問：我看了你們的放大器產品說明，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)或總諧波失真加雜訊(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：因為放大器是應用範圍很廣的常用器件，所以為了滿足應用需要不斷研製出一些新的放大器，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，對於特殊的應用，技術指標與使用者對失真的定義有關。
儘管有一些指標主要與規定的頻率範圍和應用場合有關，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：在規定的電路中，用乙個頻譜上是很純的正弦波加到放大器上，然後觀察輸出的頻譜。
在輸出端觀察到的失真大小通常與下面幾個引數有關：待測放大器在小訊號和大訊號條件下的非線性、輸入訊號的幅值和頻率、放大器輸出端施加的負載、放大器的電源電壓 、印製線路板的布局、接地和電源去耦等。因此你可以看出，任何關於失真的技術指標如果沒有確切規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…等諧波相對基波訊號的幅值來完成。諧波失真通常表示成乙個比率，其單位為%，ppm,db 或dbc。例如0 0015%的失真相當於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。
諧波失真可以用每乙個分量來分別表示(通常僅僅用二次和三次諧波)。或者把它們所有分量組合成乙個方和根(rss)，從而給出總諧波失真(thd)為：
thd=v22+v23+v24+…v2nvs
這裡，vs=訊號幅值(有效值v)
v2=二次諧波幅值(有效值v)
vn=n次諧波幅值(有效值v)
在thd中所含的諧波數目可能是不同的，但通常用前五次諧波就足夠了。你可以看出，在 rss演算法中，倘若較高階諧波是最大諧波的1/3至1/5，則可忽略該高階項對thd的影響( 0 102+0 032=0 0109≈0 10)。
總諧波失真加雜訊(thd+n)表示式與thd類似，僅在rss式中再加上雜訊v noise 項，其中v noise 表示在測量頻帶範圍內的雜訊電壓有效值。
thd+n = v22+v23+v24+…v2n+v2 noise vs
假如在測量頻帶範圍內v nosie 是thd或最壞的諧波的幾分之一，顯然應該thd+n ≈thd。假如你只知道thd是毫無用處的，你應當利用放大器的電壓雜訊和電流雜訊指標能夠相當精確地計算出thd+n(還要把與源電阻和反饋網路有關的熱雜訊計算進去)。但是假如雜訊電平有效值比諧波電平有效值明顯地高許多，僅給出thd+n指標你還是不能計算出thd 的。
在音訊應用中為了靈敏地測量雜訊和失真常常使用某些專用裝置。為此首先使用乙個帶阻濾波器以濾掉基波訊號，這樣就可測量整個規定頻寬範圍內其它所有頻率成分(包括諧波和雜訊)的總有效值，它與基波的比值就是thd+n的技術指標。
問：在各種頻率範圍和應用過程中如何看失真指標?
答：最好的方法在頻譜的低頻端開始直到我們所關心的頻段，以便比較容易理解下面的方法。音訊放大器是開始討論這個問題的最好例項。
這裡最好選用音訊頻寬內(20 hz～20 khz) 低雜訊和低失真的典型器件(如op 275)。在音訊應用中，通常用專用裝置(如audio precisio n system one)測量thd+n。在給定的輸入頻率(如1 khz)條件下測量輸出訊號的幅度。
然後按上面所說的方法用帶阻濾波器濾掉基波訊號，測量剩餘的頻率成分(包括諧波和雜訊)的有效值 。在可測量最高次諧波的頻寬內(通常為100 khz)測量諧波和雜訊。在整個頻率範圍內對於各種條件進行掃瞄測量，這裡給出測得的op 275的thd+n曲線作為頻率的函式，見圖15 1 。
訊號電平是3 v有效值，放大器被接成單位增益跟隨器。應注意到thd+n的值為0 0008%， 相當於8 ppm或-102 dbc。op 275在1 khz條件下輸入電壓雜訊典型值為6 nv/hz ，而在100 khz頻寬範圍
圖15 1 op 275的thd+n與頻率的關係
內積分，則雜訊電壓有效值為1 9 μv。對於3 v有效值訊號，相應的訊雜比為124 db。因為thd要比雜訊電平大得多，所以thd起了主要作用。
問：我注意到最近adi公司推出另一種低雜訊、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。這是什麼意思?
答：確實，我們不希望對此產生誤解。失真測量受使用的測量裝置的限制，而有的雜訊甚至比測量裝置本底還低20 db!這裡測量ad797的thd是頻率的函式，見圖15 2。
圖15 2 失真測量受測量裝置的限制
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次諧波並且按rss形式合成便得到thd圖。圖1 5 2示出測量裝置的「本底」約為-120 db，因此在頻率低於10 khz時thd值可能更小。
為求得雜訊，ad797的電壓雜訊譜密度(1nv/hz)乘以測量頻寬的平方根便可得到器件的本底雜訊有效值。例如對於100 khz頻寬，其本底雜訊有效值為316 nv。從而可以計算出3 v有效值的輸出訊號對應的訊雜比為140 db。
問：高頻放大器的失真指標怎樣?
