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ZHCADC1 November 2023 OPA1656

3.1 同相测量

图 3-1 展示了用于测量同相缓冲器放大器配置的 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，并且被放大器配置的噪声增益放大。提到
THD + N 测量时，噪声增益有时称为失真增益或 THD + N 增益，且不等于信号增益。

图 3-1 同相缓冲器失真测试电路

图 3-2 运算放大器 THD + N 增益到高于失真分析仪本底噪声

叠加用于推导出信号增益和失真增益的单独公式。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 3-1 所示的放大器配置可视为缓冲器，如图 3-3 所示。因此，信号增益为 $1 \frac{V}{V}$ ，输出电压等于输入电压，如方程式 4 所述。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 3-3 信号增益

方程式 4.

V_{o u t} = V_{i n}

假设放大器的输入信号 V_in = 0V，则该放大器可视为在同相端施加电压 V_os + V_n 的标准同相放大器，如图 3-4 所示。因此，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 与电阻 R_A 之比）进行放大。方程式 5 描述了 THD + N 增益。

图 3-4 THD + N 增益

方程式 5.

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

在图 3-1 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。将方程式 4 与方程式 5 相结合，得出方程式 6，即图 3-1 所示测试电路的最终增益公式。

方程式 6.

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

典型的同相缓冲器应用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 和 R_A 分配值，得出测试电路和应用电路的增益值。分配表 3-2 中的电阻值时，THD + N 增益为 $101 \frac{V}{V}$ （有附加 R_A 电阻）。在典型的同相缓冲器电路中，R_A = $\infty$ ，或者换句话说就是不存在，且 THD + N 增益为 $1 \frac{V}{V}$ 。因此，R_A 额外增加了 $101 \frac{V}{V}$ 或大约 40dB 的失真增益。

表 3-1 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
有 R_A 的信号和 THD + N 增益	$1 \frac{V}{V}$	$101 \frac{V}{V}$	10kΩ	100Ω
无 R_A 的信号和 THD + N 增益	$1 \frac{V}{V}$	$1 \frac{V}{V}$	10kΩ	$\infty$

图 3-5 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 40dB，代表同相缓冲器电路的实际运算放大器 THD + N。对于本应用手册中进行的测量，失真分析仪的测量带宽为 80kHz。

图 3-5 同相缓冲器失真测量：输出参考

放大器数据表通常以百分比的形式表示 THD + N 比。方程式 7 用于将测量的 THD + N 比从 dB 转换为百分比。

方程式 7.

T H D + N (%) = 100 \times 10^{\frac{T H D + N (d B)}{20}}

图 3-6 展示了常见同相缓冲器配置的 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 3-6 同相缓冲器 THD + N (%) 比与输出振幅间的关系