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ZHCADC1 November 2023 OPA1656

3.2 反相测量

图 3-7 展示了用于测量反相放大器配置的 THD + N 的测试电路。放大器的输入信号 V_in 由发生器输出提供。输入失调电压 V_os 和输入电压噪声 V_n 是运算放大器内部的串联误差源。V_os 和 V_n 始终指同相端，并且均被放大器配置的噪声增益放大。

图 3-7 反相失真测试电路

叠加用于推导反相失真测试电路的信号增益和失真增益的单独公式，如图 3-7 所示。假设输入失调电压 V_os = 0V，噪声电压 V_n = 0V，电流 i_RA = 0A，则图 3-7 所示的放大器配置可视为标准反相放大器配置，如图 3-8 所示。信号增益幅度由电阻 R_F 与电阻 R_B 之比确定。方程式 8 表示反相失真测试电路的信号增益。移除电阻 R_A 时，假定虚拟短路的概念。应用虚拟短路的概念时，反相端和同相端上的电阻 R_A 两端的电势相等，因此 i_RA = 0A，R_A 被视为开路。

图 3-8 反相信号增益

方程式 8.

V_{o u t} = - V_{i n} \times \frac{R_{F}}{R_{B}}

图 3-9 表示 THD + N 增益电路。假设 V_in = 0V，电阻 R_A 和 R_B 并联。该放大器可以看作是添加了电阻 R_A 的标准同相放大器。电压 V_os + V_n 施加在同相端上。输出端会出现 V_os + V_n，按照我们熟悉的同相增益公式（即 1 加上电阻 R_F 与 R_A||R_B 之比）进行增益。方程式 9 表示反相失真测试电路的 THD + N 增益。

图 3-9 反相 THD + N 增益

方程式 9.

V_{o u t} = (V_{o s} + V_{n}) (\frac{R_{F}}{R_{A} | | R_{B}} + 1)

方程式 10 可通过展开方程式 9 得到。

方程式 10.

V_{o u t} = (V_{o s} + V_{n}) (\frac{R_{F}}{R_{A}} + \frac{R_{F}}{R_{B}} + 1)

在图 3-7 所示测试电路的输出上观察到的信号是 V_in、V_n 和 V_os 的放大组合，表示为方程式 11。方程式 11 表示图 3-7 所示反相失真测试电路的最终增益公式。

方程式 11.

V_{o u t} = - V_{i n} \times \frac{R_{F}}{R_{B}} + (V_{o s} + V_{n}) (\frac{R_{F}}{R_{A}} + \frac{R_{F}}{R_{B}} + 1)

典型的反相电路不包括附加电阻 R_A。电阻 R_A 添加到测试电路中用于提供额外的增益，从而克服信号分析仪的测量限制。表 3-2 为电阻 R_F、R_A 和 R_B 分配值，并计算测试电路和应用电路的相关增益值。分配表 3-2 中的电阻值时，THD + N 增益为 $102 \frac{V}{V}$ （有附加电阻 R_A）。在常见的反相应用电路中，R_A = $\infty$ ，或者换句话说就是不存在，且
THD + N 增益为 $2 \frac{V}{V}$ 。因此，R_A 额外增加了 $51 \frac{V}{V}$ 或大约 34dB 的失真增益。

表 3-2 测试电路和应用电路增益值

条件	信号增益	THD + N 增益	R_F	R_A	R_B
有 R_A 的信号和 THD + N 增益	$-1 \frac{V}{V}$	$102 \frac{V}{V}$	10kΩ	100Ω	10kΩ
无 R_A 的信号和 THD + N 增益	$-1 \frac{V}{V}$	$2 \frac{V}{V}$	10kΩ	$\infty$	10kΩ

图 3-10 展示了测得的 OPA1656 的 THD + N 比，单位为分贝。从测试电路测量值中减去 34dB，代表典型反相电路中看到的实际运算放大器 THD + N。失真分析仪的测量带宽为 80kHz。

图 3-10 反相失真测量：输出参考

图 3-11 展示了常见反相应用电路的 THD + N (%) 比与输出振幅 (V_RMS) 间的关系。当输出振幅从 0.1V_RMS 扫至 10V_RMS 时，对 1kHz 和 20kHz 频率进行了两次独立测量。

图 3-11 反相 THD + N (%) 比与输出幅度间的关系