斬波型運放及其噪聲

2020-12-25 EDN電子設計技術

斬波型運放提供較低的失調電壓，同時也極大地減少了1 / f(閃爍)噪聲。它是怎麼做到的？這篇短文就來討論這個主題。xpZednc

斬波運放的輸入級如圖1所示，是一個具有差動輸入和差動輸出的相對傳統的跨導放大器。斬波開關完成輸入和輸出正負極的換向，輸入和輸出的換向是同步的。由於差動輸入和輸出同時換向，開關網絡將在電容C1上產生恆定的信號。xpZednc

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跨導放大級的失調電壓存在於輸入開關網絡，它被輸出開關反向並周期性地傳送到輸出端。失調電壓引起的輸出電流會導致電容C1兩端產生電壓，這個電壓會隨著換向開關的換向而以相同斜率上升和下降。運放內部邏輯通過平衡上升和下降時間來保證電容C1輸出電壓為零，從而實現零失調。xpZednc

早期的斬波只提供有限的三角波噪聲的濾除，這導致它們被標上產生惡劣噪聲設備的標籤，並僅僅被用於那些將失調電壓做為關鍵性能的場合。（這也許是發出大噪聲的摩託車名字的來源。）特別麻煩的是，預斬波失調電壓決定了三角波的幅度，因此斬波噪聲個體差異性很大。xpZednc

新一代斬波器安靜多了，它集成了開關電容濾波器，這個濾波器在斬波頻率及奇次諧波處具有多個陷波點。同時，在傳輸到下一級之前，完成電容C1的充放電。集成的充放電技術，使網絡的輸出均值十分接近零。在頻域，它具有sinc(x) 或sin(x)/x 濾波器的頻率響應特性，可以精確的通過基波並濾除三角波各次諧波。xpZednc

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輸出交互網絡中的8個開關交替給2個電容C1充電。這種設計允許輸入信號在一個電容上積分的同時，另一個電容將信號傳遞到下一級。xpZednc

因為1/f(閃爍)噪聲是一個緩慢的時變的失調電壓，斬波器事實上也抑制了這種低頻範圍內噪聲譜密度的增加。斬波將基帶信號推移到斬波頻率的範圍，超過了輸入級的1/f頻率範圍。因此，斬波放大器的低頻段有著與運放高頻段相同的噪聲譜。xpZednc

我已經將所有信號中的噪聲清除乾淨了，這樣就具有完美的零失調。當然，這裡仍然存在一些失調誤差，這是由於開關過程中充電時的損耗和電容失配以及寄生參數產生的影響。輸入級增益大量減少了後級對失調的貢獻。總體來說，寬帶放大器要求更快的斬波頻率，這增加了充電時的損耗誤差。這種誤差在整個產品的生命周期中溫度穩定，這是這類設備重要的屬性。xpZednc

即便如此，我也不認為現代的斬波運放可以取代和限制標準運放的使用，但新一代的斬波運放應用更為廣泛。它們提供低且穩定的失調電壓，幾乎沒有閃爍噪聲，已經非常接近標準運放了。xpZednc

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