置范围的信号电平上.然而,多项式模型允许使用高效的Volterra分析程序.
然而,采用Volterra模拟方法的主要动机并不是看中了其速度优势,而是它能提供一个极好的分析工具来进行分析.主要的失真机制可以用与在普通交流噪声分析中采用的相同的方法来进行分析,由于非线性分析,多重的混合机制同样可被识别,例如可以帮助谐波终端阻抗的设计等.因此, Volterra分析是少数可以帮助理解记忆效应和帮助设计优化的方法之一.
尽管如此,仍需承认多项式模型存在一些缺点.首先,多项式模型要遭受在适宜的带宽范围外,其响应接近无穷大这一事实.传统的非线性建模函数与此正好相反,它在整个偏置范围内平滑,有限的表现是我们设计的特性,因为它帮助使信号收敛,并且信号摆动不必要进行推理的了解.因此, Volterra分析并不是一个非常普通的工具.由于速度原因, Volterra分析被用于快速失真分析和模拟器中的低噪放型小信号电路(例如Voltaire XL [22]和SPICE的早期版本)中,或者甚至做为独立的模拟器使用[23].然而,为了功放能被成功地进行分析,可靠的早期信息仍是必需的.
第二,预先得需要实际的大信号直流偏置电压.大信号动作经常会引起直流工作点的移位,它同时影响增益和非线性的数量.此信号感应引起的直流移位会减缓谐波平衡模拟中收敛的速度,并且在非反复Volterra计算程序中,只能对它进行估计,而非完全地预测.为了克服这点,我们需要检查直流移位是不是很大,或者在实际的大信号工作点使得多项式模型合适.
第三,在多项式函数的装配中,需要知道输入和输出电压摆动的范围.多项式模型的实际功率是除开失真成分的其它部分.适宜的范围越大,低阶多项式的精确度越小.因此,沿着最大信号振幅安装是合适的,为确保多项式模型的精度,不能太超过此范围,并且由于多项式响应可能在合适的范围外是完全非物理的,也不能超过一个较小的范围.在这种情况下,就需要对输入输出轨道有较好地评估.总之, Volterra分板并不是一种简单使用的独立的仿真方法,但当它用在与其它仿真方法(例如谐波平衡)并联使用时,此方法提供了更多调试功能.
在本书中,研究的案例仅限于单级晶体管放大器,并且对Volterra分析半解析地计算(象征性地来源于每一个失真源到所有结点电压的转移函数). 象征性的分析并不是必需的,它限制了对CE或CS放大器固定的结构以及双音测试信号的分析.而Volterra分析却能达到,通过在(用标准修改结分析矩阵以及非线性电流源表示的)任何电路上运用通常非线性交流分析方法.
4.2非线性I-V和Q-V特性
大多数的晶体管模型是以Π模型或T模型为基础.这里使用的是Π模型,本节中描述了用BJT,异质结BJT(HBT)和场效应管(FET)的Π模型表示的典型传导(I-V)和电容(Q-V)的非线性特性.在这里将BJT作为一个案例,但同样的模型也可用于FET晶体管,只是多项式系数设置不同.
前面已经讲过, Volterra模型是以I-V和Q-V曲线的多项式建模为基础.测量这些曲线也许会有些困难,详见第五章.这样的电荷不能直接进行测量,我们必须依靠交流测量的电容以及对所得电容值得到的电荷等式求积分.用类似的方法,I-V曲线
可以通过由S参数测量得到的和值进行大部分重造,但是实际的I-V曲线是一个更安全的出发点.
这里介绍的模型是电热模型,这意味着其结温是一自由变量.然而,直流温度上升包含在偏置点中,并且只考虑由动态自我加热引起的温度变化.由于功耗是电压和电流的产物,我们认为结温中的交流成分已经是一个二阶现象.因此,一个三阶的模型仅仅包括温度的一次方,这意味着电容元件的温度依靠性被认为是线性的.
4.2.1 特性
在大多数被报导的BJT/HBT Volterra级数分析中,集电极电流被认为只是基极电压的函数[25-27],此考虑方法抓住了主要指数的输入输出非线性但是认为输出电导是常数.在MESFET Volterra级数分析中,漏电压的效应通常用的一个多项式来实现, (参照[28]),但即使如此,也难以捕捉所有的非线性特性.
