Die Intermodulationspunkte (IP) sind wichtige Spezifikationen zur Beurteilung der Linearität elektronischer Geräte. In diesem Artikel wird erklärt, was IPn sind und wie sie mit Eingangs-/Ausgangsleistungen und Verstärkungswerten zusammenhängen. Insbesondere liegt der Fokus auf dem IP3, da es die wichtigste Kennzahl für die Bewertung der Linearität von empfindlichen Geräten ist.
Warum ist Linearität so wichtig?
Die Reproduktion idealer mathematischer Funktionen ist ein Hauptziel vieler elektronischer Geräte. Ein einfaches Beispiel ist der Widerstand, der eine lineare Beziehung zwischen Spannung und Strom (VI) aufweisen soll. In der Realität existieren jedoch Abweichungen von der idealen Kurve aufgrund von Gerätelimitierungen und -unvollkommenheiten. Besonders bei großen Signalen oder variablen Umgebungsbedingungen wie Temperatur und Druck treten diese Nichtlinearitäten auf.
Nichtlinearitäten können zu Interferenzen, Signalverzerrungen und sogar zum Ausfall oder zur Zerstörung des Geräts führen. Daher ist es wichtig, dass ein Gerät so linear wie möglich ist, um diese Effekte zu minimieren.
Messung der Linearität
Um die Linearität eines Geräts zu messen, gibt es verschiedene Parameter und Methoden, je nach Art der Signale und ihres dynamischen Bereichs. Ein wichtiges Maß ist der -1dB-Kompressionspunkt (CP-1dB), der angibt, wie stark ein Gerät von der idealen linearen Antwort abweicht. Weitere Parameter sind der Kompressionsdynamikbereich (CDR), der Störfreie Dynamikbereich (SFDR), der Desensibilisierungsdynamikbereich (DDR) und die Interzeptpunkte (IPn).
Da alle diese Parameter die Linearität eines Geräts anzeigen, besteht ein Zusammenhang zwischen ihnen. In diesem Artikel konzentrieren wir uns jedoch hauptsächlich auf die Interzeptpunkte, insbesondere IP3, da sie am meisten über die negativen Auswirkungen von Nichtlinearitäten auf nützliche Signale aussagen.
Nichtlinearität verursacht Harmonische und Intermodulationen (IMn)
Um zu verstehen, wie Nichtlinearitäten zu Signalverzerrungen führen, betrachten wir eine allgemeine elektronische Funktion. Signale x und y repräsentieren die Eingangs- und Ausgangsleistungen und A ist die Transferfunktion zwischen ihnen (z.B. die “Verstärkung” bei einem Verstärker). In einer idealen linearen Funktion würde der Ausgang y eine proportional Abbildung des Eingangs x sein.
In der Praxis weicht die Transferfunktion jedoch vom idealen linearen Verhalten ab, insbesondere bei großen Signalen. Dieses Phänomen wird als Nichtlinearität bezeichnet. Nichtlinearität führt zur Erzeugung von Harmonischen und Intermodulationsprodukten (IMn), die unerwünschte Frequenzen im Ausgangssignal erzeugen.
Je stärker die Nichtlinearitäten sind, desto mehr Harmonische und Intermodulationsprodukte werden erzeugt. Diese unerwünschten Frequenzen können Interferenzen in den gewünschten Signalbändern verursachen und die Leistung des Systems beeinträchtigen.
Intermodulation (IM) und Interzeptpunkt (IP)
Um die Messung der Intermodulation zu vereinfachen, werden Interzeptpunkte (IP) verwendet. IPn sind virtuelle Punkte, die durch den Schnittpunkt von linearen und nichtlinearen Kurven entstehen. Der IP3 ist der wichtigste Interzeptpunkt und gibt an, wie gut ein Gerät lineare Signale verarbeiten kann.
IPn sind virtuelle Punkte, da das Gerät lange vor Erreichen dieser Punkte in die Sättigung geht. Daher müssen IPwerte anhand von Messungen mit geringeren Signalamplituden extrapoliert werden.
Die Messung von IP3 erfolgt normalerweise mit einem Spektrumanalysator, indem zwei unabhängige Frequenzquellen verwendet werden. Die Ausgangssignale werden dann analysiert, um die Harmonischen und Intermodulationsprodukte zu identifizieren. Anhand dieser Messungen können die IP3-Werte berechnet werden.
Kaskadierte IPn
Wenn mehrere Geräte in Reihe geschaltet werden, ergibt sich der Gesamtgewinn aus der Multiplikation der Einzelverstärkungen. Das Verhältnis der IPn-Werte bleibt dabei erhalten. Daher kann der IP3-Wert für das gesamte System berechnet werden, indem die IP3-Werte der einzelnen Geräte addiert werden.
-1dB-Kompressionspunkt (CP1 oder CP1dB)
Der -1dB-Kompressionspunkt ist ein weiterer Parameter zur Messung der Nichtlinearität eines Geräts. Er gibt den Punkt an, an dem die tatsächliche Ein-Ausgangs-Kennlinie um 1dB von der linearen Asymptote abweicht. Der CP1 ist eng mit dem IP3-Wert verbunden, es besteht jedoch keine strenge Beziehung zwischen ihnen.
In der Praxis kann der CP1-Wert verwendet werden, um die Leistungsfähigkeit eines Geräts zu beurteilen. Ein niedrigerer CP1-Wert deutet auf eine höhere Nichtlinearität hin.
Fazit
Die Messung und Bewertung der Linearität von elektronischen Geräten ist von entscheidender Bedeutung, insbesondere bei empfindlichen Anwendungen. IP3 und CP1 sind wichtige Parameter zur Bewertung der Linearität und Nichtlinearität. Durch das Verständnis dieser Konzepte können Ingenieure die Leistungsfähigkeit von Geräten bewerten und optimieren, um die gewünschte Linearität zu erreichen.
