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

一、功率放大器電路

下圖1顯示了一個基本的功率放大器電路。所示的輸出級是簡單且廣泛使用的射極跟隨器拓撲。以下測試顯示了如何監(jiān)控輸出級信號的質(zhì)量，然后對電路進行優(yōu)化和改進。該輸出級拓撲的級增益剛好小于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、測試調(diào)試過程

對于以下所有測試，我們使用的是老款的ADC216及BlackStar的高質(zhì)量信號發(fā)生器，對于新的型號PicoScope 4262則無需額外的信號發(fā)生器，其內(nèi)置的高質(zhì)量信號發(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發(fā)生器的純1kHz音調(diào)（圖2），可以看到信號的底噪低于100dB，如此低的底噪是普通的8位示波器無法觀察到的，因為8位示波器的儀器底噪會遠高于100dB。

圖2 信號發(fā)生器的波形

將ADC-216（PicoScope 4262）連接到電路中的‘A’點，信號發(fā)生器連接到電路的輸入端。下面的PicoScope屏幕截圖顯示了點‘A’處的信號，如下圖3所示。很明顯，運算放大器當前的工作狀態(tài)是合理的，因為其符合應用了大量的負反饋后的預期結(jié)果。

圖3 A點的波形

如果我們現(xiàn)在查看點‘B’處的輸出，我們可以看到在示波器軌跡上清晰可見的嚴重的交叉失真，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‘B’處的負載電阻為2k2。很明顯，輸出級遭受嚴重的交叉失真效應。

圖4 B點的波形

如果我們繼續(xù)監(jiān)測‘B’點，但是通過將運算放大器的反相輸入連接到點‘B’，將輸出級移到反饋環(huán)路內(nèi)，我們注意到輸出級失真大幅減少。實際上，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點與放大器反相輸入連接后B點的輸出波形

如果我們將PicoScope 4262（ADC-216）連接回點‘A’但將輸出級保持在反饋環(huán)路中，我們可以看到運算放大器正不得不使用哪些校正以消除輸出級產(chǎn)生的誤差。運算放大器跟隨正弦信號波形的正負峰值，但在交叉點附近，它必須非常努力地掩蓋輸出級誤差。它必須快速通過輸出級沒有執(zhí)行的點。很明顯，運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，以便補償設(shè)計不良的輸出級。這使得早期增益級的設(shè)計比它們需要的更加困難和昂貴（圖6）。

圖6 B點與放大器反相輸入連接后A點的輸出波形

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點的輸出波形

如果我們再次觀察增加偏置電壓后的點‘A’，我們可以看到運算放大器不需要如此高的壓擺率，因為它不必很難的掩蓋輸出級的缺陷（圖8）。

圖8增加偏置電壓后A點的輸出波形

本技術(shù)說明介紹了一種簡單的應用，可以使用PicoScope中功能強大的FFT頻譜圖評估放大器輸出級設(shè)計的性能。根據(jù)一些經(jīng)驗，可以從它們的特征頻譜圖中識別出許多問題，否則這些問題可能會被忽視但導致聲音再現(xiàn)不良或有色。