15 放大器失真匯總

15放大器失真問：我看了你們的放大器產(chǎn)品說明，對失真技術(shù)指標(biāo)我有些弄不懂。有的放大器是用二次和三次諧波失真，另外一些用總諧波失真（THD）或總諧波失真加噪聲（THD+N），還有的用兩個單一頻率互調(diào)失真（IMD）和三階互調(diào)失真，能否請你解釋一下?答：因?yàn)榉糯笃魇菓?yīng)用范圍很廣的常用器件，所以為了滿足應(yīng)用需要不斷研制出一些新的放大器，因而自然會涉及到一些專用指標(biāo)。正如你所指出的那樣，失真可以用各種方法來定義，對于特殊的應(yīng)用，技術(shù)指標(biāo)與用戶對失真的定義有關(guān)。盡管有一些指標(biāo)主要與規(guī)定的頻率范圍和應(yīng)用場合有關(guān)，但還是有一些失真指標(biāo)是相當(dāng)通用的。實(shí)際上存在著一些標(biāo)準(zhǔn)化的基本定義，所以讓我們首先討論一下。諧波失真是這樣度量的：在規(guī)定的電路中，用一個頻譜上是很純的正弦波加到放大器上，然后觀察輸出的頻譜。在輸出端觀察到的失真大小通常與下面幾個參數(shù)有關(guān)：待測放大器在小信號和大信號條件下的非線性、輸入信號的幅值和頻率、放大器輸出端施加的負(fù)載、放大器的電源電壓、印制線路板的布局、接地和電源去耦等。因此你可以看出，任何關(guān)于失真的技術(shù)指標(biāo)如果沒有確切規(guī)定的測試條件是完全沒有意義的。諧波失真的測量可以根據(jù)頻譜分析儀的輸出頻譜，觀察二次、三次、四次…等諧波相對基波信號的幅值來完成。諧波失真通常表示成一個比率，其單位為％，Ppm,dB或dBC。例如00015%的失真相當(dāng)于15ppm或-965dBC。單位dBC僅僅表示諧波電平比“載波”頻率（即基波）低多少dB。諧波失真可以用每一個分量來分別表示（通常僅僅用二次和三次諧波）?；蛘甙阉鼈兯蟹至拷M合成一個方和根（rss），從而給出總諧波失真（THD）為：THD=V22+V23+V24+???V2nVS這里，VS=信號幅值（有效值V）V2=二次諧波幅值（有效值V）Vn=n次諧波幅值（有效值V）在THD中所含的諧波數(shù)目可能是不同的，但通常用前五次諧波就足夠了。你可以看出，在rss算法中，倘若較高階諧波是最大諧波的1/3至1/5，則可忽略該高階項(xiàng)對THD的影響（0 102+0 032=0 0109^010）?？傊C波失真加噪聲（THD+N）表達(dá)式與THD類似，僅在rss式中再加上噪聲Vnoise項(xiàng)，其中Vnoise表示在測量頻帶范圍內(nèi)的噪聲電壓有效值。THD+N=V22+V23+V24+???V2n+V2noiseVS假如在測量頻帶范圍內(nèi)Vnosie是THD或最壞的諧波的幾分之一，顯然應(yīng)該THD+N~THD。假如你只知道THD是毫無用處的，你應(yīng)當(dāng)利用放大器的電壓噪聲和電流噪聲指標(biāo)能夠相當(dāng)精確地計(jì)算出THD+N（還要把與源電阻和反饋網(wǎng)絡(luò)有關(guān)的熱噪聲計(jì)算進(jìn)去）。但是假如噪聲電平有效值比諧波電平有效值明顯地高許多，僅給出THD+N指標(biāo)你還是不能計(jì)算出THD的。在音頻應(yīng)用中為了靈敏地測量噪聲和失真常常使用某些專用設(shè)備。為此首先使用一個帶阻濾波器以濾掉基波信號，這樣就可測量整個規(guī)定帶寬范圍內(nèi)其它所有頻率成分（包括諧波和噪聲）的總有效值，它與基波的比值就是THD+N的技術(shù)指標(biāo)。問：在各種頻率范圍和應(yīng)用過程中如何看失真指標(biāo)?答：最好的方法在頻譜的低頻端開始直到我們所關(guān)心的頻段，以便比較容易理解下面的方法。音頻放大器是開始討論這個問題的最好實(shí)例。這里最好選用音頻帶寬內(nèi)（20Hz?20kHz）低噪聲和低失真的典型器件

