设计高精度模拟系统失真解决方案

噪声和失真这两个问题一直在设计高精度模拟系统时跳出来令工程师们大伤脑筋。当我们要找出问题查看一个运算放大器数据表中的总谐波失真和噪声 (THD+N) 数值时，可能一时半会还搞不清楚到底是噪声还是失真出现了问题，那么有没有方法可以很好的解决呢，有！接下来我们就来谈谈这个问题。

“噪声”是由放大器产生的随机电信号。“失真”是由放大器引入的有害谐波。谐波是频率为输入信号频率整数倍的信号。总谐波失真和噪声技术规格通过比较失真谐波的电平 (Vi) 和RMS噪声电压 (Vn) 与输入信号的电平 (Vf) 来量化这些因素，使用的方程式如下：

在OPA316的数据表中，这条曲线显示了针对多个配置和输出负载，在频率范围内测得的THD+N。虽然图中有显示，但是我们还是没有办法马上知道是不是噪声或失真谐波是否对THD+N有很的影响。接下来继续探究，我们将通过计算得出噪声对测量结果产生的影响。

1.简化THD+N计算来去除失真项。

用方程式来近似计算一个基本运算放大器电路的RMS噪声电压：

AN 是“噪声增益”，eN是运算放大器宽带电压噪声频谱密度，而BWN是测量噪声时的带宽。噪声增益，或者看成是放大器增加的其固有噪声，始终在运算放大器的非反向输入上测得。当运算放大器被用作非反向放大器时，这种方法方便快捷；信号增益与噪声增益是一样的。但是对于反向放大器来说。每个噪声增益会在信号增益幅值上+1。

OPA316有一个11nV/√Hz的宽带输入电压噪声频谱密度，测量带宽的额定值为80kHz。对于非反向放大器 (G = +1)，RMS噪声电压大约为：

反向放大器（增益 = -1），RMS噪声电压为：

使用下图给出的输出幅值信息来计算这两个配置中噪声对THD+N测量值的影响：

非反向 (G = +1)：

反向 (G = -1)：

低频下 (<500Hz) 测得的THD+N和这些计算出来的值与密切对应。可以看出，测量值几乎完全由运算放大器的噪声决定。因为输入信号的频率不影响噪声电压，噪声优势频率上的THD+N测量值在是扁平的。

多个配置中，OPA316运行在1kHz时，THD+N与输出幅值之间的关系

另一方面，失真谐波的幅值会随着信号幅值的变化而变化。一旦曲线偏离恒定向下倾斜，这就说明失真谐波正在影响THD+N测量值。

针对低噪声的电路设计具有噪声不断增加的不良反应。具有低值反馈电阻器的非反向运算放大器可以提供特别低的噪声，但是额外的负载和共模电压会增加高频失真。了解噪声或失真是否会限制系统性能在工程设计完整的上十分重要。了解一些运算以及能够看懂数据表THD+N图，很快就可以清楚到底是噪声还是失真出现了问题。