On the dynamic nonlinearity characterization for ultra-wideband devices
Abstract
It is shown that the known system of characteristics obtained for ultra-wideband nonlinear dynamical devices in the form of characteristic functions of a nonlinear recursive filter does not ensure a separate representation of the static and dynamic nonlinearity of the device. A new characteristic of the dynamic nonlinearity for ultra-wideband devices is proposed, which is defined as the ratio of the capacitive element charge to the current through the resistive element (according to the equivalent circuit of the filter). It is demonstrated that dividing the charge of the capacitive element by the dependence of the resistive current on the output voltage eliminates the effect of the static nonlinearity of the device on the proposed dynamic nonlinearity characteristic. In its meaning, this characteristic of dynamic nonlinearity approximately corresponds to the time constant of the RC -circuit equivalent to the device. It has been analytically shown that at the absence of nonlinear distortions in the object’s dynamical (memory) subsystem, the time constant of the equivalent RC -circuit does not depend on the output voltage of the object. Such characteristic allows simple normalization and observation of small nonlinear distortions in a wide range of signal amplitudes. The application of the proposed characteristic of dynamic nonlinearity is demonstrated on the example of a three-stage power amplifier. It is shown that for the selected example, the separately characterized dynamic nonlinearity has a value comparable to the static nonlinearity.
- dynamic nonlinearity
- ULTRA-wideband devices
- nonlinear recursive filters
- transient responses
Аннотация (на русском)
О характеризации динамической нелинейности сверхширокополосных устройств
Показано, что в известной системе характеристик сверхширокополосных нелинейно-инерционных устройств, получаемой в виде характеристических функций нелинейного рекурсивного фильтра, не обеспечивается раздельное представление статической и динамической нелинейности устройства. Предложена новая характеристика динамической нелинейности сверхширокополосных устройств, которая определяется как отношение заряда емкостного элемента в эквивалентной схеме фильтра к току через резистивный элемент. Продемонстрировано, что деление заряда емкостного элемента на зависимость резистивного тока от выходного напряжения исключает воздействие статической нелинейности устройства на предложенную характеристику динамической нелинейности. По смыслу данная характеристика динамической нелинейности примерно соответствует постоянной времени эквивалентной устройству RC -цепи. Аналитически показано, что при отсутствии нелинейных искажений в инерционной подсистеме объекта постоянная времени эквивалентной RC -цепи не зависит от выходного напряжения объекта. Такой вид характеристики допускает простое нормирование и наблюдение малых нелинейных искажений в широком диапазоне амплитуд сигналов. Практическое применение предложенной характеристики динамической нелинейности продемонстрировано на примере трехкаскадного усилителя мощности. Показано, что в выбранном примере отдельно характеризуемая динамическая нелинейность имеет величину, сопоставимую со статической нелинейностью.
For citation
Semyonov E.V., Nazarov M.A., Poltorykhin K.M. On the dynamic nonlinearity characterization for ultra-wideband devices // Journal of Radio Electronics. – 2025. – No. 1. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.1.12
References
- Семенов Э.В. Моделирование влияния нелинейно-инерционных искажений в тракте основной частоты цифровых систем связи на целостность сигналов // Российский форум "Микроэлектроника 2024" / Сборник тезисов 10-й Научной конференции "ЭКБ и микроэлектронные модули". Сочи, Научно-технологический университет "Сириус", 23-28 сентября 2024 г. - М.: ТЕХНОСФЕРА, 2024. - С. 159-160.
- Root D.E., Verspecht J., Sharrit D., Wood J., Cognata A. Broad-band poly-harmonic distortion (PHD) behavioral models from fast automated simulations and large-signal vectorial network measurements // IEEE Transactions on Microwave Theory Techniques. - 2005. - Vol. 53, No. 11. - P. 3656-3664. https://doi.org/10.1109/TMTT.2005.855728.
- Arnstein D.S., Vuong X.T., Cotner C.B., Daryanani H.M. The IM microscope: a new approach to nonlinear analysis of signals in satellite communications systems // COMSAT Technical Review. - 1992. - Vol. 22, No. 1. - P. 93-123. - URL: https://www.artelllc.com/wp-content/uploads/T3-3-WhitePaper-XTV-Spring-1992-IM-Microscope.pdf (дата обращения 04.11.2024).
- Semyonov E.V. Synthesis of behavioral models for circuits with nonlinearity less than model error // IEEE Transactions on Circuits and Systems II. Express Briefs. - 2023. - Vol. 70, No. 6. - P. 2216-2220. https://doi.org/10.1109/TCSII.2022.3231873.
- Семенов Э.В. Анализ состава нелинейных искажений при видеоимпульсных воздействиях с применением поведенческих нелинейных моделей электрических цепей // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. - 2022 - Т. 25, № 2. - С. 29-39. https://doi.org/10.32603/1993-8985-2022-25-2-29-39.
- Pedro J. C., Maas S. A. A comparative overview of microwave and wireless power-amplifier behavioral modeling approaches // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. - 2005. - Vol. 53, No 4. - P. 1150-1163. https://doi.org/10.1109/TMTT.2005.845723.
- Semyonov E.V. Simple behavioral model of baseband pulse devices in the form of a second-order nonlinear recursive filter // IEEE Transactions on Circuits and Systems II. Express Briefs. - 2021. - Vol. 68, No. 6. - P. 2192-2196. https://doi.org/10.1109/TCSII.2020.3048819.
- Назаров М.А., Семенов Э.В. Поведенческие модели сверхширокополосных устройств и их характеризация. - Томск: Изд-во Томск. гос. ун-та систем упр. и радиоэлектроники, 2023. - 74 с.
- Назаров М.А., Семенов Э.В. Минималистичная система характеристик нелинейных видеоимпульсных устройств и ее измерение // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. - 2023. - Т. 26, № 4. - C. 123-132. https://doi.org/10.32603/1993-8985-2023-26-4-123-132.