RF Amplifikatörlerinde IP2 ve IP3'ün Belirlenmesi

RF alıcı için sinyal yükseltici yaptığınızda sadece sinyali mi yükseltiyorsunuz yoksa gürültü de mi yükseliyor, ne dersiniz bunu merak etmiyor musunuz? Ne nasıl oluyor okumak için bu yazıyı kaçırmayın!

1 – Yüksek frekans amplifikatörleri

RF (Radio Frequency) amplifikatörleri elektronikçilerin ve amatör radyocuların herzaman ilgisini çekmiştir ve çekmektedir. Hepimiz en azından bir iki tane yapıp alıcımızın veya televizyonun girişine takıp deneyler yapmısınızdır. Bu amplifikatörler sadece sinyali güçlendiriyor mu? Yoksa sinyale bazı şeyler ekliyor mu? Bu sorular belki aklınıza gelmiştir.

RF alanında genelde iki amplifikatör türü vardır, bunlar:

– Küçük sinyal amplifikatörleri (small signal amplifiers)
– Büyük signal amplifikatörleri (large signal amplifiers)

Küçük sinyal amplifikatörleri genelde alıcılarda giriş amplifikatörü olarak kullanılmaktadır. Bu amplifikatörlerin yükselttiği sinyaller gerçekten düşüktür, örneğin 10dBuV ile 100dBuV arası. Bu tür amplifikatörler LNA (Low noise Amplifier) olarak bilinir.

Büyük sinyal amplifikatörleri adı üzerinde olduğu gibi sadece amplitudu büyük olan sinyalleri yukseltmek için kullanılırlar. Bu amplifikatörler bildiğimiz çıkış katlarıdır, yani power amplifier olarak bildigimiz katlardır.

Bu iki tur amplifikatör arasındaki önemli bir fark vardır. Amplifikatörü tasarlarken küçük sinyal amplifikatörü için data sheet�te bulduğumuz S-parametrelerini kullanabiliriz. Yüksek sinyal amplifikatörleri için bu geçerli değildir. Burada sadece küçük sinyal amplifikatörlerine bakıp IP2 /IP3 parametrelerini belirliyeceğiz.

RF amplifikatörlerinde bilmemiz gereken parametreler

RF amplifikatörlerini bir kara kutu (black box) olarak tanımlıyabiliriz. Bu kutunun içinde neler olduğunu ve tam olarak ne görev yaptığını öğrenebilmek için amplifikatörlerde kullanılan belirli parametreleri bilmemiz gerek. Bu parametreler şunlardır:

– NF (Noise Figure), Amplifikatörün gürültü oranı, genelde dB ile belirtilir, örneğin NF=3dB.
– CP_1dB ( 1dB Compression Point). Bu 1dB notasi amplifikatörün giriş sinyalinin belirli bir noktaya yükseldiği an çıkış sinyalinin yükseltmediğini hatta 1dB zayıfladığını belirtir. 
– IP₂/IP₃ (Intercept Point, 2�ci ve 3�cü mertebe). Bunu detaylı olarak ileride açıklıyacağım.
– Giriş/Çıkış VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)
– Gain (amplifikatörün sinyali güçlendirdiği oran, dB)

Bu parametreleri ölçebilmek için gereken cihazlar şunlardır :

– Spectrum analyzer / Network analyzer
– RF sinyal jeneratorü
– VSWR köprüsü
– Power combiner
– Noise source veya Noise meter

Bu yazıda IP₂ ve IP₃�ün nasıl ölçüldüğünü göreceğiz, bunun için sadece spectrum analyzer, power combiner ve iki tane sinyal jeneratorü lazım. Eğer bu cihazlar yoksa simülasyon programları ile amplifikatörün IP2 ve IP3 değerleri belirli noktaya kadar belirlenebilir. Simulasyon programlarında kullanılan modeller çok önemlidir, modeller yanlış veya yarım olduğu sürece simulasyondan aldığımız sonuçlar dogru değildir.

2 � IP₂ ve IP₃ nedir?