（如OP275）。在音頻應(yīng)用中，通常用專用設(shè)備（如AudioPrecisionSystemOne）測量THD+N。在給定的輸入頻率（如1kHz）條件下測量輸出信號的幅度。然后按上面所說的方法用帶阻濾波器濾掉基波信號,測量剩余的頻率成分（包括諧波和噪聲）的有效值。在可測量最高次諧波的帶寬內(nèi)（通常為100kHz）測量諧波和噪聲。在整個頻率范圍內(nèi)對于各種條件進(jìn)行掃描測量，這里給出測得的OP275的THD+N曲線作為頻率的函數(shù)，見圖15 1。信號電平是3V有效值，放大器被接成單位增益跟隨器。應(yīng)注意到THD+N的值為0 0008%，相當(dāng)于8ppm或-102dBC。OP275在1kHz條件下輸入電壓噪聲典型值為6nV/Hz，而在100kHz帶寬范圍Hli囲15-TOP-275的Hli囲15-TOP-275的TT1I>IW三頻率的關(guān)系Of-ITS MVIWlNf*ijiiI附幫nLn煲2k,10k+15V i:! V|N=3V：：! 2圖15 1OP275的THD+N與頻率的關(guān)系內(nèi)積分，則噪聲電壓有效值為1 9MVo對于3V有效值信號，相應(yīng)的信噪比為124dB。因?yàn)門HD要比噪聲電平大得多，所以THD起了主要作用。問：我注意到最近ADI公司推出另一種低噪聲、低失真放大器（AD797），它使用THD指標(biāo)而不用THD+N。實(shí)際指標(biāo)是在20kHz條件下為-120dBo這是什么意思？答：確實(shí)，我們不希望對此產(chǎn)生誤解。失真測量受使用的測量設(shè)備的限制，而有的噪聲甚至比測量設(shè)備本底還低20dB!這里測量AD797的THD是頻率的函數(shù)，見圖15 2。圖巧.2失真測星受測就識備的眼制圖15 2失真測量受測量設(shè)備的限制在使用頻譜分析儀進(jìn)行測量時，在進(jìn)入分析儀之前，首先濾掉基波的正弦波頻率，這是為了防止頻譜分析儀引起的過激勵失真。測量前5次諧波并且按rss形式合成便得到THD圖。圖15 2示出測量設(shè)備的“本底”約為-120dB,因此在頻率低于10kHz時THD值可能更小。為求得噪聲，AD797的電壓噪聲譜密度(InV/Hz)乘以測量帶寬的平方根便可得到器件的本底噪聲有效值。例如對于100kHz帶寬，其本底噪聲有效值為316nV。從而可以計(jì)算出3V有效值的輸出信號對應(yīng)的信噪比為140dB。問：高頻放大器的失真指標(biāo)怎樣?答：由于在高頻時要求增加動態(tài)范圍，所以現(xiàn)在大多數(shù)寬帶放大器都有失真指標(biāo)。產(chǎn)品說明中可能給出二次和三次諧波分量的具體值，或者給出THD。假如定義THD指標(biāo)，也只是前面幾次諧波對結(jié)果起主要作用。所以在高頻條件下分別給出具體的失真分量比給出定義的THD更有用。例如AD9620是600MHz(典型-3dB帶寬)低失真單位增益緩沖器。圖15 3示出AD9620在各種負(fù)載條件下二次和三次諧波失真隨頻率變化曲線?！?￡葫率04山□.￡葫率04山j(luò)-EJDJFlL圖15 3高頻放大器用二次和三次諧波分量的具體值表示失真問：什么是兩個單一頻率互調(diào)分量?它與諧波失真有何差別?答：當(dāng)兩個單一頻率信號都被加到同一個非線性放大器時，由于非線性作用使兩個信號相互調(diào)制，把產(chǎn)生互調(diào)失真(IMD)形成的一些新頻率的輸出功率稱作互調(diào)分量。設(shè)兩個音頻頻率為f1和f2，且f2〉f1，則2階和3階互調(diào)分量具有以下頻率：階：f1+f2,f2-f1階：2f1+f2,2f2+f1,2f2-f1,2f1-f2如果兩個頻率相當(dāng)接近，則差頻形式的3階IMD分量2f2-f1和2f1-f2會出現(xiàn)特別麻煩，因?yàn)槿鐖D154所示，用濾波器濾掉它們是很困難的。注意其它的2階和3階IMD分量大致位于高頻端或低頻端(如果僅對f1和f2鄰近頻率感興趣)，可以把它們?yōu)V掉。兩個單一頻率的互調(diào)失真指標(biāo)在射頻應(yīng)用中特別重要，它主要和通信接收機(jī)的設(shè)計(jì)有關(guān)。IMD分量能夠在有大信號的情況下屏蔽掉小信號。雖然很少對工作在1MHz以下的運(yùn)算放大器規(guī)定IMD，但現(xiàn)在許多直流運(yùn)算放大器都是寬帶型的，它完全能夠工作fflii4當(dāng)蔣個音頻相當(dāng)接近.iftH2G-h和亦一匚狠麗難圖15 4當(dāng)兩個音頻相當(dāng)接近，濾掉2f2-fl和2f1-f2很困難在射頻范圍。因此對于快速運(yùn)算放大器一般都注意IMD指標(biāo)。