IMD3

ist die Intermodulationsverzerrung dritter Ordnung und ein Kriterium zur Beurteilung der Linearität von Verstärkerstufen bei Großsignal Aussteuerung.
Linear-Endstufen, die es nur in der Theorie gibt, werden in der HF- und NF-Technik eingesetzt.
Mathematisch gesehen entstehen diese Verzerrungen durch den nicht linearen Charakter der aktiven Bauelemente, der dazu führt, dass neue Frequenzkomponenten entstehen, die nicht im ursprünglichen Eingangssignal vorhanden waren.

Werden zwei Sinussignale mit den Frequenzen f1 und f2 in einen Verstärker eingespeist, erzeugen die nicht linearen Kennlinien der Bauteile zusätzliche Frequenzkomponenten nach einer Taylor-Reihenentwicklung:
Uout = a1 Uin + a2 Uin ^2 + a3 Uin^{^3} + usw.

Für den kubischen Term ergibt sich nach Einsetzen von Uin und entsprechender trigonometrischer Zerlegung die Intermodulationsprodukte:
2f1 – f2 und 2f2 – f1, die aufgrund der kubischen Nichtlinearität dominieren und spektral nahe den Eingangsfrequenzen f1, f2, liegen, besonders stören und nicht durch Filter zu beseitigen sind.

Der IMD3 ist abhängig von der Aussteuerung der nicht linearen Kennlinie, wie auch der dynamische Innenwiderstand vom Stromflusswinkel abhängig ist und keine konstante Größe, was besonders bei einer Leistungs-Reduzierung beachtet werden muss. Wird die Ansteuerung reduziert ändern sich sämtliche HF-Parameter der Endstufe incl. der notwendigen Arbeitspunktanpassung, der auch noch von der Temperatur der Bauteile abhängig ist.

Zur Verringerung des IMD3 wurden Gegentakt-Stufen, die durch ihre symmetrische Betriebsweise einige nicht lineare Verzerrungen vermindern, da sich die ungeradzahligen Terme der Taylor-Reihe gegenseitig aufheben.
Dazu gehören auch die Verwendung von Si -Transistoren, GaAs- oder auch GaN-Bauelemente in Parallelschaltung mit ausgesuchten, gleichen Kennlinien.

Heute werden digitale Techniken – Predistortion – eingesetzt. Dabei wird das Ausgangssignal analysiert und dem Eingangssignal ein inverses Verzerrungsmuster hinzugefügt und so die spektrale Reinheit des Signals erheblich verbessert.

Zur Bewertung von IMD3 wird der „Third-Order-Intercept Point“ verwendet. Dies ist ein theoretischer Punkt, der aus der Schnittstelle der Extrapolation der Verstärkungsgerade des gewünschten Signals und der Intermodulationsprodukte berechnet wird. Der TOI gibt Auskunft darüber, wie ein System starke Signalen verarbeitet, und wird in dBm angegeben.

Zur Bestimmung der IMD3 werden zwei unkorrelierte Sinussignale über einen Powersplitter in die Endstufe eingespeist und das Ausgangssignal als Funktion der Aussteuerung mit einem Spektrum Analysator untersucht. Der IMD3 ist dann der 10er Logarithmus der Leistungen des IMD3 Produktes zur Leistung des eingespeisten Signals. Gemessen wird an einer genau definierten reellen Last und ist dann nicht identisch mit dem IMD3 im aktiven Betrieb mit frequenzabhängigen Lasten. Hier hilft nur die moderne digitale Technik mit der Predistortion.

Wer mehr wissen will, sei auf die Beiträge: „Messungen an Leistungsstufen“ und „Leistungsstufen im KW Bereich“ verwiesen.
IMD3 Erkenntnisse können leicht mit dem Programm LTspice erworben werden.

Dr. Walter Schau, DL3LH