斩波型运放减少噪声 怎么做到的？

翻译: TI信号链工程师 Tom Wang (王中南)  

斩波型运放提供较低的失调电压，同时也极大地减少了1 / f(闪烁)噪声。它是怎么做到的？这篇短文就来讨论这个主题。

斩波运放的输入级如图1所示，是一个具有差动输入和差动输出的相对传统的跨导放大器。斩波开关完成输入和输出正负极的换向，输入和输出的换向是同步的。由于差动输入和输出同时换向，开关网络将在电容C1上产生恒定的信号。

跨导放大级的失调电压存在于输入开关网络，它被输出开关反向并周期性地传送到输出端。失调电压引起的输出电流会导致电容C1两端产生电压，这个电压会随着换向开关的换向而以相同斜率上升和下降。运放内部逻辑通过平衡上升和下降时间来保证电容C1输出电压为零，从而实现零失调。

早期的斩波只提供有限的三角波噪声的滤除，这导致它们被标上产生恶劣噪声设备的标签，并仅仅被用于那些将失调电压做为关键性能的场合。（这也许是发出大噪声的摩托车名字的来源。）特别麻烦的是，预斩波失调电压决定了三角波的幅度，因此斩波噪声个体差异性很大。

新一代斩波器安静多了，它集成了开关电容滤波器，这个滤波器在斩波频率及奇次谐波处具有多个陷波点。同时，在传输到下一级之前，完成电容C1的充放电。集成的充放电技术，使网络的输出均值十分接近零。在频域，它具有sinc(x) 或sin(x)/x 滤波器的频率响应特性，可以精确的通过基波并滤除三角波各次谐波。

输出交互网络中的8个开关交替给2个电容C1充电。这种设计允许输入信号在一个电容上积分的同时，另一个电容将信号传递到下一级。

因为1/f(闪烁)噪声是一个缓慢的时变的失调电压，斩波器事实上也抑制了这种低频范围内噪声谱密度的增加。斩波将基带信号推移到斩波频率的范围，超过了输入级的1/f频率范围。因此，斩波放大器的低频段有着与运放高频段相同的噪声谱。

我已经将所有信号中的噪声清除干净了，这样就具有完美的零失调。当然，这里仍然存在一些失调误差，这是由于开关过程中充电时的损耗和电容失配以及寄生参数产生的影响。输入级增益大量减少了后级对失调的贡献。总体来说，宽带放大器要求更快的斩波频率，这增加了充电时的损耗误差。这种误差在整个产品的生命周期中温度稳定，这是这类设备重要的属性。

即便如此，我也不认为现代的斩波运放可以取代和限制标准运放的使用，但新一代的斩波运放应用更为广泛。它们提供低且稳定的失调电压，几乎没有闪烁噪声，已经非常接近标准运放了。