谐波失真(HD)和总谐波失真(THD)

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1、MT-053指南运算放大器失真：HD、THD、THD+N、IMD、SFDR、MTPR谐波失真(HD)和总谐波失真(THD)运算放大器的动态范围可以多种方式进行定义。其中一种最常见的方式是规定谐波失真、总谐波失真(THD)或总谐波失真加噪声(THD+N)。其他相关规格包括交调失真(IMD)、交调截点(IP2,IP3)、无杂散动态范围(SFDR)和多音功率比(MTPR)。谐波失真非常简单，就是目标谐波(二阶、三阶等)的均方根(RMS)值与信号电平均方根值的比值。在音频应用中，通常表示为一个百分比，但在通信应用中，则经常表示为dB。其测量方式是，将一个频谱纯净的正弦波应用于一个放

2、大器，并用一个频谱分析仪观察放大器的输出。总谐波失真(THD)为所有谐波(二阶、三阶、四阶等)的和方根值与信号方根值的比值。一般而言，在THD测量中，只有前五个或六个谐波是有意义的。在许多实际场合中，仅考虑二阶和三阶谐波而不考虑更高阶谐波，所带来的误差已经可以忽略了，因为更高阶项的幅度往往大幅降低了。总谐波失真加噪声(THD+N)总谐波失真加噪声(THD+N)为所有谐波及噪声组分在指定带宽下的和方根值与信号方根值的比值。必须注意，THD测量不包括噪声项，而THD+N则包括。THD+N测量中的噪声项必须在整个测量带宽上积分，并且必须指定该带宽才可得到有意义的测量结果。在窄带应

3、用中，可通过滤波方式降低噪声电平，结果将降低THD+N，从而提高信噪比(SNR)。在许多情况下(尤其是在音频应用中)，当引用THD时，制造商实际上指的是THD+N，因为多数测量系统并不区分谐波相关信号和其他信号。THD+N测量一般是通过以下方法测得的，以陷波方式消除基波信号(以防止过驱)，然后测量剩下的信号，其中包括噪声和失真组分。在音频应用中，一般采用AudioPrecision出品的特殊分析仪来测量THD+N。图1对THD和THD+N的定义进行了总结。Rev.0,10/08,WKPage1of8MT-053Vs=SignalAmplitude(RMSVolts)V=Se

4、condHarmonicAmplitude(RMSVolts)2Vn=nthHarmonicAmplitude(RMSVolts)Vnoise=RMSvalueofnoiseovermeasurementbandwidthV2+V2+V2+...+V2+V2234nnoiseTHD+N=VsV2+V2+V2+...+V2THD=234nVs图1：THD和THD+N定义交调失真(IMD)当一个频谱纯净的正弦波通常一个放大器(或其他有源器件)时，会产生各类谐波失真积，具体取决于非线性度的性质和严重程度。然而，仅仅测量单音正弦波在各种频率下的谐波失真，无法得到对放大器在通信应用中

5、的潜在性能进行评估时所需要的全部信息。在多数通信系统中，有多个通道在频率上是“堆叠”起来的。往往需要测定放大器在应用两个或多个指定音时产生的交调失真(IMD)。交调失真积在IF和RF区域尤其值得关注，也是无线电接收器设计的主要关注内容之一。不仅需要考察单音正弦波输入产生的谐波失真或总谐波失真(THD)，通常同时需要考察双音产生的失真积。如图2所示，两个音将产生二阶和三阶交调积。示例展示了在将两个频率f1和f2应用于一个非线性器件时产生的二阶和三阶积。位于f+f和f–f.的二阶积离两个音非常远，可通过2121滤波的方式加以消除。位于2f+f和2f+f的三阶积也可以类似方式过滤

6、掉。然而，位于12212f–f和2f–f的三阶积离原始音非常近，对其进行过滤是非常困难的。1221三阶IMD积在多通道通信系统中尤其麻烦，这种应用中，通道隔离在整个频段保持不变。来自大信号(阻断器)的三阶IMD积可以屏蔽小信号。Page2of8MT-0532=SECONDORDERIMDPRODUCTSf1f23=THIRDORDERIMDPRODUCTSNOTE:f1=5MHz,f2=6MHz223f2-f1f2+f13f12f2+f1332f12f232f1-f22f2-f12f1+f23f21456710111215161718FREQUENCY:MHz图2：三阶和三

7、阶交调失真积交调截点和1dB压缩点三阶IMD一般基于三阶交调截点测定，如下面的图3所示。两个频谱纯净的音被应用到系统上。单音的输出信号功率(单位：dBm)以及三阶积的相对幅度(以一个单音为基准)表示为输入信号功率的函数。基波表示为图中的slope=1曲线。如果通过幂级数展开逼近系统非线性度，则信号每增加1dB，二阶IMD幅度将增加2dB，如图中slope=2曲线所示。SECONDORDERIP2INTERCEPTOUTPUTPOWERTHIRDORDER(PERTONE)IP3INTERCEPTdBm1dB1dBC