放大器總諧波失真與總諧波失真加噪聲參數(shù)介紹

在精密測(cè)量電路、音頻信號(hào)處理電路中，不但要關(guān)心電路噪聲，還要考慮諧波對(duì)信號(hào)失真程度的影響。本篇介紹總諧波失真與總諧波失真加噪聲參數(shù)。

1 總諧波失真與總諧波失真加噪聲定義

對(duì)于一款正弦波，使用示波器可以觀測(cè)它幅值和頻率信息。如圖2.175(a)一款看似標(biāo)準(zhǔn)的峰峰值為2V，頻率為1KHz的正弦波。但是到目前為止，沒(méi)有任何一款設(shè)備可以產(chǎn)生“標(biāo)準(zhǔn)正弦波”。

將圖2.175(a)正弦波使用傅里葉變換，得到它的頻率成分，如圖2.175(b)。在1KHz處幅度最高，這是正弦波的基波占據(jù)的成分，另外在，2KHz,3KHz，4KHz,5KHz……等整數(shù)倍頻處都存在諧波成分，在高頻和低頻率處還會(huì)有噪聲的存在。因此，為了衡量時(shí)域檢測(cè)的波形與標(biāo)準(zhǔn)正弦波的差異程度，引入總諧波失真與總諧波失真加噪聲的概念。

圖2.175 1KHz正弦波時(shí)域圖與頻譜圖

總諧波失真（Total Harmonic Distortioin,THD）定義為信號(hào)中各諧波分量的均方根電壓值與信號(hào)基波的均方根電壓之比，如式2-97。單位可以是dB、dBc或百分比。

總諧波失真加噪聲參數(shù)（Total Harmonic Distortioin+ Niose,THD+N），定義為信號(hào)中均方根噪聲電壓加上信號(hào)的各諧波分量的均方根電壓值與信號(hào)基波的均方根電壓之比,如式為2-98。單位可以是dB、dBc或百分比。

式中，V1RMS為基波分量有效值，ViRMS為多次諧波分量有效值。

如圖2.176，表示在ADA4625增益為+1倍電路中，使用±18V供電，輸出負(fù)載為2KΩ，輸入信號(hào)基波有效值為1V，頻率為1KHz時(shí) ，帶寬為80KHz條件下，總諧波失真加噪聲參數(shù)值為0.0003%。

圖2.176 ADA4625總諧波失真加噪聲參數(shù)

2 總諧波失真加噪聲影響因素

（1）頻率

如圖2.177，ADA4625-1總諧波失真加噪聲與頻率的關(guān)系。波形大致分為兩個(gè)區(qū)域。其一，在頻率小于基波頻率范圍內(nèi)，THD+N曲線比較平坦，在該區(qū)域內(nèi)噪聲（寬帶噪聲）為主要影響成分。其二，高于基波頻率范圍，THD+N 曲線上升，該范圍內(nèi)諧波是導(dǎo)致失真的主要因素。

圖2.177 ADA4625-1THD+N與頻率

（2）信號(hào)幅值

如圖2.178，ADA4625-1總諧波失真與信號(hào)幅值的關(guān)系。波形仍然可以分為兩部分。當(dāng)輸入信號(hào)為較小時(shí)，噪聲為主體影響因素，在噪聲寬帶保持不變時(shí)，THD+N隨著基波幅值的增加線性降低，直到波形底部THD+N偏離線性關(guān)系是受諧波影響。

圖2.178 ADA4625-1 THD+N與幅值

輸入信號(hào)幅值較大，THD+N隨信號(hào)幅值增大而迅速增大，原因包括輸入電壓限制、輸出擺幅限制，壓擺率等因素。如圖1.279，ADA4625在5V供電電路中，當(dāng)輸入信號(hào)幅值超過(guò)1.5V將發(fā)生削波現(xiàn)象。信號(hào)幅值小于1.5V時(shí)，雖然沒(méi)有發(fā)生削波，但是失真度大幅增加。如圖2.178，在ADA4625-1的5V供電電路中，當(dāng)輸入信號(hào)接近1V時(shí)，THD+N參數(shù)驟升。

圖2.179 ADA4625-1輸入電壓范圍

在筆者支持過(guò)的項(xiàng)目中，關(guān)于THD或THD+N參數(shù)使用有一例。2018年4月接觸到一位工程師使用某品牌放大器，驅(qū)動(dòng)一款直流與交流性能都很好的ADI ∑Δ ADC，用于在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)消費(fèi)類電子產(chǎn)品電路板的音頻性能進(jìn)行良品篩選。工程師設(shè)計(jì)的硬件達(dá)到預(yù)期，THD檢測(cè)接近-120dB，調(diào)試過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)大問(wèn)題,所以不便提供的太多項(xiàng)目信息，這部分的實(shí)際案例就先欠著了。

綜上，在THD，THD+N參數(shù)使用中，不能遺漏信號(hào)頻率、輸入信號(hào)幅值與供電電源對(duì)參數(shù)的影響。

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