在(4.1)式中,等式是,和结温T的一个三维简单函数，就像.通过扩展大信号I-V函数
到一个三输入的泰勒级数(在直流工作点,和周围),很容易得到一个多项式模型.因此,交流电流的电热三阶级数展开可以写作:
其中, ,,并且K ixxx是
元素xxx的i阶非线性系数.( 可以用来标志).由等式可见,
第一行只受影响,第二行只受影响(例如非线性输出电导).尽管如此,第三
行又列出了和的向量积.最后,第四行列出了与两个终端电压混合在一起
的温度变化.
图4.3中证明了电非线性的影响,其中,绘制了在三个基极电压处的集电极电流,它是三个不同基极电压处集电极电压的函数.如果除外的所有系数都是零,我们可以得到如图4.3(a)所示的三条等间距的水平线.由于线精确地保持水平,输出电导为零,且集电极电压不影响电流数量.此外,由于线之间等间距,跨导是线性的.然
而,如果或偏离了零,在I-V平面的线距离将会变得不等,这表明跨导是非线性的.
图4.3 证明集电级电流非线性.垂直的轴是集电极电流,水平轴是电压.
(a)线性响应(b)非零 (c)非零 (d) 非零 (e) 非零 (f)
非零
图4.3(b)证明了的影响,仅仅存在和.与图4.3(a)相比,图4.3(b)中
的线有一个非零的斜率,它与成比例且不依赖与.
图4.3(b)仍是完全线性的, 图4.3(c)证实了输出电导的非线性,其电流的斜
率随而变化.在这种情况下,仅有一个非零值,和可被用于模拟输出电导的曲线效应，例如饱和和击穿.
图4.3(d-f)分别图解说明了,和的截项,它模拟了基极和集电极非线性物性的交互作用.为了帮助比较,图4.3(d-f)中的
稍细线是临摹图(c)的( 和都有非零值).(对应于项)在图4.3(d)中是非零的,这是由于其线的斜率变化不仅仅受图4.3(c)中集电极电压的作用,也受基极电压的作用.这对于图4.2所示的模拟早期效应是十分
必需的.相似的推理也可应用于和,如图4.3(e, f)所示,确定输出电导的形状,分别是和的函数.
图4.4对不同建模方法的I-V曲线做了更多的比较.如果集电极电流被模拟为基
极电压和线性的一维函数，就产生了一条直的I-V线,如图4.4中细虚线所示.用SPICE Gummel-Poon模型模拟的I-V曲线同样也是直的细的线,但是其斜率和输出电导随集电极电流变化,如图4.2所示.实际上,由于准饱和和截止影响,在大信号或半大信号的情况下,BJT的I-V曲线决不是直线.曲率可以通过使用和的一维多项式模拟,如图4.4中粗实线所示.然而,初步的现象(例如早期效应)在没有引起斜率决定于的值截项时不能被模拟.如图中粗虚线所示,并对应于(4.3)的完全级数展开.饱和和截止的开关同样取决于基极电压,这使得截项的使用强制地避免了I-V平面角落处的重大误差,如图4.4所示.
图4.4 三个Volterra模型和Gummel-Poon SPICE模型的I-V特性最后讨论了集电极电流的电热效应,如(4.3)中最后三项所示.在图4.5(a, b)中,
描述了一个二次项,它模拟了电流中由温度决定的移位.值得注意的是,
是一个包含温度和集电极电压影响的三次项,如图4.5(c)所示.它在本质
上模拟了温度对输出电导的依靠性.同样的,如图4.5(d)所示,模拟了温
度和基极电压的结合效应.由于曲线的斜率反应了跨导，可被认为是受温
度影响的跨导的一个变化.
轴.(c)非零影响(d)非零影响
特性是FET型晶体管中唯一重要的传导性非线性.在BJT中,存在另外
的两个非线性:由指数引起的非线性和非线性.电导的影响通常更重大,并且也容易模拟.理论上, 等式可以粗略地用电流增益β
除，但可用一些方式简化.由于基极电流并不是强烈地依赖于集电极电压,我们可以
用一个仅由和决定的两维模型:
这里,系数与之前有着相似的含义.线性项通过进行模拟,和
模拟其指数曲率.此外, 模拟了由自我加热产生的移位,
可以看成线性项的温度依靠.