Yüksek frekans amplifikatörleri genelde bir veya birden fazla transistor basamağından oluşur. Bu transistorler belirli noktaya kadar lineer olarak çalışırlar. Lineer olarak çalıştığı alan beyz akımı ve kolektor/emiter voltajına bağlıdır. Beyz akımı amplifikatörlerde çok büyük rol oynamaktadır, çünkü bu akım amplifikatörün gürültü oranını etkiler. Transistorlerin lineer olmadığını ve amplifikatörün girişinde yüksek genlikli sinyallerin olduğunu kabul edelim. Bu durumda amplifikatördeki transistörler girişteki sinyallerin şekillerini bozacaktır ve başka sinyaller üretecektir. Bu olaya IMD (InterModulation Distortion) adı verilir. IMD olayını belirliyebilmek için IP₂ (Intercept Point) ve IP₃ parametrelerini ölçmemiz gerekir.

Şekil-1 IP3 parametresinin oluşumu

Şekil-1�de IP₃'un nasıl oluştuğunu gosteriyor, IP₂ ise buna benzer. Giriş sinyali (fundamental) yükseldikçe amplifikatörün içinde oluşan harmonic sinyallerde (2�ci ve 3�cü mertebeli) yükselir. Burada 3�cü mertebeli sinyale bakıyoruz çünkü bu harmonic sinyal daha çabuk yükseliyor. Giriş 1 dB ile yükselirse 3�cü mertebeli harmonik 3dB ile yükseliyor. Belirli bir noktada giriş sinyali ve harmonic sinyal bir birine eşit olacaktır, Bu noktaya IP3 diyoruz. Bu durumda giriş sinyali amplifikatörün içinde oluşan harmonic sinyal tarafından bastırılacaktır. Bu noktaya ulaşmadan önce çıkış sinyali giriş sinyalini takip etmeyi bırakıp deger kabedecektir. Sekil-1�de bu değer kaybını görebiliyoruz, çıkıştaki değer kaybı 1dB�ye ulaştığı noktaya CP1dB  (Compression Point) noktası diyoruz. Bu noktadan sonra amplifikatör boğulmuş durumdadır.

IP₂ ve IP₃ değerleri bize amplifikatörün yüksek amplitüdlü (genlikli) sinyallerle başa çıkıp çıkamadığını gösterir. Bir alıcının giriş katında bulunan amplifikatör için bu değerler çok önemlidir. Kısa dalgada bazen sinyaller çok yüksek olabiliyor, böyle bir durumda giriş amplifikatörü boğulup ve sinyal şeklini bozup harmonikler oluşturursa, o zaman amplifikatörün ne kadar kaliteli olduğunu anlarsınız. IP₂ ve IP₃ değerlerinin yüksek olması gerek, yüksek olduğu sürece amplifikatörün boğulması ve hormonik oluşturması çok çok azalır.

Bazı amplifikatörlerin data sheet�lerine baktığımızda IP yerine OIP görürüz. Bu OIP (output Intercept Point) amplifikatörün çıkışında ölçülen bir değerdir ve çoğu zaman yanıltıcıdır. Bu değerler normalden yüksektir çünkü çıkışta ölçüldüğünde amplifikatörün Gain (kazanç) oranı da hesaba katılıyor. Bu nedenle IP (Giriş) ve OIP (çıkış) arasındaki fark büyüktür. Önemli olan giriş parametresidir, çünkü ne olursa burada oluyor. IP değerleri dBmW veya dBuV olarak belirtiliyor. İlerki bölümde bu değerlerin pratikte nasıl ölçüldüğünü göreceğiz.

3 � IP2 ve IP3 ölçme methodu

Bu iki parametreyi ölçmek gayet basit, tabii gereken cihazlar olduğu sürece. Burada IP₃�ün nasıl ölçüldüğünü göstereceğim, IP₂ ise bunun aynısı, sadece formül başka. Bu method�da iki tane sinüs şeklinde olan RF sinyali kullanıyoruz. Bu sinyallerin genlikleri de gayet büyük, ama amplifikatörün girişini kapatmayacak kadar küçük, eğer sinyaller cok yüksek olursa ölçüm yanlış olur. Bu iki sinyal amplifikatörde 2�ci ve 3�cü seviyeli harmonik oluşturuyor. Bu sinyallerin hangi frekansda olduğu aşağıdaki formüllerle hesaplıyabiliriz. Şekil-2 detaylı bir şekilde gösteriyor.

