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放大器失真详细介绍

发布时间:2020-06-30 22:45:24 阅读: 来源:跳绳厂家

问:我看了你们的放大器产品说明,对失真技术指标我有些弄不懂。有 的放大 器是用二次和三次谐波失真,另外一些用总谐波失真(THD)或总谐波失真加噪声(THD+N),还 有的用两个单一频率互调失真(IMD)和三阶互调失真,能否请你解释一下?

本文引用地址:答:因为放大器是应用范围很广的常用器件,所以为了满足应用需要不断 研制出一 些新的放大器,因而自然会涉及到一些专用指标。正如你所指出的那样,失真可以用各种方 法来定义,对于特殊的应用,技术指标与用户对失真的定义有关。尽管有一些指标主要与规 定的频率范围和应用场合有关,但还是有一些失真指标是相当通用的。

实际上存在着一些标准化的基本定义,所以让我们首先讨论一下。谐波失真是这样度量 的:在规定的电路中,用一个频谱上是很纯的正弦波加到放大器上,然后观察输出 的频谱。在输出端观察到的失真大小通常与下面几个参数有关:待测放大器在小信号和大 信号条件下的非线性、输入信号的幅值和频率、放大器输出端施加的负载、放大器的电源电 压 、印制线路板的布局、接地和电源去耦等。因此你可以看出,任何关于失真的技术指标如果 没有确切规定的测试条件是完全没有意义的。

谐波失真的测量可以根据频谱分析仪的输出频谱,观察二次、三次、四次…等谐波相对 基波信号的幅值来完成。谐波失真通常表示成一个比率,其单位为%,ppm,dB 或dBC。例 如00015%的失真相当于15 ppm 或-965 dBC。单位 dBC仅仅表示谐波电平比“载波 ”频率(即基波)低多少 dB。

谐波失真可以用每一个分量来分别表示(通常仅仅用二次和三次谐波)。或者把它们所有 分量组合成一个方和根(rss),从而给出总谐波失真(THD)为:THD=V22+V23+V24+…V2nVS

这里,VS=信号幅值(有效值V)V2=二次谐波幅值(有效值V)Vn=n次谐波幅值(有效值V)在THD中所含的谐波数目可能是不同的,但通常用前五次谐波就足够了。你可以看出,在 rss算法中,倘若较高阶谐波是最大谐波的1/3至1/5,则可忽略该高阶项对THD的影响( 0102+0032=00109≈010)。总谐波失真加噪声(THD+N)表达式与THD类似,仅在rss式中再加上噪声V noise 项,其 中V noise 表示在测量频带范围内的噪声电压有效值。THD+N = V22+V23+V24+…V2n+V2 noise VS假如在测量频带范围内V nosie 是THD或最坏的谐波的几分之一,显然应该THD+N ≈THD。假如你只知道THD是毫无用处的,你应当利用放大器的电压噪声和电流噪声指标能够 相当精确地计算出THD+N(还要把与源电阻和反馈网络有关的热噪声计算进去)。但是假如噪 声电平有效值比谐波电平有效值明显地高许多,仅给出THD+N指标你还是不能计算出THD 的。在音频应用中为了灵敏地测量噪声和失真常常使用某些专用设备。为此首先使用一个 带阻滤波器以滤掉基波信号,这样就可测量整个规定带宽范围内其它所有频率成分(包括谐 波和噪声)的总有效值,它与基波的比值就是THD+N的技术指标。

问:在各种频率范围和应用过程中如何看失真指标?答:最好的方法在频谱的低频端开始直到我们所关心的频段,以便比较容易理 解下面的方法。音频放大器是开始讨论这个问题的最好实例。这里最好选用音频带宽内(20 Hz~20 kHz) 低 噪声和低失真的典型器件(如OP275)。在音频应用中,通常用专用设备(如Audio Precisio n System One)测量THD+N。在给定的输入频率(如1 kHz)条件下测量输出信号的幅度。然后 按 上面所说的方法用带阻滤波器滤掉基波信号,测量剩余的频率成分(包括谐波和噪声)的有效 值 。在可测量最高次谐波的带宽内(通常为100 kHz)测量谐波和噪声。在整个频率范围内对于 各种条件进行扫描测量,这里给出测得的OP275的THD+N曲线作为频率的函数,见图151 。 信号电平是3 V有效值,放大器被接成单位增益跟随器。应注意到THD+N的值为00008%, 相当于8 ppm或-102 dBC。OP275在1 kHz条件下输入电压噪声典型值为6 nV/Hz ,而 在100 kHz带宽范围

图151 OP275的THD+N与频率的关系 内积分,则噪声电压有效值为19 μV。对于3 V有效值信号,相应的 信噪比为124 dB。因为THD要比噪声电平大得多,所以THD起了主要作用。

问:我注意到最近ADI公司推出另一种低噪声、低失真放大器(AD 79 7),它使用THD指标而不用THD+N。实际指标是在20 kHz条件下为-120 dB。这是什么意思? 答:确实,我们不希望对此产生误解。失真测量受使用的测量设备的限制,而有 的噪声甚至比测量设备本底还低20 dB!这里测量AD797的THD是频率的函数,见图152。

图152 失真测量受测量设备的限制

在使用频谱分析仪进行测量时,在进入分析仪之前,首先滤掉基波的正弦波频率,这是为 了防止频谱分析仪引起的过激励失真。测量前5次谐波并且按rss形式合成便得到THD图。图1 52示出测量设备的“本底”约为-120 dB,因此在频率低于10 kHz时THD值可能更小。为求得噪声,AD797的电压噪声谱密度(1nV/Hz)乘以测量带宽的平方根便可得 到器件的本底噪声有效值。例如对于100 kHz带宽,其本底噪声有效值为316 nV。从而可以 计算出3 V有效值的输出信号对应的信噪比为140 dB。

问:高频放大器的失真指标怎样?答:由于在高频时要求增加动态范围,所以现在大多数宽带放大器都有失真指标 。产品说明中可能给出二次和三次谐波分量的具体值,或者给出THD。假如定义THD指标, 也只 是前面几次谐波对结果起主要作用。所以在高频条件下分别给出具体的失真分量比给出定义 的THD更有用。例如AD9620是600 MHz(典型-3 dB带宽)低失真单位增益缓冲器。图153示出 AD9620在各种负载条件下二次和三次谐波失真随频率变化曲线。

图153 高频放大器用二次和三次谐波分量的具体值 表示失真问:什么是两个单一频率互调分量?它与谐波失真有何差别?

答:当两个单一频率信号都被加到同一个非线性放大器时,由于非线性作用使两 个信 号相互调制,把产生互调失真(IMD)形成的一些新频率的输出功率称作互调分量。设两个音 频频率为f1和f2,且f2>f1,则2阶和3阶互调分量具有以下频率:2阶:f1+f2,f2-f13阶:2f1+f2,2f2+f1,2f2-f1,2f1-f2如果两个频率相当接近,则差频形式的3阶IMD分量2f2-f1和2f1-f2会出现特别 麻烦,因为如图154所示,用滤波器滤掉它们是很困难的。注意其它的2阶和3阶I MD 分量大致位于高频端或低频端(如果仅对f1和f2邻近频率感兴趣),可以把它们滤掉。 两个单一频率的互调失真指标在射频应用中特别重要,它主要和通信接收机的设计有关。I MD分量能够在有大信号的情况下屏蔽掉小信号。虽然很少对工作在1 MHz以下的运算放大器 规定IMD,但现在许多直流运算放大器都是宽带型的,它完全能够工作

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