斩波运算放大器及其噪声分析

简介：
本文探讨了斩波运算放大器的工作原理，并深入分析了其内部产生的各类噪声源及噪声抑制技术，为设计低噪声高精度放大电路提供参考。 斩波型运算放大器（Chopper Stabilized Op-Amp）是一种特殊类型的模拟电路设计用于显著降低失调电压和1f噪声。这些特性使得这种运放特别适合需要高精度和低噪声的场合。 失调电压是指在理想情况下没有输入信号时，运放输出不为零的现象，通常由制造过程中的不对称性引起。斩波运放通过一种称为“斩波”的技术来解决这个问题：如图1所示，其结构包括一个差分输入跨导放大器和一对用于切换正负极的开关网络。当这些开关改变方向时，它们会反转输入信号，并将失调电压传递到输出端。通过内部逻辑控制开关动作的时间点，可以确保电容C1上的电压保持为零，从而校准失调电压。 早期斩波运放虽然能减少部分1f噪声，但由于其自身在不同条件下产生的噪音差异较大且开关过程本身也会产生额外的噪声，这些设备主要用于需要严格控制失调电压的应用。然而，新一代的斩波运放通过集成开关电容滤波器改善了这一状况：这种滤波器在斩波频率及其谐振处具有陷波特性，能够有效过滤掉噪音，并完成信号传递到下一级之前的充放电过程。 1f噪声通常在低频范围内表现得尤为明显，因为它是由于随着时间缓慢变化的失调电压引起的。通过将基带信号移动至更高的频率范围（即斩波频率），斩波放大器可以避免输入级处的1f噪声影响，在低频段提供与高频运放相似的噪音性能。 尽管现代斩波运放能够提供较低且稳定的失调电压和减少1f噪声，但它们仍存在一些由开关损耗、电容匹配问题以及寄生参数引起的误差。高增益可以减轻这些误差对后续级的影响；然而，为了获得更宽频带响应，更高的斩波频率可能会引入更多由于开关过程导致的稳定误差。 总体而言，虽然斩波运放不完全替代标准运放，但在需要极高精度和低噪声的应用中展现出显著优势。新一代斩波运放在性能上已经接近于传统运放，在精密测量、信号调理以及对噪音敏感系统中的应用提供了新的选择方案。