如何在放大器設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)斬波穩(wěn)定？

自從推出半導(dǎo)體放大器以來(lái)，模擬和混合信號(hào)設(shè)計(jì)人員就一直在其電路設(shè)計(jì)中面臨放大器1 / f噪聲以及DC偏移和漂移的挑戰(zhàn)。該博客旨在為設(shè)計(jì)師提供有關(guān)如何在其設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)斬波穩(wěn)定的基本知識(shí)。

根據(jù)凌力爾特公司（Linear Technology）的吉姆·威廉姆斯（Jim Williams）所說(shuō)，斬波穩(wěn)定的方法是由EA戈德堡（EA Goldberg）在1948年開(kāi)發(fā)的，它使用放大器的輸入來(lái)對(duì)交流載波進(jìn)行幅度調(diào)制。該載波被放大并同步解調(diào)回DC，并提供放大器的輸出。由于直流輸入被轉(zhuǎn)換為交流信號(hào)并放大為交流信號(hào)，因此放大器的直流項(xiàng)不會(huì)影響整體漂移。因此，斬波穩(wěn)定型放大器與傳統(tǒng)差分類型相比，可實(shí)現(xiàn)更低的時(shí)間和溫度漂移。

圖1開(kāi)關(guān)在經(jīng)典的斬波穩(wěn)定型運(yùn)算放大器中實(shí)現(xiàn)調(diào)制。資料來(lái)源：ADI公司

如圖1所示，開(kāi)關(guān)執(zhí)行調(diào)制，從而使輸入在斬波頻率下乘以方波。結(jié)果，由于輸入抗混疊濾波器，放大器將僅使低頻通過(guò)。

現(xiàn)在，讓我們看一個(gè)改進(jìn)的自動(dòng)歸零或斬波穩(wěn)定放大器（圖2）。

圖2該圖顯示了一種改進(jìn)的自動(dòng)歸零或斬波穩(wěn)定放大器。資料來(lái)源：ADI公司

在此，A1是主放大器，其中輸入信號(hào)始終連接到輸出，而A2執(zhí)行歸零自動(dòng)歸零放大器功能。

該做什么和不該做什么

要注意避免與容性負(fù)載發(fā)生共振

設(shè)計(jì)人員需要了解運(yùn)算放大器的復(fù)數(shù)輸出阻抗（Z0）及其與容性負(fù)載的相互作用。一旦補(bǔ)償了運(yùn)算放大器，應(yīng)用電路將變得穩(wěn)定。

避免1/f噪音

避免1 / f噪聲的一種方法是將信號(hào)調(diào)制到?jīng)]有1 / f噪聲的區(qū)域，然后對(duì)其進(jìn)行解調(diào)。這種被稱為斬波穩(wěn)定的方法已經(jīng)使用了很多年，以將1 / f噪聲移至另一個(gè)頻帶，在該頻帶中可以將其濾除。零漂移運(yùn)算放大器利用這種方法來(lái)獲得從0.1 Hz到10 Hz的接近100 nV pp（16 nV rms）的噪聲電平，這主要是由白噪聲引起的。

不要以為現(xiàn)代斬波運(yùn)算放大器會(huì)消除對(duì)標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器的需求

但是，當(dāng)今的新一代斬波放大器在更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域中很有用。它們具有強(qiáng)大的失調(diào)電壓穩(wěn)定性，幾乎沒(méi)有閃爍噪聲，并且具有非常接近標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器的性能。

現(xiàn)實(shí)世界中的設(shè)計(jì)實(shí)例

通常與物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用相關(guān)的加速度計(jì)，角速度傳感器和霍爾傳感器等設(shè)備在從模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)時(shí)需要高效的后處理。電壓至頻率轉(zhuǎn)換器是此處的解決方案，電壓至頻率轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部分是精密運(yùn)算放大器。

斬波穩(wěn)定型運(yùn)算放大器是精密運(yùn)算放大器，可不斷校正放大器輸入兩端的低頻誤差。

斬波運(yùn)算放大器通常用于工業(yè)和儀器儀表應(yīng)用，尤其是在需要低工作功率的情況下。加上合適的ADC，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)24位精度的可靠性能。典型的應(yīng)用可能是斬波穩(wěn)定的運(yùn)算放大器，用作緩沖的精密電壓或電流源，或者用作傳感器應(yīng)用中的前端增益放大器，或者同時(shí)用作這兩種角色。

另一個(gè)常見(jiàn)的應(yīng)用是可以使用高精度的24位sigma-delta ADC將壓力感測(cè)橋的輸出數(shù)字化。設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)是，高端sigma-delta ADC的差分輸入通常需要進(jìn)行緩沖，以防止其干擾傳感器性能。

在這里，斬波穩(wěn)定的放大器非常適合用作該緩沖器，因?yàn)槌Ｒ?guī)的儀器拓?fù)錈o(wú)法滿足噪聲，電壓偏移（VOS）或漂移規(guī)范的要求。單獨(dú)的參考電壓通常不會(huì)驅(qū)動(dòng)壓力傳感器電橋。它的輸出必須經(jīng)過(guò)緩沖，以確保橋接傳感器的有效電壓在溫度和時(shí)間范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。

新一代的斬波器比早期的斬波器要安靜得多?，F(xiàn)代斬波器包含一個(gè)開(kāi)關(guān)電容器濾波器，該濾波器具有多個(gè)與斬波頻率及其奇次諧波對(duì)齊的陷波。在頻域中，這將產(chǎn)生一個(gè)sinc（x）或sin（x）/ x濾波器響應(yīng)，其零點(diǎn)與三角波的基波和所有諧波精確對(duì)準(zhǔn)（圖3）。

圖3斬波運(yùn)算放大器的濾波器響應(yīng)的輸入級(jí)顯示了新一代斬波運(yùn)算放大器如何將開(kāi)關(guān)電容器濾波器與具有與斬波頻率和諧波對(duì)齊的多個(gè)陷波的濾波器相結(jié)合。資料來(lái)源：德州儀器（Texas Instruments）

由于1 / f或閃爍噪聲只是一個(gè)隨時(shí)間變化的緩慢偏移電壓，因此斬波器可以消除低頻范圍內(nèi)這種增加的噪聲頻譜密度中的大部分。斬波動(dòng)作會(huì)將基帶信號(hào)移至斬波頻率，該頻率遠(yuǎn)超出輸入級(jí)的1 / f區(qū)域。因此，斬波放大器的低頻信號(hào)范圍的噪聲頻譜密度等于放大器高頻范圍的噪聲頻譜密度。