IP₂

Fa = F2-F1
Fb = F2+F1

IP₃

Fa = 2.F1 � F2
Fb = 2.F2 � F1

Şekil-2   F1 ve F2
giriş sinyalleri, P ise giriş sinyalinin gücü, D ise giriş ile harmonikler arasındaki güç farkı.

Pratikte nasil ölçebileceğimiz şekil-3�de detaylı olarak verilmiştir.

Şekil-3 IP2/IP3 ölçme methodu

Burada SG-1 ve SG-2 sinyal jeneratorleri, artı ile gösterilen şekil ise power combiner. D.U.T. (Device Under Test) ise ölçmeye hazır olan amplifikatör. Amplifikatörün çıkışı direk olarak spectrum analyzer�a gidiyor. Bir örnek ile nasıl ölçüldüğünü anlatmaya çalışacağim, IP3�u örnek olarak alıyorum ve sinyalleri 2 metre bandına (144-146 Mhz) düşecek şekilde seçeceğim.

F1 = 145,2MHz
F2 = 145,8MHz
Giriş sinyalinin gücü 80dBuV, F1 ve F2�nin gücü combiner�in çıkışından ölçüldüğünde eşit olması lazım !!!!

Fa = 2.145,2 � 145,8 = 290,4 � 145,8 = 144,6MHz
Fb = 2.145,8 � 145,2 = 291,6 � 145,2 = 146,4MHz

Dikkat edilirse Fa 2 metre bandının içine düşüyor, bu harmonik yükseldikçe yan kanalları bastıracaktır.

Şimdi amplifikatörden çıkan sinyale spectrum analyzer ile baktığımızda aynı sekil-2 gibi bir görüntü göreceğiz. Burada F1 ve F2�nin değerlerini okuyup Fa veya Fb ile arada olan Deltayı hesaplıyacağız. Diyelim ki F1 ve F2�nin değeri 95dBuV, Fa ve Fb ise 30dBuV. Delta o zaman:
D = 95-30 = 55dBuV
Şimdi gelelim en önemli formüle:

IP2 = P + Delta
IP3 = P + (Delta/2)

P : Giriş sinyalinin gücü (bu örnekte 80dBuV )

IP2 = 80 + 55 = 135dBuV
IP3 = 80 + (55/2) = 107,5dBuV (Bu değer giriş için ve çıkış için değildir !)

Pratikte en çok önem IP3�e veriliyor çünkü bu amplifikatörlerde en hızlı gelişen harmonik sinyali. IP3 değerini bulduktan sonra amplifikatörün CP1dB noktasını da hesaplıyabiliriz, bu şekil-1�de verilen noktadır.

Input CP_1dB = Input IP3 � 9.6dB
Input CP_1dB  = 107,5 � 9.6 
Input CP_1dB  = 97,6 dB

Burada görüldüğü gibi amplifikatörün giriş sinyali 97,6dB�yi geçtiği anda çıkışı 1dB ile zayıflıyor. Bu noktadan itibaren amplifikatörün içinde 2�ci ve 3�cu mertebeden harmonik sinyalleri oluşmaya başlıyor.

IP₂ ve IP₃ değerleri mümkün oldukça yüksek olması gerekmektedir. Pratik bu kolay bir iş değildir çünkü yüksek IP₂ ve IP₃ için beyz akımını yükseltmemiz gerekiyor. Beyz akımı yükseldiğinde amplifikatörün gürültü oranı da hızlı bir şekilde yükselir. Görüldüğü gibi bir parametreyi düzeltirsek diğeri kötüleşiyor. Bu nedenle amplifikatör yapımında ne için kullanılacağı çok önemlidir. TV ve radyo alıcılarında genelde düşük gürültü oranı ve orta dereceli IP2 ve IP seçilir. Yüksek sinyalli alanlarda, mesela kablo TV sistemleri, amplifikatörün lineer olmasına daha çok önem verilir ve gürültü oranı normalden biraz yüksektir. Kısaca, her amplifikatör kullanıldı iş için design edilmesi gerek yoksa performans çok düşük olur ve alıcıyı olumsuz şekilde etkiler.

Yilmaz Kalafat, PE1PYJ
Singapore, 30-11-2003