本征基极电阻较难模拟.它是内部基极点和外在基极点之间的串联电阻,它的值取决于基极区的电流拥挤,也取决于内部值.因此,它可以模拟为一个由
电阻器电压(),内部基极电压和结温控制的三维电
导.所有的K项(k=1,2,...)都是零,但是电流拥挤效应是用和
间的截项模拟的,如(4.5)所示.不论如何,通常较小,且在下面例子中被模拟为一个线性电导.
4.2.3电容模型
如前面解释,将电容建模成多项式电荷,然后将其关于时间进行区分以得到位移电流.电荷可能并且经常是由多于一个的端口电压所控制,这使得我们必须使用一个类似于(4.3)的多维多项式.电荷同样可以模拟为一个电容,在这种情况下,电荷不出现在控制结点之间,而出现在一些其它的结点间.在下面的例子中,只假定了一个控制电压,式(4.6)描述了基极到发射极的电荷,它是基极到发射极的电压以及温度的函数.
从这个等式中,可以轻松地得到对应测量电荷C pi和非线性电流源.只
需将电荷等式(4.6)分别关于和时间进行区分即可.
在(4.8)式中, ω仅是失真音调的频率;因此,电容并不会引起直流失真电流但是在谐波频率处失真最严重.等式(4.7)指出由温度决定的电荷项K2CPIT不能来源于电荷测量;尽管如此,一个时变的结温可能引起一个与它成比例的电流.另外, (4.6)式中的第一项C pi描述了小信号电容, K2CPI和K3CPI定义了它的有关电的非线性. K3CPIT描述了是控制电压和结温函数的电荷,由于C = d Q/d v, K3CPIT的作用可以看成是电荷值的温度决定性.
如(4.6)所示,一个线性的C-V趋势K2CPI引起了二次电荷非线性.同样的,与v2 (K3CPI)成比例的电荷引起立方的非线性.不同类型的电容有着不同的特性,如图4.6(a)所示.如 (4.27)所示,基极-射极电容C pi是指数的,因此它是高度的非线性的.BJT和FET中有偏的P-N结或肖特基结仅是稍微的非线性,它们可以通过增加反偏压进行更深一层的线性化. MOSFET型晶体管有着特殊的栅电容,例如, C GS在门限电压的周围dip.如果MOSFET动作接近于关断,此dip会引起大量的二阶非线性.
图4.6 (a)归一化的电容(b) 和的电荷4.3共射极BJT/HBT放大器模型
现在我们使用直接的方法来计算一个共射极BJT/HBT放大器的IM3成分,使用第2.5.2节所列出的步骤.这样进行分析:首先为电路建立一个模型,通过一个线性的交流分析建立基本的幅度.然后,通过使用第4.3.2节所示的步骤计算二阶电流电压以及三阶电流电压.
4.3.1线性分析
图4.7所示的是一个共射极BJT放大器,它包括输入阻抗Z IN(混合匹配网络和偏置电路),基极-射极电导g pi和电容C pi,反馈电容CBC,输出电容CCE,输出电导跨导,负载阻抗Z L以及发射极阻抗Z E.输入和负载阻抗不仅包含匹配网络的阻抗,也包括偏置网络和包寄生的阻抗,Z IN由前级的输出阻抗和本征基极电阻r bb组成,
如图4.7所示.
为减少等式的数量,输入电压源可以用诺顿等效源来代替
且用下列简化符号
矩阵等式.
通过使用Cramer法则,可以得到结果以及对的响应.因此,在基极,发射极和集电极的电压如下所示:
导纳矩阵的行列式写作:
基极到发射极,集电极到发射极的电压分别是和
.最后,由于和经常用于计算失真,例如由gm 成分产生的失真,很容易得到它们的比值:
线性化分析的目的是为了获得所有非线性元件的基本电压幅度,这样我们就可以继续计算这些元件内部产生的非线性电流.在此之前,我们需要对信号摆动进行一些观察.
BJT的指数响应是极端的非线性,并且在没有过度失真的情况下,不能承受高于10到30 mV的信号幅度.这听起来不像一个功率放大器,但是两件事情恰好帮助改变此情况.首先,器件并不是完全指数的,但是当驱动到高注入时,BJT线性化可用(4.1)中的参数IKF来模拟.第二,放大器有一些反馈机制来减小BE结中的信号电平.串联发射极阻抗引起一个线性化的串联反馈,CBC引起一个并联反馈.CBC的作用十分重大,这是由于强烈的电容性反馈降低了基极阻抗,因此也减小了BE电压摆动和从驱动激励产生的失真数量.
