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输入阻抗和反射

热度 9已有 1010 次阅读| 2023-8-10 08:59 |个人分类:模拟电路的问题|系统分类:芯片设计| 输入阻抗, 反射, 运放, 带宽, thd, thd

信号链上，PGA、TIA或filter的有用信号带外（一般指高频信号）的信号往往不是零，如果没有考虑到带外信号的影响，在应用中会因为带外信号“反射”引起带内信号质量下降。

我在音频电路设计时首先遇到这个问题：sdm dac电流舵的电流给到耳机放大器（headphone，是一个TIA）的输入，由于sdm dac一般是几兆赫兹或几十兆赫兹的采样率（fs），在headphone输入端会“看到”fs频率的信号，能量大约-4dBFs，有用信号20Hz~20KHz。

如果headphone的运放带宽接近或低于fs，那么信号的thd会出现极度恶化，这是什么原因呢？

从输入阻抗的角度比较好解释：

信号“看到”tia的输入阻抗=Rf/A(s) ，其中Rf是反馈电阻，A(s)是运放的幅频响应函数。低频是A(s)大约为80dB 因此低频时的tia输入阻抗是Rf/10000, 高频时A(s)在1附近甚至小于1，输入阻抗大于等于Rf。 因此高频信号在运放输入端产生了“扰动”，导致运放差分输入电压差不再是0，从而影响低频的thd。

后来我在rf接收机电路中，也遇到同样的问题。处理方法就是做大运放GBW，同时在Rf上并联电容Cf。

图片.png

我于是在思考另外一个问题，如果是电压放大器，而不是tia会有类似的问题吗？答案是肯定的，我们来做如下分析：

图片.png

在电压放大器中，Rin=R1+R2/A(s)，一般低频应用我们认为Rin=R1，但是当输入出现高频信号时，还是会出现“反射”现象，“反射”是由于接收电路的阻抗变大，导致接收电路失去“虚短”特性从而引起thd恶化。

图中运放差分对的电压差在A(s)接近1时变得域Vi接近，从而使thd恶化。

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发表评论评论 (11 个评论)

回复 hebut_wolf 2023-8-23 09:51: 为了简化，用了A(s)在1附近来说明问题，实际上A(s)>1 也存在反射问题，这与Rf的取值有关。

回复 Axxxy 2023-8-23 10:01: 从公式上看tia的反射问题比电压放大器更严重是吗？

回复 hebut_wolf 2023-8-23 10:03: Axxxy: 从公式上看tia的反射问题比电压放大器更严重是吗？
tia 的反射域Rf的值有关，pga（电压放大器）与R1、R2的比值有关
一般tia会作为第一级放大器，因此“反射”问题更值得关注。

回复 nanke 2023-8-23 10:37: 看到有论文和音频相关的书籍会提到，audio dac还需要关注高频噪声，高频噪声过大会导致后级电路非线性，不清楚后级是啥电路，影响有多大？如果是line out后边是PA, PA之后呢？高频噪声具体怎么影响性能的？

回复 jojenwong 2023-8-23 10:51: 楼主有研究过电池的内阻对于 audio DAC的thd性能影响吗；最近需要做一个LDO，用来减少电池的等效阻抗，用于给 class D类型的dac供电，但是THD的性能还是有所恶化，一直做不上去

回复 hebut_wolf 2023-8-23 11:06: nanke: 看到有论文和音频相关的书籍会提到，audio dac还需要关注高频噪声，高频噪声过大会导致后级电路非线性，不清楚后级是啥电路，影响有多大？如果是line out后边是P ...
我遇到过 line out后面接PA（PA是外接的也是自己公司的产品），line out输出thd很好，但是PA却不行了，当时的改进方法是在两者中间加rc滤波，成功解决了，如果PA设计者能够解决PA的pga电路考虑反射问题，应该就不用加片外滤波了。

回复 hebut_wolf 2023-8-23 11:13: jojenwong: 楼主有研究过电池的内阻对于 audio DAC的thd性能影响吗；最近需要做一个LDO，用来减少电池的等效阻抗，用于给 class D类型的dac供电，但是THD的性能还是有所恶 ...
DAC我研究不深它的thd有很多瓶颈，你说的电源内阻确实是一个，对于100dB sdnr的dac 电源内阻1ohm的差别都会有几dB的恶化具体原理我没想清楚，我很疑惑为啥dac对电源的阻抗要求这么高呢？

回复 nanke 2023-8-23 11:15: hebut_wolf: 我遇到过 line out后面接PA（PA是外接的也是自己公司的产品），line out输出thd很好，但是PA却不行了，当时的改进方法是在两者中间加rc滤波，成功解决了，如果PA ...
谢谢你的分享。不太理解高频的”反射|或者“非线性”怎么影响低频的。猜测是有频率调制，但怎么调制到低频的不理解，具体公式也不知道怎么推导。

回复 hebut_wolf 2023-8-23 11:24: nanke: 谢谢你的分享。不太理解高频的”反射|或者“非线性”怎么影响低频的。猜测是有频率调制，但怎么调制到低频的不理解，具体公式也不知道怎么推导。 ...
比较直观的解释是，高频信号在运放输入端产生了差分量（“扰动”），比如有300mV以上的差分量，而且是波动的。
这样运放差分对的状态就不是平衡状态了，线性度自然变差。前级是sdm dac提供信号的tia 如果带宽比较小，tran都仿放出这个问题。

回复 Li_12 2023-9-18 15:01: hebut_wolf: DAC我研究不深它的thd有很多瓶颈，你说的电源内阻确实是一个，对于100dB sdnr的dac 电源内阻1ohm的差别都会有几dB的恶化具体原理我没想清楚，我很疑惑为啥d ...
电流源的有限输出阻抗主要引起HD3。电流舵DAC的原理是将电流源并联，施加到负载电阻产生输出电压。当电流源是有限输出阻抗时，输出阻抗为Rout=RL//(ro/j)，式中Rout是输出阻抗，RL是负载电阻，ro是单个电流源输出阻抗，j是并联的电流源数量。当输出变化，j变化，导致Rout变化，引起系统误差。