截波技術在集成放大器中的應用解析

摘要通過分析集成放大器的放大精準度，說明集成放大器產生誤差因素，針對這些誤差因素提出利用截波器來提高放大器整體精度的效果。在分析截波器的特性后，對其頻帶寬度較低的缺點，給出集成截波器以增進增益頻帶寬度。

中圖分類號:TN4文獻標識碼:A

在許多電路中，須將很小的訊號精準地放大，以提高電路在輸出或后續電路輸入的信號質量，如溫差電偶與熱電堆的測量便是很好的例子。為了精確地放大這些低電壓的訊號，訊號放大器的偏移電壓與干擾必須足夠低，以避免在產生的訊號上增加明顯的誤差。

1 集成放大器誤差產生的原因

訊號的精準放大或放大器的精準度，都可以由下面的方程式來定義:

(公式一)

其中:eid:放大器的精準度，eo:輸出電壓，AVOL:開放式回路增益，VOS:偏移誤差，IB+(IB-):正(負)端輸入偏壓電流，RS+(RS-):正(負)端源電阻， eCM :共享模電壓，CMRR :共享模抑制率

這就意味著，集成放大器誤差是因不理想的放大器輸入導線之間的差動電壓不等于零以及下列幾項因素所產生。

(1)開放式回路增益。較高的開放式回路增益可以達到較高的精準度。那也就是為什么精準的放大器通常需要超過100dB的增益，以使產生誤差率降至最小。

(2)偏移誤差或偏移電壓。這是高增益放大器中一個主要的誤差來源。

例如，一個擁有-100dB增益的反向放大器就可能會有1mV的偏移電壓。這時，擁有毫伏特等級偏移電壓的放大器便是一個很好的零件。在增益為100dB的情況下，輸出將會出現0.1V的誤差;如果放大器的增益為1000dB，那么便會有1伏特的誤差。此外，安置在系統上的每一個放大器，其補償電壓都會不一樣。這種情況應該避免，因為應用設備的精準度會因采用不同的放大器而有很大的差異。

(3)高增益放大器中的噪聲①也會影響精準度。(圖1)便是運算放大器頻域中的典型噪聲圖表。噪聲成份在直流的頻段時最高，然后它便會隨頻率上升而下降并形成一個角，也就是l/F角。放大器的1/F角頻率為放大器中半導體裝置的物理特性而產生的閃爍噪聲頻率，且等于放大器的寬頻噪聲。在較低的頻率下，閃爍噪聲會是主要的噪聲來源，并隨著直流接近而增加。因此，l/F角是一個關鍵點，當某些運算放大器聲明其擁有低噪聲特色時，例如含有低噪聲的聲音放大器，幾乎都要求低1/F角，而且最好能夠低于20赫茲。

圖1放大器頻域中典型噪聲圖

(4)放大器輸入管腳中的偏壓電流。例如，在JFET輸入放大器中，電流非常的低，但是當放大器溫度偏高時，輸入管腳的電流有所提高。在環境溫度較高時，JFET便會表現得像是NPN或PNP一般。

(5)共享模抑制率。運算放大器中有一個正極電源供應電壓與一個負極供應電壓。通常負極電源供應電壓都會接地。共享模電壓為相對于運算放大器正負電源電壓的中間值。

舉例來說，如果有一部以5伏特電壓運作的運算放大器，并且有接地的話，那么共享模電壓為零便表示該兩根電源管腳的中間電壓為完美的2.5伏特。共享模抑制率(CMRR)會在輸入管腳上的電壓不穩定時(正極電源供應電壓偏高或負極電壓偏低)，將表現出補償特性。運算放大器一般適合于在中間電壓操作，如果放大器有好的共享模抑制率，那么即使兩根輸入管腳在頂端向上提升，或是在底端向下降低，仍然可以從放大器取得精確的輸出。

2 采用截波器②(chopper)

圖1為運算放大器的典型噪聲圖表，而圖2則是截波放大器的典型噪聲圖表。

設計截波器的目的，是為了能夠將其輸入端的偏移電壓與輸出端的低頻率噪聲降到最低;但是代價卻是因截波器的時脈噪聲而導致的低運作頻寬。

圖2截波放大器的典型噪聲圖

根據上面的的噪聲示圖可以看出，直流端的偏移與噪聲已經非常明顯地降低，而噪聲曲線也將降到很低的數值。在實際應用的情況下，其效果也與實驗結果相一致，而且不會產生突然的快速變化。

