設(shè)計高精度模擬系統(tǒng)常見諧波失真及方案

噪聲和失真是工程師在設(shè)計高精度模擬系統(tǒng)常見的兩個令人撓頭的問題。但是，當(dāng)我們查看一個運算放大器數(shù)據(jù)表中的總諧波失真和噪聲 (THD+N) 數(shù)值時，也許不能立即搞清楚哪一個才是你要應(yīng)對的敵人：噪聲還是失真？

“噪聲”描述的是由放大器產(chǎn)生的隨機電信號?！笆д妗笔侵赣煞糯笃饕氲挠泻χC波。諧波是頻率為輸入信號頻率整數(shù)倍的信號?？傊C波失真和噪聲技術(shù)規(guī)格通過比較失真諧波的電平 (Vi) 和RMS噪聲電壓 (Vn) 與輸入信號的電平 (Vf) 來量化這些因素，使用的方程式如下：

在OPA316的數(shù)據(jù)表中，這條曲線顯示了針對多個配置和輸出負(fù)載，在頻率范圍內(nèi)測得的THD+N。不幸的是，我們無法立即知道噪聲或失真諧波是否對THD+N有更大的影響。要深入探究這一點，我們可以計算噪聲對測量結(jié)果產(chǎn)生的影響。

圖1：多個配置之后THD+N與OPA316的頻率之間的關(guān)系

首先，我們簡化THD+N計算來去除失真項：

我們可以用如下方程式來近似計算一個基本運算放大器電路的RMS噪聲電壓：

AN 是“噪聲增益”，eN是運算放大器寬帶電壓噪聲頻譜密度，而BWN是測量噪聲時的帶寬。噪聲增益，或者說是放大器對其固有噪聲的增加，始終在運算放大器的非反向輸入上測得。當(dāng)運算放大器被用作非反向放大器時，這種方法簡單且直接；信號增益與噪聲增益是一樣的。然而，對于反向放大器，噪聲增益將為信號增益的幅值加上1。例如，信號增益為-1的反向放大器具有+2的噪聲增益。

OPA316有一個11nV/√Hz的寬帶輸入電壓噪聲頻譜密度，并且測量帶寬的額定值為80kHz。對于非反向放大器 (G = +1)，RMS噪聲電壓大約為：

對于反向放大器（增益 = -1），RMS噪聲電壓為：

現(xiàn)在，可使用下圖給出的輸出幅值信息來計算這兩個配置中噪聲對THD+N測量值的影響：

非反向 (G = +1)：

反向 (G = -1)：

請注意，這些計算出來的值與低頻下 (<500Hz) 測得的THD+N密切對應(yīng)。在這里，測量值幾乎完全由運算放大器的噪聲決定。由于輸入信號的頻率不影響噪聲電壓，噪聲優(yōu)勢頻率上的THD+N測量值在是扁平的。

相似的，在低信號幅值上，THD+N測量值主要受噪聲影響。圖2顯示1kHz時，在OPA316上測得的THD+N與輸出幅值之間的關(guān)系。在300mV以下時，兩個輸出曲線具有一個恒定斜率。RMS噪聲是恒定的，而與輸入信號幅值無關(guān)，所以信號幅值的增加會改進THD+N的測量值。例如，在曲線的噪聲主導(dǎo)區(qū)域，把輸出幅值加倍將使THD+N的值減半。

圖2：多個配置中，OPA316運行在1kHz時，THD+N與輸出幅值之間的關(guān)系

另一方面，失真諧波的幅值會隨著信號幅值的變化而變化。一旦曲線偏離恒定向下斜坡，我們就會知道失真諧波正在影響THD+N測量值。

針對低噪聲的電路設(shè)計具有噪聲不斷增加帶來的有害后果。具有低值反饋電阻器的非反向運算放大器可以提供特別低的噪聲，但是額外的負(fù)載和共模電壓會增加高頻失真。了解噪聲或失真是否會限制你的系統(tǒng)性能對于找到一個工程設(shè)計解決方案十分關(guān)鍵。掌握某些基本手算結(jié)果，并且能夠看懂?dāng)?shù)據(jù)表THD+N圖，你就可以迅速確定誰是罪魁禍?zhǔn)琢恕?/p>