放大器總諧波失真與總諧波失真加噪聲參數(shù)介紹

在精密測量電路、音頻信號處理電路中，不但要關心電路噪聲，還要考慮諧波對信號失真程度的影響。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

對于一款正弦波，使用示波器可以觀測它幅值和頻率信息。如圖2.175(a)一款看似標準的峰峰值為2V，頻率為1KHz的正弦波。但是到目前為止，沒有任何一款設備可以產(chǎn)生“標準正弦波”。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有噪聲的存在。因此，為了衡量時域檢測的波形與標準正弦波的差異程度，引入總諧波失真與總諧波失真加噪聲的概念。

圖2.175 1KHz正弦波時域圖與頻譜圖

總諧波失真（Total Harmonic Distortioin,THD）定義為信號中各諧波分量的均方根電壓值與信號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），定義為信號中均方根噪聲電壓加上信號的各諧波分量的均方根電壓值與信號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，輸出負載為2KΩ，輸入信號基波有效值為1V，頻率為1KHz時 ，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系。波形大致分為兩個區(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)諧波是導致失真的主要因素。

圖2.177 ADA4625-1THD+N與頻率

（2）信號幅值

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

圖2.178 ADA4625-1 THD+N與幅值

輸入信號幅值較大，THD+N隨信號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，當輸入信號幅值超過1.5V將發(fā)生削波現(xiàn)象。信號幅值小于1.5V時，雖然沒有發(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，當輸入信號接近1V時，THD+N參數(shù)驟升。

圖2.179 ADA4625-1輸入電壓范圍

在筆者支持過的項目中，關于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，驅動一款直流與交流性能都很好的ADI ∑Δ ADC，用于在生產(chǎn)過程中對消費類電子產(chǎn)品電路板的音頻性能進行良品篩選。工程師設計的硬件達到預期，THD檢測接近-120dB，調(diào)試過程中沒有出現(xiàn)大問題,所以不便提供的太多項目信息，這部分的實際案例就先欠著了。

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