小信号放大 经典斩波稳压放大器电路分析

斩波稳压放大器就最低的偏移量和漂移性能而言斩波器稳定放大器或许是唯一可行的解决方案。最佳的双极性放大器可提供10微伏的偏移电压和0.1微伏/°C的漂移。使用斩波器时可以取得偏移电压低于5微伏且几乎不存在可测量的偏移漂移的效果尽管这也会带来一些相应的代价。基本的斩波放大器电路如图3.46所示。当开关处于“Z”(自动归零)位置时电容器C2和C3分别被充至放大器输入端和输出端的偏置电压。当开关处于“s(采样)位置时VIN通过由R1、R2、C2、放大器、C3和R3组成的路径与VoUT相连接。斩波频率通常介于数百Hz到几kHz之间。需要注意的是由于这是一个采样系统输入频率必须远低于斩波频率的一半以避免因混叠导致的误差。R1/C1组合用作抗锯齿滤波器。此外假设在达到稳定状态后在切换周期内仅会有少量电荷发生转移。输出电容器C4和负载RL的选择必须确保在自动归零周期内VOUT压降保持在最小程度。信号调理放大器图3.46中所示的基本斩波放大器只能通过非常低的频率这是由于为防止混叠而需进行的输入滤波所致。图3.47中展示的斩波稳幅架构在斩波放大器实现中最为常用。在此电路中A1是主放大器而A2是消零放大器。在采样模式下(开关置于“S”位置时)消零放大器A2会监测A1的输入偏置电压并通过在A1的零位引脚处施加适当的校正电压来使输出归零。但需注意的是A2同样具有输入偏置电压因此它必须在尝试抵消A1的偏置之前先纠正自身的误差。这可通过自动归零模式(开关置于“Z”位置)来实现:短暂地将A2与A1断开连接使A2的输入端与A1的输入端短接同时将A2的输出端耦合至其自身的归零引脚。在自动归零模式下C1会暂时保持A1的校正电压:。同样地C2在采样模式下也会保持A2的校正电压。在现代IC斩波稳幅运算放大器中存储电容C1和C2是集成在芯片内部的。请留意此架构中的细节:输入信号始终通过A1连接至输出端。因此A1的带宽决定了整体信号的带宽范围且输入信号并不局限于传统斩波放大器架构中那种低于半个斩波频率的限制。然而这种切换操作确实会在斩波频率处产生微小的瞬变现象这些瞬变可能会与输入信号频率混合从而产生带内失真。思考斩波放大器对低频1/f噪声的影响是一件有趣的事情。如果斩波频率显著高于输入噪声的1/f转折频率那么斩波稳幅放大器便能逐样本地持续消除1/f噪声。理论上斩波运算放大器因此不会产生1/f噪声。然而斩波操作会生成宽频噪声这种噪声通常远逊于精密双极性运算放大器的表现,图3.48显示了精密双极放大器(OP177/AD707)的噪声与AD8551/52/54斩波稳幅运算放大器的噪声对比情况。表格中列出了在不同带宽下各器:件的峰-峰值噪声值。请注意随着频率的降低斩波放大器噪声持续降低而双极放大器噪声则接近由1/f转折频率及其白噪声所决定的极限值(见图3.9)。在极低频率下斩波器的噪声性能优于双极运算放大器。图3.48AD8551/8552/8554系列斩波稳压运算放大器具备轨至轨输入和输出、单电源工作模式、低偏移电压以及低偏移漂移特性。存储电容内置于ICC中除标准去耦电容外无需任何外部电容。这些器件的关键特性参数见图3.49。需要注意的是在应用这些器件时必须格外谨慎以避免因寄生热电偶效应而影响其偏移和漂移性能的全面实现。有关寄生热电偶的进一步讨论可见于第10部分。