技术博客 I 3D-IC 以及传热模型的重要性

本文要点：“谐波失真”通常表示在时域中观察到的波形失真。谐波失真可从功率谱或时域波形中观察到，有多种表现形式。不同形式的非线性会产生不同类型的谐波失真。任何模拟信号只要存在一定程度的非线性，都会产生谐波失真。模拟信号失真时，信号在时域中的外观会发生变化，表现为波形压缩或完全偏移。谐波模拟信号中的谐波失真已是老生常谈，但调制信号或方波/锯齿波中也明显存在各类谐波失真，其中一个常见的例子是功率放大器，它们在运行时通常接近饱和点。谐波失真对信号的影响取决于产生失真的元件，甚至是信号的测量方式。那么问题来了，如何厘清信号中谐波失真的类型？有没有方法直接测量或计算？本文将举例介绍不同类型的谐波失真，以及产生的原因。 谐波失真类型一般来说，通过观察波形，可以发现五种类型的谐波失真：振幅失真频率失真相位失真互调失真交叉失真除了非线性产生的非线性失真外，上述类型的谐波失真只出现在宽带信号或离散频率相加的信号上。1振幅失真与频率失真 这两个术语有时会互相替代，但一般所指并非同类。二者在时域上看似相似，但在频域上却完全不同。在时域测量中，振幅失真与频率失真区别如下：振幅失真：当电路或设备产生的输出信号的幅值是输入幅值的非线性函数时，就会出现这种情况。振幅失真是由非线性引起的，可以在谐波信号或宽带信号中观察到。这种现象有时被称为削波失真，因为它发生在饱和器件（如放大器）中。 由于饱和，振幅失真通常表现为削波频率失真：当电路或设备导致输入信号中不同频率器件的电压/电流发生不同程度的变化时，就会出现频率失真。频率失真只能在宽带信号中观察到。当伯德图的幅值为非线性时，滤波器通常会出现频率失真。 伯德图中幅值曲线的形状会导致宽带信号中出现频率失真在实际器件中，振幅失真可能只在特定频率范围内产生；为了加以区分，这种现象可称为“非线性频率失真”，此时还应该说明非线性在实际器件和电路中的重要性。2相位失真 当滤波器的传递函数（伯德图）的相位是频率的非线性函数时，滤波器就会产生相位失真。此时输出波形会出现失真，但不一定是因为波形出现了削波或其他幅值效应，而是因为群速度和相速度不是恒定值，因此组成信号的不同频率会以不同的速度传播。 伯德图相位曲线中的非线性区域会因色散而产生相位失真3互调失真 当频率调制信号或其他宽带信号馈入非线性器件时，会出现互调失真。具体来讲，当输入接近饱和状态时，互调失真就会常见于功率放大器，此时，构成输入信号的离散频率相加会产生和/差谐波。最突出的一组和/差谐波是三阶互调。这些谐波最有可能出现在放大器的线性输入区，且最接近输入信号功率谱的频带边缘。在时域中，互调失真表现为频率略高于输入信号载波频率的低振幅噪声。4交叉失真 在推挽式晶体管放大器中，特别是在使用三极管（Bipolar Junction Transistor，BJT）的放大器中，信号可能会出现交叉失真。当一对晶体管中有一个进入截止区时，输出信号会短暂降至零，此时就会发生交叉失真。实际上，当输入信号处于低电平时，放大器中的两个晶体管都没有开启，因此即使输入信号不为零，输出信号也为零。下面是一个简单的时域示例。 推挽（B 类）放大器中的交叉失真如何发现谐波失真在测量或仿真中很容易发现上述类型的谐波失真：只需比较相关器件或电路的输入和输出信号即可。如果两者在时域和频域上不是线性函数关系，则说明存在某种失真。在设计阶段，仿真工具可以让电路中可能出现的谐波失真问题无处遁形。在设计低失真的真实器件系统时，Cadence 的系统分析工具集可以帮助设计人员发现信号中的各类谐波失真，从而采取有效措施。PSpice 仿真工具可用于生成所需的仿真，识别和优化低谐波失真电路，并利用内置建模应用对实际电路进行仿真。来源：Cadence楷登