在精密测量电路、音频信号处理电路中,不但要关心电路噪声,还要考虑谐波对信号失真程度的影响。本篇介绍总谐波失真与总谐波失真加噪声参数。

1 总谐波失真与总谐波失真加噪声定义

对于一款正弦波,使用示波器可以观测它幅值和频率信息。如图2．175(a)一款看似标准的峰峰值为2V,频率为1KHz的正弦波。但是到目前为止,没有任何一款设备可以产生“标准正弦波”。将图2．175(a)正弦波使用傅里叶变换,得到它的频率成分,如图2．175(b)。在1KHz处幅度最高,这是正弦波的基波占据的成分,另外在,2KHz,3KHz,4KHz,5KHz……等整数倍频处都存在谐波成分,在高频和低频率处还会有噪声的存在。因此,为了衡量时域检测的波形与标准正弦波的差异程度,引入总谐波失真与总谐波失真加噪声的概念。

图2．175 1KHz正弦波时域图与频谱图

总谐波失真(Total Harmonic Distortioin,THD)定义为信号中各谐波分量的均方根电压值与信号基波的均方根电压之比,如式2-97。单位可以是dB、dBc或百分比。

总谐波失真加噪声参数(Total Harmonic Distortioin+ Niose,THD+N),定义为信号中均方根噪声电压加上信号的各谐波分量的均方根电压值与信号基波的均方根电压之比,如式为2-98。单位可以是dB、dBc或百分比。                            

式中,V1RMS为基波分量有效值,ViRMS为多次谐波分量有效值。

如图2．176,表示在ADA4625增益为+1倍电路中,使用±18V供电,输出负载为2KΩ,输入信号基波有效值为1V,频率为1KHz时 ,带宽为80KHz条件下,总谐波失真加噪声参数值为0．0003%。

图2．176  ADA4625总谐波失真加噪声参数

2 总谐波失真加噪声影响因素

(1)频率

如图2．177,ADA4625-1总谐波失真加噪声与频率的关系。波形大致分为两个区域。其一,在频率小于基波频率范围内,THD+N曲线比较平坦,在该区域内噪声(宽带噪声)为主要影响成分。其二,高于基波频率范围,THD+N 曲线上升,该范围内谐波是导致失真的主要因素。

图2．177 ADA4625-1THD+N与频率

(2)信号幅值

如图2．178,ADA4625-1总谐波失真与信号幅值的关系。波形仍然可以分为两部分。当输入信号为较小时,噪声为主体影响因素,在噪声宽带保持不变时,THD+N随着基波幅值的增加线性降低,直到波形底部THD+N偏离线性关系是受谐波影响。

图2．178 ADA4625-1 THD+N与幅值

输入信号幅值较大,THD+N随信号幅值增大而迅速增大,原因包括输入电压限制、输出摆幅限制,压摆率等因素。如图1．279,ADA4625在5V供电电路中,当输入信号幅值超过1．5V将发生削波现象。信号幅值小于1．5V时,虽然没有发生削波,但是失真度大幅增加。如图2．178,在ADA4625-1的5V供电电路中,当输入信号接近1V时,THD+N参数骤升。

图2．179 ADA4625-1输入电压范围

在笔者支持过的项目中,关于THD或THD+N参数使用有一例。2018年4月接触到一位工程师使用某品牌放大器,驱动一款直流与交流性能都很好的ADI ∑Δ ADC,用于在生产过程中对消费类电子产品电路板的音频性能进行良品筛选。工程师设计的硬件达到预期,THD检测接近-120dB,调试过程中没有出现大问题,所以不便提供的太多项目信息,这部分的实际案例就先欠着了。

综上,在THD,THD+N参数使用中,不能遗漏信号频率、输入信号幅值与供电电源对参数的影响。