采用截波器雖然可以大幅增進直流效能，但其相應的代價是放大器的斷路頻率會產生很大的噪聲。不同制造商所制造的放大器，其斷路頻率都會不一樣。某些特別規格的截波器斷路頻率可能低到只有數百赫茲，而大多數截波器則可能高達數萬赫茲。

3 截波器技術

截波器是如何降低其偏移電壓的呢?下面就以圖2為例來加以說明。

圖2(a)則是新增到交流放大器輸出上的一對開關器。這兩個開關器是以并聯的方式來運作。初始狀態下，運算放大器以下面的輸出管腳接地，當該對管腳被切換過來時，上面的管腳便會接地。這樣的來回切換開關器，就是在切換輸出的極性。

在這種以固定頻率交變的過程中，任何補償電壓與極低頻率的噪聲都會被轉換成交流訊號Vos。當開關器位于其中一個位置時，交流訊號會是+Vos，而當它位于另一個位置時則會是-Vos。因此在這種情況下可以很容易地過濾出噪聲。但是，輸入放大器的任何訊號也都將會被來回切換，這樣就對信號的輸出帶來了困擾。

解決這個困擾的方式，便是在放大器的輸入端安置同步開關器。圖2(b) 那些開關器是互相以并聯的方式來運作的，并且與輸出端的開關器同步。

藉由將那些開關器安置在輸入端，就可以同步切換輸入訊號的極性，使輸入端相等于其在輸出端的極性。例如，一個+1V的輸入會在放大器的另一端維持為+1V。但是，在放大器輸入端的輸入開關右邊產生的補償電壓，其極性將會被切換，就如同圖2(a)所示。

所以，如果有一個增益為-A的放大器，就可以看到直流訊號在放大器的輸出擴大為Vin€祝ǎ瑼)。直流訊號將會在沒有偏移誤差的情況下通過截波器，除了其頂端的小方波之外。

為了將該小方波(小的高頻率成份)從大的直流訊號上移除，可以使用如圖2(c)所示的RC濾波器。于是就可以獲取精確直流訊號的精確代表性波形。此外，這種截波器結構不僅僅只降低直流偏移電壓，也會降低低頻率(極端的低頻率)噪聲，它會將1/F角降低到零。

4 集成截波器以增進增益頻寬

當截波器精準地將直流的訊號放大時，整體來說，也有響應頻率不足的現象，但仍會以單一放大器的方式來運作。為了增進放大器頻率響應的精準度，目前已經出現了幾種結合架構。「集成」一詞表示將擁有不同特性的兩個放大器集成在一起，以增進放大器的效能。

其中一種架構是將一個簡單的截波器當作運算放大器的auto-1er來使用。該截波器便會「偏壓調整」運算放大器的輸入。

而在另一個架構中，截波器則是扮演伺服補償③的角色，其輸出便會調整第二部放大器的輸入階段。(這與透過以8管腳DIP方式封裝的舊型運算放大器上的第八根管腳來調整輸入偏壓的方式是一樣的。)

第三種架構則是雙輸入放大器。如下圖便是雙輸入放大器中的兩個放大器的組態。低偏移放大器會以直流放大器的方式來運作，而該直流放大器則因為具有截波器的優點而擁有低偏移效能。高速放大器則必須采用以增進增益頻寬的放大器。

圖3集成截波器-雙輸入放大器

現在來看看這兩個放大器的響應頻率。在高速放大器設計中，最難的部分便是讓其響應頻率上有一個支架，而不是一般放大器每10倍下降20dB(20dB/decade)的典型特性，必須將該支架置入放大器中，這樣才可以讓低補償放大器的響應頻率堆棧在上面。

5 結論

通過上面對放大器誤差分析和截波器的高精確放大的特點，可以看出截波器在放大器領域的應用將更為廣泛采用。提出集成截波器，將大大增強了放大器的訊號的精準度，也具有傳統放大器響應頻率，同時具有低補償電壓運作與較高的增益頻寬，使得截波器的應用范圍更廣泛。

注釋

①秦世才，賈香鸞.模擬集成電子學.電子工業出版社，1996.1.

②高德遠，攀曉婭等.大規模集成電路-系統和設計原理.電子工業出版社，2003.7.

③黃建文，艾西加，孟紅霞等.微電子電路設計原理及應用.微電子技術應用叢書，1999.7.