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 1:很多时候,数据表上的放大器噪声说明是指在噪声曲线的“平带”中测量的噪声,而不是在 1/F 拐点下面或直流附近发现的噪声电平。
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 2:斩波器的设计目的是在输入端的失调电压最低,在输出端的低频噪声最低。然而,折衷结果是工作带宽很低,原因是增加了斩波器的时钟噪声。
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:某斩波放大器,具有交流放大器输入和输出同步切换系统,该斩波器导致失调电压最终成为依托在预想的、被精确放大信号上的噪声,利用低通滤波器,可以很容易把它过滤掉。