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放大器失真詳細介紹
問:我看了你們的放大器產(chǎn)品說明,對失真技術指標我有些弄不懂。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失真(IMD)和三階互調失真,能否請你解釋一下?
答:因為放大器是應用范圍很廣的常用器件,所以為了滿足應用需要不斷 研制出一 些新的放大器,因而自然會涉及到一些專用指標。正如你所指出的那樣,失真可以用各種方 法來定義,對于特殊的應用,技術指標與用戶對失真的定義有關。盡管有一些指標主要與規(guī) 定的頻率范圍和應用場合有關,但還是有一些失真指標是相當通用的。 實際上存在著一些標準化的基本定義,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: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,任何關于失真的技術指標如果 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0 0015%的失真相當于15 ppm 或-96 5 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: 這里,VS=信號幅值(有效值V) 問:在各種頻率范圍和應用過程中如何看失真指標?
圖15 1 OP 275的THD+N與頻率的關系 內積分,則噪聲電壓有效值為1 9 μV。對于3 V有效值信號,相應的 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指標而不用THD+N。實際指標是在20 kHz條件下為-120 dB。這是什么意思?
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 5 2示出測量設備的“本底”約為-120 dB,因此在頻率低于10 kHz時THD值可能更小。 問:高頻放大器的失真指標怎樣?
答:當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 號相互調制,把產(chǎn)生互調失真(IMD)形成的一些新頻率的輸出功率稱作互調分量。設兩個音 頻頻率為f1和f2,且f2>f1,則2階和3階互調分量具有以下頻率:
圖15 4 當兩個音頻相當接近,濾掉2f2-f1和2f 1-f2很困難 問:什么是2階和3階交點?它們的含意如何?
假如你經(jīng)過數(shù)學分析發(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1 dB,2階IMD幅值會增加2 dB。同樣,輸入信號每增 加1 dB,3階IMD幅值會增加3 dB。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,你就能畫(或外推)出2階和3階IMD的直線,如圖15 5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個交點被稱為2階交點和3階交點(second and third order intercept points)。與這些 交點相對應的投影在縱軸上的輸出功率值通常可為放大器輸出功率提供基準,用dBm表示。 因為已知3階IMD的幅值斜率(3 dB/dB),假如它的交點也知道,那么可以估計出任何輸入( 或輸出)電平的3階IMD分量。對于高階交點,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較低的3階分量。 許多射頻混頻器和放大模塊都有50 Ω的輸入和輸出阻抗。輸出功率就是器件傳輸?shù)?0 Ω負載上的功率。輸出功率可以這樣計算:輸出電壓有效值VO的平方除以負載電阻RL 。輸出功率換算為dBm形式的公式為: 另一個值得感興趣的參數(shù)是1 dB壓縮點(1 dB compression point),見圖15 5。在這 點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1 dB。 圖15 6是AD9620緩沖放大器的3階交點功率(third order intercept power)與輸入 頻率的關系 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階互調分量的實際值。
假設運算放大器輸出信號是以頻率20 MHz峰峰值2 V加到100 Ω負載(其中50 Ω是 放大器輸出阻抗 ,50 Ω是負載)。所以加到50 Ω負載上的電壓是1V峰峰值,功率為2 5 mW,對應+4 dBm。 3階交點在20 MHz時從圖15 6查得是+40 dBm。這里可采用圖解法,如圖15 7所示。對一個 輸出為+4 d Bm的信號,3階IMD分量,根據(jù)從交點畫出的斜率為3的外推直線,得到-6 dBm或者比信號低 72 dBm。 這個分析假定了運放失真可以用簡單的冪級數(shù)展開來表示。遺憾的是運算放大器并非始 終可以用這種簡單方式(尤其在高頻時)來表示,所以3階交點指標主要是用來表示質量因數(shù) ,而不能代替測量。
圖15 7 IMD分量圖解法 |
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