利用增益测试小诀窍获得最佳失真水平

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我一直与精密运算放大器打交道。有些运算放大器线性度比较好，而另一些的线性度则特别好。有些运算放大器具有较高的ZOUT，而另外一些的ZOUT则比较低。某些运算放大器是双极运算放大器，而另外一些则是CMOS型运算放大器。图1所示为我一直用来进行线性测试的基本测试方法，该测试方法通过在信号输入端施加一±10-V的正弦波或三角波信号来获得20V p-p的信号输出。        其中，1000(R2/R1)的躁声增益将输入电压V( )放大1000倍，这样十字绘图模式下通过示波器(量程为5-mV)可以观察到一个5- ? V的信号。可以将躁声降到5 ?V p-p，在这样的躁声环境下可以观察到1mV的失真或两个乘波。许多工程师对总谐波失真量与躁声感兴趣(THD+N)。
        我对LM4562精密音频运算放大器作过一些评测，其音频范围的躁声低到近于0.4 ?VRMS，至少很容易对其测量，但是我还是必须测量1kHz频率下的失真度，图1中给出的测试电路无法测量1kHz频率下的增益线性度，只能测量5Hz或10Hz频率下的增益线性度。
        这是因为ac误差大到很难观察到信号失真。例如，LM4562在1kHz频率的ac增益大约是60,000，这不算差，但对于一个全量程输入，总加点误差就达到333 ?V，而且在几微伏的范围内很难确定其增益是否是线性的。

图1：测试电路

“欺骗成功”
        于是我决定“耍点花招”。我使用了一个很小的可变电容—用两根绝缘电线纽成的“纽线电容”，将它接在VIN与运算放大器的输入之间，当我将绝缘电线绕起来时，误差电压的ac分量一下子就下降很多。
        继续提高频率和增大电容，最后频率提高到1kHz时，信号电压低于1?V，躁声也只有几个?VRMS，这样就对1kHz频率点的信号有了一个很好的了解，但是为什么躁声这么大呢？
        我一直在使用这种“懒汉式”的增益测试方法，没有注意到1k电阻的躁声(大约4 nV/√Hz)大于运算放大器躁声的原因，所以，是降低阻抗的时候了！但我没有改变测试电路，而只是在每个1 M?电阻上跨接了一个20k的电阻，在1k的电阻上跨接了20Ω电阻，当然，电容也必须相应增大，于是我在3-pF纽线电容的顶端接了一个大约140 pF的电容。
        这样就使对失真的观察有了显著的改善，同时也改善了躁声水平。我能观察到甚至在1kHz频率下ac失真度也远低于1/2 ?V p-p，但是仍然无法准确地确定ac失真度能够低到什么程度。我对此着了迷，将信号输入到HP3561A频谱分析仪，频谱分析仪准确地测出了失真量，例如，在频率为2.2kHz、负载为10k的条件下信号失真为71.45 nV(1k负载下失真降低到200nV)。
        在这个测试电路减法效应和自放大效应的综合作用下，由于ac补偿作用和频谱分析仪具有很高的分辨率，在LM4562在1.1kHz频率下输出20V-p-p正弦信号的情况下，就可以测得2.2kHz频率(二次谐波)的失真为159dB，这是我遇到的最好的失真水平，同时也是有幸遇到的最好的测试电路，否则我们可能会一直无法测量这种运算放大器的失真度。
作者：Bob Pease，特约编辑，《Electronic Design》