答：由於在高頻時要求增加動態範圍，所以現在大多數寬頻放大器都有失真指標 。產品說明中可能給出二次和三次諧波分量的具體值，或者給出thd。
假如定義thd指標， 也只是前面幾次諧波對結果起主要作用。所以在高頻條件下分別給出具體的失真分量比給出定義的thd更有用。例如ad9620是600 mhz(典型-3 db頻寬)低失真單位增益緩衝器。
圖15 3示出 ad9620在各種負載條件下二次和三次諧波失真隨頻率變化曲線。
圖15 3 高頻放大器用二次和三次諧波分量的具體值表示失真
問：什麼是兩個單一頻率互調分量?它與諧波失真有何差別?
答：當兩個單一頻率訊號都被加到同乙個非線性放大器時，由於非線性作用使兩個訊號相互調製，把產生互調失真(imd)形成的一些新頻率的輸出功率稱作互調分量。設兩個音訊頻率為f1和f2，且f2＞f1，則2階和3階互調分量具有以下頻率：
2階：f1+f2,f2-f1
3階：2f1+f2,2f2+f1,2f2-f1,2f1-f2
如果兩個頻率相當接近，則差頻形式的3階imd分量2f2-f1和2f1-f2會出現特別麻煩，因為如圖15 4所示，用濾波器濾掉它們是很困難的。注意其它的2階和3階i md 分量大致位於高頻端或低頻端(如果僅對f1和f2鄰近頻率感興趣)，可以把它們濾掉。 兩個單一頻率的互調失真指標在射頻應用中特別重要，它主要和通訊接收機的設計有關。
i md分量能夠在有大訊號的情況下遮蔽掉小訊號。雖然很少對工作在1 mhz以下的運算放大器規定imd，但現在許多直流運算放大器都是寬頻型的，它完全能夠工作
圖15 4 當兩個音訊相當接近，濾掉2f2-f1和2f 1-f2很困難
在射頻範圍。因此對於快速運算放大器一般都注意imd指標。
問：什麼是2階和3階交點?它們的含意如何?
答：通常它們與射頻的應用有關，這些指標提供了表徵放大器的imd效能的質量因數。交點功率越大，使imd變大的輸入電平越高，所以在給定的訊號電平條件下imd就越低 。
它是這樣推導出來的：把兩個在頻譜上很純的訊號加到同乙個放大器上。這裡給出 (及外推出)單一頻率訊號輸出功率(用dbm表示)以及2階和3階分量(相對單一頻率)的相對幅值與輸入訊號功率的函式曲線，見圖15 5。
假如你經過數學分析發現：如果放大器的非線性可以用乙個簡單的冪級數展開來近以表示，那麼輸入訊號每增加1 db，2階imd幅值會增加2 db。同樣，輸入訊號每增加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訊號開始，並且只取幾個imd的資料點，你就能畫(或外推)出2階和3階imd的直線，如圖15 5所示。
輸出訊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，那麼可以估計出任何輸入( 或輸出)電平的3階imd分量。對於高階交點，直線向右移(斜率相同)，圖15.5中示出的是對於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組都有50 ω的輸入和輸出阻抗。輸出功率就是器件傳輸到50 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：
輸出功率=10log 10 v2orl1mw dbm
另一方面，由於運算放大器輸出阻抗很低，所以對於大多數的射頻應用來說，必須把運放的輸出作為訊號源接到負載端。按照上述公式通過計算可以看出實際運放輸出功率必須比傳輸到負載上的功率高3 db。在這類應用中習慣上根據實際傳輸到50 ω負載上的功率而不是用實際運算放大器的輸出功率來定義imd分量。
另乙個值得感興趣的引數是1 db壓縮點(1 db compression point)，見圖15 5。在這點輸出訊號已開始受到限制並且相對理想的輸入輸出曲線衰減1 db。
圖15 6是ad9620緩衝放大器的3階交點功率(third order intercept power)與輸入頻率的關係曲線。圖中的資料用來近似表示在各種頻率和訊號電平下3階互調分量的實際值。
圖15 6 交點功率與輸入頻率的關係
假設運算放大器輸出訊號是以頻率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。
這裡可採用**法，如圖15 7所示。對乙個輸出為+4 d bm的訊號，3階imd分量，根據從交點畫出的斜率為3的外推直線，得到-6 dbm或者比訊號低 72 dbm。 這個分析假定了運放失真可以用簡單的冪級數展開來表示。
遺憾的是運算放大器並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 ，而不能代替測量。
圖15 7 imd分量**法
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