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PicoScope 16位示波器助力音频放大器设计

  摘要

  本文是一篇测试实例,利用Pico Technology 的16位示波器 4262的频谱分析仪功能及自动频谱测量参数来协助音频放大器的设计和测试。PicoScope 4262的16位ADC分辨率、极低的本底噪声(8.5uV RMS)、102dB的动态范围、16位分辨率的AWG、以及配置的自动化频谱测量参数等优秀性能使其非常适合于音频信号的测试,可与频谱分析仪、音频分析仪相媲美,而且具有极高的性价比。   

  一、功率放大器电路

  下图1显示了一个基本的功率放大器电路。所示的输出级是简单且广泛使用的射极跟随器拓扑。以下测试显示了如何监控输出级信号的质量,然后对电路进行优化和改进。该输出级拓扑的级增益刚好小于1,因此可以比较容易地移出反馈环路。

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  图1 基本的功率放大器电路 

  二、测试调试过程

  对于以下所有测试,我们使用的是老款的ADC216及BlackStar的高质量信号发生器,对于新的型号PicoScope 4262则无需额外的信号发生器,其内置的高质量信号发生器即可使用。下面的PicoScope界面上的波形频谱曲线显示了信号发生器的纯1kHz音调(图2),可以看到信号的底噪低于100dB,如此低的底噪是普通的8位示波器无法观察到的,因为8位示波器的仪器底噪会远高于100dB。

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  图2 信号发生器的波形

  将PicoScope 4262连接到电路中的‘A’点,信号发生器连接到电路的输入端。下面的PicoScope屏幕截图显示了点‘A’处的信号,如下图3所示。很明显,运算放大器当前的工作状态是合理的,因为其符合应用了大量的负反馈后的预期结果。

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  图3 A点的波形

  如果我们现在查看点‘B’处的输出,我们可以看到在示波器轨迹上清晰可见的严重的交叉失真,如下图4所示。谐波频谱信息还表明三次谐波分量是谐波中最大的问题。连接到点‘B’处的负载电阻为2k2。很明显,输出级遭受严重的交叉失真效应。

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  图4 B点的波形

  如果我们继续监测‘B’点,但是通过将运算放大器的反相输入连接到点‘B’,将输出级移到反馈环路内,我们注意到输出级失真大幅减少。实际上,如果您只关注传统示波器上的示波器轨迹,您将看不到任何问题。这就是PicoScope频谱分析的功能与PicoScope 4262的高灵敏度相结合的关键所在。然而,失真问题在频谱视图中仍然很明显,如下图5所示。

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  图5 B点与放大器反相输入连接后B点的输出波形

  如果我们将PicoScope 4262(ADC-216)连接回点‘A’但将输出级保持在反馈环路中,我们可以看到运算放大器正不得不使用哪些校正以消除输出级产生的误差。运算放大器跟随正弦信号波形的正负峰值,但在交叉点附近,它必须非常努力地掩盖输出级误差。它必须快速通过输出级没有执行的点。很明显,运算放大器需要具有比课本中最初所建议的更高的转换速率,以便补偿设计不良的输出级。这使得早期增益级的设计比它们需要的更加困难和昂贵(图6)。

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  图6 B点与放大器反相输入连接后A点的输出波形

  接下来,通过使用简单的二极管压降技术在输出器件的基极之间施加偏置电压来改善输出电路。下面的视图再次显示了‘B’点的输出。可以看出,增加少量偏置使THD读数提高了近10 dB(图7)。

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  图7增加偏置电压后B点的输出波形

  如果我们再次观察增加偏置电压后的点‘A’,我们可以看到运算放大器不需要如此高的压摆率,因为它不必很难的掩盖输出级的缺陷(图8)。

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  图8增加偏置电压后A点的输出波形

  本技术说明介绍了一种简单的应用,可以使用PicoScope中功能强大的FFT频谱图评估放大器输出级设计的性能。根据一些经验,可以从它们的特征频谱图中识别出许多问题,否则这些问题可能会被忽视但导致声音再现不良或有色。

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