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博文連載：看一個(gè)TI老工程師如何馴服精密放大器 斬波型運(yùn)放提供較低的失調(diào)電壓，同時(shí)也極大地減少了1/ f(閃爍)噪聲。它是怎么做到的？這篇短文就來討論這個(gè)主題。 斬波運(yùn)放的輸入級(jí)如圖1所示，是一個(gè)具有差動(dòng)輸入和差動(dòng)輸出的相對(duì)傳統(tǒng)的跨導(dǎo)放大器。斬波開關(guān)完成輸入和輸出正負(fù)極的換向，輸入和輸出的換向是同步的。由于差動(dòng)輸入和輸出同時(shí)換向，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)將在電容C1上產(chǎn)生恒定的信號(hào)。 
跨導(dǎo)放大級(jí)的失調(diào)電壓存在于輸入開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，它被輸出開關(guān)反向并周期性地傳送到輸出端。失調(diào)電壓引起的輸出電流會(huì)導(dǎo)致電容C1兩端產(chǎn)生電壓，這個(gè)電壓會(huì)隨著換向開關(guān)的換向而以相同斜率上升和下降。運(yùn)放內(nèi)部邏輯通過平衡上升和下降時(shí)間來保證電容C1輸出電壓為零，從而實(shí)現(xiàn)零失調(diào)。 早期的斬波只提供有限的三角波噪聲的濾除，這導(dǎo)致它們被標(biāo)上產(chǎn)生惡劣噪聲設(shè)備的標(biāo)簽，并僅僅被用于那些將失調(diào)電壓做為關(guān)鍵性能的場(chǎng)合。（這也許是發(fā)出大噪聲的摩托車名字的來源。）特別麻煩的是，預(yù)斬波失調(diào)電壓決定了三角波的幅度，因此斬波噪聲個(gè)體差異性很大。 新一代斬波器安靜多了，它集成了開關(guān)電容濾波器，這個(gè)濾波器在斬波頻率及奇次諧波處具有多個(gè)陷波點(diǎn)。同時(shí)，在傳輸?shù)较乱患?jí)之前，完成電容C1的充放電。集成的充放電技術(shù)，使網(wǎng)絡(luò)的輸出均值十分接近零。在頻域，它具有sinc(x) 或sin(x)/x 濾波器的頻率響應(yīng)特性，可以精確的通過基波并濾除三角波各次諧波。
輸出交互網(wǎng)絡(luò)中的8個(gè)開關(guān)交替給2個(gè)電容C1充電。這種設(shè)計(jì)允許輸入信號(hào)在一個(gè)電容上積分的同時(shí)，另一個(gè)電容將信號(hào)傳遞到下一級(jí)。 因?yàn)?/f(閃爍)噪聲是一個(gè)緩慢的時(shí)變的失調(diào)電壓，斬波器事實(shí)上也抑制了這種低頻范圍內(nèi)噪聲譜密度的增加。斬波將基帶信號(hào)推移到斬波頻率的范圍，超過了輸入級(jí)的1/f頻率范圍。因此，斬波放大器的低頻段有著與運(yùn)放高頻段相同的噪聲譜。 我已經(jīng)將所有信號(hào)中的噪聲清除干凈了，這樣就具有完美的零失調(diào)。當(dāng)然，這里仍然存在一些失調(diào)誤差，這是由于開關(guān)過程中充電時(shí)的損耗和電容失配以及寄生參數(shù)產(chǎn)生的影響。輸入級(jí)增益大量減少了后級(jí)對(duì)失調(diào)的貢獻(xiàn)。總體來說，寬帶放大器要求更快的斬波頻率，這增加了充電時(shí)的損耗誤差。這種誤差在整個(gè)產(chǎn)品的生命周期中溫度穩(wěn)定，這是這類設(shè)備重要的屬性。 即便如此，我也不認(rèn)為現(xiàn)代的斬波運(yùn)放可以取代和限制標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)放的使用，但新一代的斬波運(yùn)放應(yīng)用更為廣泛。它們提供低且穩(wěn)定的失調(diào)電壓，幾乎沒有閃爍噪聲，已經(jīng)非常接近標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)放了。 |
