利用增益測(cè)試小訣竅獲得最佳失真水平

關(guān)鍵字：增益測(cè)試

我一直與精密運(yùn)算放大器打交道。有些運(yùn)算放大器線性度比較好，而另一些的線性度則特別好。有些運(yùn)算放大器具有較高的ZOUT，而另外一些的ZOUT則比較低。某些運(yùn)算放大器是雙極運(yùn)算放大器，而另外一些則是CMOS型運(yùn)算放大器。圖1所示為我一直用來(lái)進(jìn)行線性測(cè)試的基本測(cè)試方法，該測(cè)試方法通過(guò)在信號(hào)輸入端施加一±10-V的正弦波或三角波信號(hào)來(lái)獲得20V p-p的信號(hào)輸出。

其中，1000(R2/R1)的躁聲增益將輸入電壓V( )放大1000倍，這樣十字繪圖模式下通過(guò)示波器(量程為5-mV)可以觀察到一個(gè)5- µ V的信號(hào)?？梢詫⒃曷暯档? µV p-p，在這樣的躁聲環(huán)境下可以觀察到1mV的失真或兩個(gè)乘波。許多工程師對(duì)總諧波失真量與躁聲感興趣(THD+N)。

我對(duì)LM4562精密音頻運(yùn)算放大器作過(guò)一些評(píng)測(cè)，其音頻范圍的躁聲低到近于0.4 µVRMS，至少很容易對(duì)其測(cè)量，但是我還是必須測(cè)量1kHz頻率下的失真度，圖1中給出的測(cè)試電路無(wú)法測(cè)量1kHz頻率下的增益線性度，只能測(cè)量5Hz或10Hz頻率下的增益線性度。

這是因?yàn)閍c誤差大到很難觀察到信號(hào)失真。例如，LM4562在1kHz頻率的ac增益大約是60,000，這不算差，但對(duì)于一個(gè)全量程輸入，總加點(diǎn)誤差就達(dá)到333 µV，而且在幾微伏的范圍內(nèi)很難確定其增益是否是線性的。

圖1：測(cè)試電路

“欺騙成功”

于是我決定“耍點(diǎn)花招”。我使用了一個(gè)很小的可變電容—用兩根絕緣電線紐成的“紐線電容”，將它接在VIN與運(yùn)算放大器的輸入之間，當(dāng)我將絕緣電線繞起來(lái)時(shí)，誤差電壓的ac分量一下子就下降很多。
繼續(xù)提高頻率和增大電容，最后頻率提高到1kHz時(shí)，信號(hào)電壓低于1µV，躁聲也只有幾個(gè)µVRMS，這樣就對(duì)1kHz頻率點(diǎn)的信號(hào)有了一個(gè)很好的了解，但是為什么躁聲這么大呢？

我一直在使用這種“懶漢式”的增益測(cè)試方法，沒(méi)有注意到1k電阻的躁聲(大約4 nV/√Hz)大于運(yùn)算放大器躁聲的原因，所以，是降低阻抗的時(shí)候了！但我沒(méi)有改變測(cè)試電路，而只是在每個(gè)1 M½電阻上跨接了一個(gè)20k的電阻，在1k的電阻上跨接了20Ω電阻，當(dāng)然，電容也必須相應(yīng)增大，于是我在3-pF紐線電容的頂端接了一個(gè)大約140 pF的電容。

這樣就使對(duì)失真的觀察有了顯著的改善，同時(shí)也改善了躁聲水平。我能觀察到甚至在1kHz頻率下ac失真度也遠(yuǎn)低于1/2 µV p-p，但是仍然無(wú)法準(zhǔn)確地確定ac失真度能夠低到什么程度。我對(duì)此著了迷，將信號(hào)輸入到HP3561A頻譜分析儀，頻譜分析儀準(zhǔn)確地測(cè)出了失真量，例如，在頻率為2.2kHz、負(fù)載為10k的條件下信號(hào)失真為71.45 nV(1k負(fù)載下失真降低到200nV)。
在這個(gè)測(cè)試電路減法效應(yīng)和自放大效應(yīng)的綜合作用下，由于ac補(bǔ)償作用和頻譜分析儀具有很高的分辨率，在LM4562在1.1kHz頻率下輸出20V-p-p正弦信號(hào)的情況下，就可以測(cè)得2.2kHz頻率(二次諧波)的失真為159dB，這是我遇到的最好的失真水平，同時(shí)也是有幸遇到的最好的測(cè)試電路，否則我們可能會(huì)一直無(wú)法測(cè)量這種運(yùn)算放大器的失真度。