4.3.2非线性分析
在本节中展示了一个CE BJT放大器的非线性模型,并由它得到IM3失真.该电路有三个两输入和一个三输入的I-V和Q-V非线性,通过鉴定7个一阶系数,二阶系数和三阶系数模拟得到,其中18个是电系数
,其它9个与动态温度变化相关
.
最后,此分析将介绍IM3音调,它是一个矢量和,由以下组成:7个由立方电非线性引起的项,21个由级联二次方非线性(修正包络信息向上转换到IM3中)引起的项,21个二次谐波向下混合到IM3的项,最后,5个立方的和24个级联的二阶电热项.这些看
起来也许很多,但它描述了产生失真的不同机制的真实幅度;它同样清楚地证明了,只要立方项是解析的,大量的信息就会失去.若电路较大,分析的阶数越高,则需要对数据进行压缩,但是原理还是一样的:我们希望知道,通过从直流或谐波波段混合失真并使总失真最小化(或最小化其记忆效应),能产生多少IM3总数;我们希望知道在这些谐波波段，由失真电压引起了什么样的非线性和实际阻抗.
由于项数众多,我们不单个地对这些项进行讨论.完整的分析见附件C,接下来用一些例子讲述计算步骤.
4.3.2.1二阶失真电流
图4.8所示的电路用于解决二阶响应,图4.7中的线性输入电压在此被短路, 添
加二阶失真电流源与所有非线性电路元件并行.以T结束的电流是电热电流,将在第4.3.2.5节中讨论.如同以前, ZIN, ZE和ZL将包寄生,偏置阻抗和匹配阻抗结合在一起.
为了计算自我加热效应,瞬时功耗用计算,第3.4节所示的
热阻抗用于计算频率ω2–ω1处的瞬时温度波动.可以对不
同的电路元件使用不同的温度,但是它们在物理上靠近基极区,此处使用共同的温度.然而对于大型设备,将此设备分成较小的并行设备是十分有利的,这样可以看出不同的温度变化.
非线性被模拟为,和温度组成的三维函数,它包括
和非线性以及所有高达三阶的交叉项. 和是基极到射极电压和
温度的函数,非线性由集电极到基极电压和温度控制.
图4.8 含电流源电路的二阶响应表示
我们通过计算二阶失真电流开始进行分析.举一个例子,在
ω2–ω1处由引起的二阶包络电流是:使用表2.5
举另一个例子,由非线性引起的二阶包络电流是:
它结合了二阶输入非线性,输出非线性和输
入输出交叉项的作用,见I-V模型(4.3).
从表2.5中可以看出,相量频率和可能的常量项值的选择取决于音频:例如,
的乘积在2ω1处产生一个音调.上述的相量音调被选中,所以
能在包络频率ω2–ω1产生失真.计算基频ω1和ω2的相量和用
(4.12)-(4.14)式.
4.3.2.2跨导倒数转移函数和二阶电压
接下来,我们需要把不同结点的失真电流转换为失真电压.此处,我们选用了一个象征性的分析,因此很容易得到从结点X和Y到结点Z之间的非线性电流源的转移函数。

大概的想法是:在每个非线性元件中,失真电流的幅度用较低阶的电压相量计算,并使用转移函数,然后在所选择的结点上,所产生的失真电流被转换为失真电压. 转
移函数可从(4.11)中得到,只需将用结点X和Y之间的一个测试电流源代替即可.例如, 转移函数的形式为:
det(s)由(4.15)得到.附件C中给出了一整套转移函数.通过使用这些符号,基极结点处完整的二阶包络电压为:
其中,每一个失真电流源乘以合适的跨导倒数(在基极将电流转换为电压).同时需注意,式中有8个不同的电流源(基中的4个是电热的电流源,用T标识),每一个电流源都有一个等式,类似于(4.17) 或(4.18).
为了解决二次谐波电压,我们需要将需要的谐波的源的电流等式重写,并在相对频率下重新计算(4.20)式.在此步骤之后,基本包络和二次谐波音调是八个。