Other Parts Discussed in Post: OPA316
John Caldwell
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。“失真”是指由放大器引入的有害諧波。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>
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