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          放大器失真詳細介紹

          作者: 時間:2010-01-12 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          問:我看了你們的產(chǎn)品說明,對技術(shù)指標(biāo)我有些弄不懂。有 的放大 器是用二次和三次諧波,另外一些用總諧波(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?

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/188401.htm

          答:因為是應(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,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15 ppm 或-965 dBC。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?分量組合成一個方和根(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,則可忽略該高階項對THD的影響( 0102+0032=00109≈010)。
          總諧波失真加噪聲(THD+N)表達式與THD類似,僅在rss式中再加上噪聲V noise 項,其 中V noise 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+V2 noise VS
          假如在測量頻帶范圍內(nèi)V nosie 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)的熱噪聲計算進去)。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例。這里最好選用音頻帶寬內(nèi)(20 Hz~20 kHz) 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Audio Precisio n System One)測量THD+N。在給定的輸入頻率(如1 kHz)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100 kHz)測量諧波和噪聲。在整個頻率范圍內(nèi)對于 各種條件進行掃描測量,這里給出測得的OP275的THD+N曲線作為頻率的函數(shù),見圖151 。
          信號電平是3 V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00008%, 相當(dāng)于8 ppm或-102 dBC。OP275在1 kHz條件下輸入電壓噪聲典型值為6 nV/Hz ,而 在100 kHz帶寬范圍

          a1501.gif (61371 字節(jié))

          圖151 OP275的THD+N與頻率的關(guān)系
          內(nèi)積分,則噪聲電壓有效值為19 μV。對于3 V有效值信號,相應(yīng)的 信噪比為124 dB。因為THD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(AD 79 7),它使用THD指標(biāo)而不用THD+N。實際指標(biāo)是在20 kHz條件下為-120 dB。這是什么意思?
          答:確實,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20 dB!這里測量AD797的THD是頻率的函數(shù),見圖152。

          a1502.gif (68895 字節(jié))
          圖152 失真測量受測量設(shè)備的限制

          在使用頻譜分析儀進行測量時,在進入分析儀之前,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1 52示出測量設(shè)備的“本底”約為-120 dB,因此在頻率低于10 kHz時THD值可能更小。
          為求得噪聲,AD797的電壓噪聲譜密度(1nV/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100 kHz帶寬,其本底噪聲有效值為316 nV。從而可以 計算出3 V有效值的輸出信號對應(yīng)的信噪比為140 dB。

          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600 MHz(典型-3 dB帶寬)低失真單位增益緩沖器。圖153示出 AD9620在各種負載條件下二次和三次諧波失真隨頻率變化曲線。

          a1503.gif (59471 字節(jié))


          圖153 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:
          2階:f1+f2,f2-f1
          3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,因為如圖154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I MD 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的設(shè)計有關(guān)。I MD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1 MHz以下的運算放大器 規(guī)定IMD,但現(xiàn)在許多直流運算放大器都是寬帶型的,它完全能夠工作


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