一文教你如何解决无法测量谐波失真问题

谐波失真(THD)指原有频率的各种倍频的有害干扰。放大1kHZ的频率信号时会产生2kHZ的2次谐波和3kHZ及许多更高次的谐波,理论上此数值越小,失真度越低。 由于放大器不够理想,输出的信号除了包含放大了的输入成分之外,还新添了一些原信号的2倍、3倍、4倍……甚至更高倍的频率成分(谐波),致使输出波形走样。这种因谐波引起的失真叫做谐波失真。

 
总的来说,采用 OPA857 进行测量的主要挑战包括:
 
互阻抗配置
 
低输入电容
 
高输出阻抗
 
在 20kW 增益和 1VPP 输出电压摆幅下,输入电流为 50mAPP。由于 OPA857 的输出电压摆幅是 A 类,而且流过互阻抗的电流是单极的,因此需要正确设置输出共模电压。
 
电流源要具有小于 1.5pF 的低电容来维持带宽。输出要具有高输出阻抗,以控制 OPA857 的输出加载。由于我们所拥有的大多数测试设备都是 50W 的输入和输出阻抗,因此如何才能在不影响测试器件带宽、压摆率及失真性能的同时解决该问题呢?
 
这就引出了每种测量的独立解决方案。
 
我们首先要了解的测量是频率响应,或 S21 参数。为此我们将使用 HP 8753ES 网络分析仪,这是一款 30kHz 至 6GHz 的 S 参数网络分析仪。输入与输出都采用 50W 阻抗和 AC 耦合。分析仪后面有两个端口,可用于控制输入或输出上的 DC 电压。
 
推荐用于测量 OPA857 频率响应的两个信号链是:
 
使用高速差分探针,见图 1。
 
使用高速缓冲器隔离网络分析仪的负载,见图 2。
 
注意,Test_SD 引脚设置为逻辑高 (+3.3V),以便让内部电流源正常工作。这不仅意味着 Test_IN 输入上出现的 DC 电压将设置出现在 OUT 上的输出电压,而且还需要您实施以下程序,确保 OPA857 针对 AC 响应达到最佳工作状态。
 
最小化 AC 信号。
 
设置输入端的 DC 电压,以便输出电压能够围绕其进行摆幅,预设共模电压。例如,如果信号摆幅是 500mVPP,那么 OUT DC 电压就需要设置为 ≤1.4V。否则,输出摆幅在 A 类输出级电流流出时会消波。
 
完成 #1 电路后,不要留有连接在输出端上的任何东西。探针引线或电压会给负载添加几 pF,改变频率响应。
 
将 AC 振幅设置为所需的峰峰输出信号摆幅。
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                                                     图 1:电路 #1 采用全差分探针连接 HP8753ES。
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                                                      图 2:电路 #2 采用 BUF602 连接 HP8753ES。
 
相同的方法可用来评估脉冲响应或任何时域测量。然而请注意,由于 OPA857 内部电阻器容差都不会高于 ±15%,因此该设置必须挨个器件进行校准。
 
上面介绍的方法无法测量谐波失真,那么如何才能解决这个新问题呢?
 
测量谐波失真的传统方法要求:
 
低失真源
 
高动态范围频谱分析仪
 
可通过使用高阶滤波器改善低失真源。频谱分析仪的动态范围可通过过滤掉基波,只测量谐波来改善。设置如图 3 所示。本图中省略了位于被测量器件后面的陷波滤波器。
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