放大器技术详解

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?

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0?0015%的失真相当于15 ppm 或-96?5 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( 0?102+0?032=0?0109≈0?10)。
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OP?275)。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OP?275的THD+N曲线作为频率的函数，见图15?1 。
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0?0008%， 相当于8 ppm或-102 dBC。OP?275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15?1 OP?275的THD+N与频率的关系
内积分，则噪声电压有效值为1?9 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15?2。

图15?2 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 5?2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15?3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15?3 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-f1
3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15?4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