問：什么是2階和3階交點(diǎn)?它們的含意如何?答：通常它們與射頻的應(yīng)用有關(guān)，這些指標(biāo)提供了表征放大器的IMD性能的質(zhì)量因數(shù)。交點(diǎn)功率越大，使IMD變大的輸入電平越高，所以在給定的信號電平條件下IMD就越低。它是這樣推導(dǎo)出來的：把兩個在頻譜上很純的信號加到同一個放大器上。這里給出（及外推出）單一頻率信號輸出功率（用dBm表示）以及2階和3階分量（相對單一頻率）的相對幅值與輸入信號功率的函數(shù)曲線，見圖15 5。鞭人功率【柑對單一頻書）CdEm）El15.52齡交點(diǎn)，3常交點(diǎn)、塔益壓編和IMD假如你經(jīng)過數(shù)學(xué)分析發(fā)現(xiàn)：如果放大器的非線性可以用一個簡單的冪級數(shù)展開來近以表示，那么輸入信號每增加1dB，2階IMD幅值會增加2dB。同樣，輸入信號每增加1dB，3階IMD幅值會增加3dB。如果從低電平的兩個單一頻率輸入信號開始，并且只取幾個IMD的數(shù)據(jù)點(diǎn)，你就能畫（或外推）出2階和3階IMD的直線，如圖155所示。輸出信號超過一定程度開始逐漸飽和，同時IMD分量明顯增加。假設(shè)你延長2階和3階IMD直線，它們將與輸出輸入直線的延長線相交，這2個交點(diǎn)被稱為2階交點(diǎn)和3階交點(diǎn)（secondandthirdorderinterceptpoints）。與這些交點(diǎn)相對應(yīng)的投影在縱軸上的輸出功率值通?？蔀榉糯笃鬏敵龉β侍峁┗鶞?zhǔn)，用dBm表示。因?yàn)橐阎?階IMD的幅值斜率（3dB/dB）,假如它的交點(diǎn)也知道，那么可以估計(jì)出任何輸入（或輸出）電平的3階IMD分量。對于高階交點(diǎn)，直線向右移（斜率相同），圖15.5中示出的是對于給定輸入電平對應(yīng)較低的3階分量。許多射頻混頻器和放大模塊都有50Q的輸入和輸出阻抗。輸出功率就是器件傳輸?shù)?0Q負(fù)載上的功率。輸出功率可以這樣計(jì)算：輸出電壓有效值VO的平方除以負(fù)載電阻RL。輸出功率換算為dBm形式的公式為:輸出功率=10log10V20RLlmWdBm另一方面，由于運(yùn)算放大器輸出阻抗很低，所以對于大多數(shù)的射頻應(yīng)用來說，必須把運(yùn)放的輸出作為信號源接到負(fù)載端。按照上述公式通過計(jì)算可以看出實(shí)際運(yùn)放輸出功率必須比傳輸?shù)截?fù)載上的功率高3dB在這類應(yīng)用中習(xí)慣上根據(jù)實(shí)際傳輸?shù)?0Q負(fù)載上的功率而不是用實(shí)際運(yùn)算放大器的輸出功率來定義IMD分量。另一個值得感興趣的參數(shù)是1dB壓縮點(diǎn)（1dBcompressionpoint），見圖15 5。在這點(diǎn)輸出信號已開始受到限制并且相對理想的輸入輸出曲線衰減1dB。圖15 6是AD9620緩沖放大器的3階交點(diǎn)功率（third orderinterceptpower）與輸入頻率的關(guān)系曲線。圖中的數(shù)據(jù)用來近似表示在各種頻率和信號電平下3階互調(diào)分量的實(shí)際值。S156交點(diǎn)功率與輸人頻率的關(guān)系圖m（交點(diǎn)功率與輸入頻率的關(guān)系TOC\o"1-5"\h\z15 6假設(shè)運(yùn)算放大器輸出信號是以頻率20MHz峰峰值2V加到100Q負(fù)載（其中50Q是放大器輸出阻抗，50Q是負(fù)載）。所以加到50Q負(fù)載上的電壓是IV峰峰值，功率為c=山,對應(yīng)+4dBm。3階交點(diǎn)在20MHz2 5mW時從圖心〈查得是+40dBm。這里可采用圖解法，如圖所示。對一個輸出為+4dBm的信號，315 6 15 7階IMD分量，根據(jù)從交點(diǎn)畫出的斜率為3的外推直線，得到-6dBm或者比信號低72dBm。這個分析假定了運(yùn)放失真可以用簡單的冪級數(shù)展開來表示。遺憾的是運(yùn)算放大器并非始終可以用這種簡單方式（尤其在高頻時）來表示，所以3階交點(diǎn)指標(biāo)主要是用來表示質(zhì)量因數(shù)，而不能代替測量。

EdC/dB