本文是一篇測(cè)試實(shí)例，利用Pico Technology 的16位示波器ADC216（或新型號(hào) PicoScope 4262）的頻譜分析儀功能及自動(dòng)頻譜測(cè)量參數(shù)來協(xié)助音頻放大器的設(shè)計(jì)和測(cè)試。ADC216（PicoScope 4262）的16位ADC分辨率、極低的本底噪聲（8.5uV RMS）、102dB的動(dòng)態(tài)范圍、16位分辨率的AWG、以及配置的自動(dòng)化頻譜測(cè)量參數(shù)等優(yōu)秀性能使其非常適合于音頻信號(hào)的測(cè)試，可與頻譜分析儀、音頻分析儀相媲美，而且具有極高的性價(jià)比。

一、功率放大器電路

下圖1顯示了一個(gè)基本的功率放大器電路。所示的輸出級(jí)是簡單且廣泛使用的射極跟隨器拓?fù)洹Ｒ韵聹y(cè)試顯示了如何監(jiān)控輸出級(jí)信號(hào)的質(zhì)量，然后對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。該輸出級(jí)拓?fù)涞募?jí)增益剛好小于1，因此可以比較容易地移出反饋環(huán)路。

圖1 基本的功率放大器電路

二、測(cè)試調(diào)試過程

對(duì)于以下所有測(cè)試，我們使用的是老款的ADC216及BlackStar的高質(zhì)量信號(hào)發(fā)生器，對(duì)于新的型號(hào)PicoScope 4262則無需額外的信號(hào)發(fā)生器，其內(nèi)置的高質(zhì)量信號(hào)發(fā)生器即可使用。下面的PicoScope界面上的波形頻譜曲線顯示了信號(hào)發(fā)生器的純1kHz音調(diào)（圖2），可以看到信號(hào)的底噪低于100dB，如此低的底噪是普通的8位示波器無法觀察到的，因?yàn)?位示波器的儀器底噪會(huì)遠(yuǎn)高于100dB。

圖2 信號(hào)發(fā)生器的波形

將ADC-216（PicoScope 4262）連接到電路中的‘A’點(diǎn)，信號(hào)發(fā)生器連接到電路的輸入端。下面的PicoScope屏幕截圖顯示了點(diǎn)‘A’處的信號(hào)，如下圖3所示。很明顯，運(yùn)算放大器當(dāng)前的工作狀態(tài)是合理的，因?yàn)槠浞蠎?yīng)用了大量的負(fù)反饋后的預(yù)期結(jié)果。

圖3 A點(diǎn)的波形

如果我們現(xiàn)在查看點(diǎn)‘B’處的輸出，我們可以看到在示波器軌跡上清晰可見的嚴(yán)重的交叉失真，如下圖4所示。諧波頻譜信息還表明三次諧波分量是諧波中最大的問題。連接到點(diǎn)‘B’處的負(fù)載電阻為2k2。很明顯，輸出級(jí)遭受嚴(yán)重的交叉失真效應(yīng)。

圖4 B點(diǎn)的波形

如果我們繼續(xù)監(jiān)測(cè)‘B’點(diǎn)，但是通過將運(yùn)算放大器的反相輸入連接到點(diǎn)‘B’，將輸出級(jí)移到反饋環(huán)路內(nèi)，我們注意到輸出級(jí)失真大幅減少。實(shí)際上，如果您只關(guān)注傳統(tǒng)示波器上的示波器軌跡，您將看不到任何問題。這就是PicoScope頻譜分析的功能與ADC-216（或PicoScope 4262）的高靈敏度相結(jié)合的關(guān)鍵所在。然而，失真問題在頻譜視圖中仍然很明顯，如下圖5所示。

圖5 B點(diǎn)與放大器反相輸入連接后B點(diǎn)的輸出波形

如果我們將PicoScope 4262（ADC-216）連接回點(diǎn)‘A’但將輸出級(jí)保持在反饋環(huán)路中，我們可以看到運(yùn)算放大器正不得不使用哪些校正以消除輸出級(jí)產(chǎn)生的誤差。運(yùn)算放大器跟隨正弦信號(hào)波形的正負(fù)峰值，但在交叉點(diǎn)附近，它必須非常努力地掩蓋輸出級(jí)誤差。它必須快速通過輸出級(jí)沒有執(zhí)行的點(diǎn)。很明顯，運(yùn)算放大器需要具有比課本中最初所建議的更高的轉(zhuǎn)換速率，以便補(bǔ)償設(shè)計(jì)不良的輸出級(jí)。這使得早期增益級(jí)的設(shè)計(jì)比它們需要的更加困難和昂貴（圖6）。

圖6 B點(diǎn)與放大器反相輸入連接后A點(diǎn)的輸出波形

接下來，通過使用簡單的二極管壓降技術(shù)在輸出器件的基極之間施加偏置電壓來改善輸出電路。下面的視圖再次顯示了‘B’點(diǎn)的輸出?？梢钥闯?，增加少量偏置使THD讀數(shù)提高了近10 dB（圖7）。

圖7增加偏置電壓后B點(diǎn)的輸出波形

如果我們?cè)俅斡^察增加偏置電壓后的點(diǎn)‘A’，我們可以看到運(yùn)算放大器不需要如此高的壓擺率，因?yàn)樗槐睾茈y的掩蓋輸出級(jí)的缺陷（圖8）。

圖8增加偏置電壓后A點(diǎn)的輸出波形

本技術(shù)說明介紹了一種簡單的應(yīng)用，可以使用PicoScope中功能強(qiáng)大的FFT頻譜圖評(píng)估放大器輸出級(jí)設(shè)計(jì)的性能。根據(jù)一些經(jīng)驗(yàn)，可以從它們的特征頻譜圖中識(shí)別出許多問題，否則這些問題可能會(huì)被忽視但導(dǎo)致聲音再現(xiàn)不良或有色。