组合斩波器以增加带宽

     （华强电子世界网讯） 对于精确地放大非常小的信号，简单的斩波放大器很适用，不过带宽有限。通过“组合”一个斩波器，带宽就能增加，使斩波器在更多的应用设备中都有用武之地。
    
     很多应用设备都需要精确地放大非常小的信号。典型例子就是热电偶和热电堆的测量。为了精确放大这些低压信号，信号放大器自己的偏移电压和噪声必须很低，不会给得到的信号增加明显误差。
    
     信号的精确放大，或者说放大器的精度，是由下列方程式定义的：
    
    
    
    
    
     用文字表达，放大器的精度定义如下：
    
     输出电压/开环增益 + 失调电压 +（同相输入端输入偏置电流）×（同相输入端源阻抗）+（反相输入端输入偏置电流）×（反相输入端源阻抗）+共模电压/共模抑制比
    
     第一个因素确定开环增益的效果。较高的开环增益导致较高的精度。这就是高精度放大器具有非常高增益的原因，通常超过 100dB，使这个误差来源降到最低程度。
    
     第二个因素是电压，非常明显。然而，斩波放大器在有效消除这种误差方面做得很好。下面将探讨它们的做法。
    
     接下来的两个因素是偏置电流。共模抑制比 (CMRR) 表明：随着输入管脚上的电压接近两个轨道中的任何一个，失调非常厉害。
    
     现在，返回第二个因素，即失调误差或失调电压：在真正高增益的放大器中，它是误差的主要来源。
    
     例如，一个增益为 -100 的反相器可能具有 1mV 的偏移电压。如果增益为 100，那么输出端的误差是 0.1V。如果放大器的增益是 1,000，那么误差就是 1V，原因就是 1mV 偏移。
    
    
    
     图中文字的译文：
     Time Domain：时域 Some amplifier：某放大器 1/f corner：1/f 拐点 flat band：平带 Freq Domain：频域
    
     高增益放大器中的噪声还影响精度。图 1 是运算放大器频域中的典型噪声图。噪声电平在 直流时很高，然后下降，并形成拐点，即 l/F 拐点。
    
     l/F 拐点是个临界点，在查看数据表上的噪声说明时，您必须仔细。当某些运算放大器说自己的噪声很低时，例如音频放大器，它们的意思几乎都是说 l/F 拐点很低，可能低于 20Hz。例如，很多时候，当您阅读数据表的第一页时，您将看到零件的噪声是。这不是在直流时的噪声，也不是在 1/F 拐点的噪声。它是对 1/F 拐点之后的那个区域的说明，该区域处于所谓的“平带”中。它不反映放大器在放大接近直流的信号时在噪声方面产生的影响。
    
     为什么要使用斩波器
    
     图 1 是运算放大器的典型噪声图，而图 2 则是斩波放大器的典型噪声图。
    
    
    
     图中文字的译文：
     You know it works good at DC：您知道，它在 直流时操作得很好。
     So it must improve this too：因此它肯定也会改善这个地方。
     Chopping freq：斩波频率
     Frequency Domain：频域
    
     您可以看到，在直流时的失调和噪声明显降低，噪声曲线将固定在 直流处的一个很低的值。另外，在现实世界中，影响几乎是单调的，没有什么事情会突然迅速变化，因此，您可以看到，斩波器的噪声性能还将如何改善 1/F 拐点周围的噪声指标。
    
     然而，利用斩波器获得优异直流性能的折衷，是在放大器的斩波频率处增加噪声尖峰。斩波频率随不同制造商的放大器而变化。它对于某些斩波器可能仅为数百赫兹，而对其它斩波器可能高达数万赫兹。例如，美国国家半导体公司的 LMV2011 高精度运算放大器于 25kHz时操作。
    
     如果您正在测量应变计，并且试图查明引擎里的什么东西是否正在弯曲，那么25KHz 就远超过您感兴趣的频率了。因此，您通常可以把它过滤掉，并知道它对测量精度影响不大。
    
     斩波器技术细节
    
     不过，斩波器如何降低自己的失调电压呢？
    
    
    
    
     图 3 描绘了斩波器以差分模式来工作的步骤。图 3A 显示了一对开关，它们被加到交流放大器的输出端。两个开关并联工作。随着它们都降低一个槽口，运算放大器的低输出管脚会接地，然后，当这对开关切换回来时，高管会脚接地。在你来回切换开关时，你同时是在切换输出的极性。
    
     任何偏移电压和低频噪声都将转化成交流信号 Vos，当开关在某个位置时，它等于 +Vos，而当开关在另一个位置时，它将等于 -Vos。可以很容易把它过滤掉。然而，您输入放大器的任何信号也将被翻转，就象失调电压那样。
    
     避开这个难题的方法就是在放大器的输入端安装同步开关。（见图 3B。）这些开关并联工作，并与输出端的开关同步。
    
     通过把这些开关安装在输入端，您可以同步切换输入信号的极性，这样，输入信号在输出端仍保持自己的极性。例如，输入的 +1V 在放大器的另一端仍然是 +1V。然而，在放大器输入端的输入开关右侧的失调电压极性将被切换，如图 3A 所示。
    
     因此，如果您的放大器的增益为 –A，那么您会看到，直流信号将把放大器的输出推到 Vin × (-A)。直流信号不带失调误差地通过斩波器，与它上面那个小的方波不同。
    
     为了把这个小方波（小的高频信号）从大的直流信号除掉，可以使用 RC 滤波器，如图 3C 所示。这就是获得直流信号精确表示的方式。而且，它不仅降低 直流失调电压，还降低了低频——超低频——噪声。它消除了 1/F 拐点，这就是斩波器如此好用的原因。
    
     通过组合来增加增益带宽
    
     总体而言，斩波器在放大直流 附近的信号方面做得很好，但它的频率响应特性很糟。不过，它将作为单个放大器来工作。为了改善高精度放大器的频率响应，有几种组合架构可供使用。“组合”的意思是不同特性的两个放大器被组合起来，以便改善放大器的性能。
    
     其中一种使用一个简单的斩波器作为运算放大器的自动归零器。该斩波器“失调调整”运算放大器的输入。在另一种中，斩波器作为失调伺服系统，它的输出用于调节第二个放大器的输入级。（这等价于通过 8 管脚 DIP 封装的老式运算放大器的 8 号管脚来调节输入失调。）
    
    
    
     图中文字的译文：
     fast amplifier：快速放大器
     low offset amplifier：低失调放大器
    
     第三种是双输入放大器。图 4 表明了一个双输入放大器中的两个放大器是如何配置的。低失调放大器作为直流放大器，且是斩波器，因此具有低失调性能。快速放大器正是产品的增益带宽增加的原因：美国国家半导体公司的 LM2011 是 3MHz，对于斩波器，这是非常大的。两路输出被合在一起，送入另一个快速放大器，需要通过快速链。
    
    
    
     图中文字的译文：
     fast amplifier：快速放大器
     low offset amplifier：低失调放大器
    
     现在，让我们看看这两个放大器的响应。在图 5A 的左边，是快速放大器的响应曲线。快速放大器设计中的难题是使它的响应上部有一个“架子”，而不是普通放大器具有的标准的每 10 次滚降 20dB。您必须在它里面放上那个架子，这样，您就可以把低失调放大器的响应“堆叠”在它上面。
    
     结果，您获得了常规的放大器响应，如图 5B 所示，但也获得了低失调电压工作的优势以及更高的增益带宽，使斩波器在许多其它应用设备中都有用武之地。