理解總諧波失真和噪聲曲線

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

　　“噪聲”描述的是由放大器產生的隨機電信號。“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倍的信號。總諧波失真和噪聲技術規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的數據表中，這條曲線顯示了針對多個配置和輸出負載，在頻率范圍內測得的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果產生的影響。

　　圖1：多個配置之后THD+N與OPA316的頻率之間的關系

　　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。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，所以信號幅值的增加會改進THD+N的測量值。例如，在曲線的噪聲主導區域，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性能對于找到一個工程設計解決方案十分關鍵。掌握某些基本手算結果，并且能夠看懂數據表THD+N圖，你就可以迅速確定誰是罪魁禍首了。