2 斩波器内部工作原理

概括来说，传统的运算放大器内部拓扑至少有两个级：跨导级和跨阻级。跨导级会放大差分输入信号并将该信号转换为电流 (V_in × g_m = I_out)。跨导级的输出电流将驱动跨阻级，从而将跨导电流转换为电压。跨阻级中的反馈元件是米勒电容 (C_c)，跨导输出电流对该电容器充电以将电流转换为电压。斩波放大器具有与传统放大器相同的两个级，但跨导级的输入和输出通过开关矩阵连接，该开关矩阵会在每个斩波校准周期中反转输入和输出连接的极性（请参阅图 2-1）。本节其余部分将说明斩波器的这种开关如何在实现正常放大器放大功能的同时更大限度减小失调。

图 2-1 零漂移放大器和传统放大器的基本拓扑

图 2-2 说明了斩波校准周期每一半的输入和输出之间的关系。在校准周期的前半部分，输入信号在跨导放大器的输入端反相。该级的输出也将同时反相，然后再将输出施加到跨阻级米勒电容。在校准周期的后半部分，输入和输出都不会反相。因此，在校准周期的每一半中，驱动跨阻级米勒电容的信号是相同的，从信号相位的角度来看，该放大器与传统运算放大器实际上是相同的。

图 2-2 每个校准周期内的斩波放大器输入信号路径

图 2-3 说明了斩波校准周期每一半的输入失调电压和输出之间的关系。请注意，在两个周期中，跨导 (g_m) 级输入端的输入失调极性是相同的。跨导级输出端产生的 V_os 信号每半个周期翻转一次，使米勒电容器在每半个周期内以相反方式充电。跨导级将恒定输入失调电压转换为恒定电流。向电容器施加恒定电流时，电容器上的电压呈线性变化。因此，输入失调电压产生的跨导级输出电流会导致米勒电容器 (C_c) 上的电压呈线性斜升。斜坡信号每半个周期改变一次方向，使失调电压在米勒电容器上转换成三角波（请参阅图 2-4）。三角波形乘以增益系数将成为放大器的输出失调值。由于平均值接近于零，因此平均输入失调电压大约为零。所以，如果一个实际放大器的固有输入电压失调值为 ±1μV 且温漂为 ±1μV/C，则添加斩波方案会使两者分别降低到原来的 1/100，即降至大约 ±10μV 和 ±10nV/C。所以，通过校准实现了尽可能减小平均失调电压的目标；然而，三角波形在放大器输出端是不良信号。鉴于此原因，使用同步陷波滤波器可将三角波形最小化。

图 2-3 每个校准周期内的斩波放大器输入失调电压路径

傅里叶定理指出，任何周期波形都可以表示为称作傅里叶级数的一系列正弦波形。此系列中的不同正弦波被称为谐波，出现在基频的倍数处。图 2-4 展示了三角波形的傅里叶级数。三角波形仅在基频的奇数倍处有谐波。在本例中，斩波器校准频率为 100kHz，所以三角基波频率也是 100kHz。图 2-4 还展示了同步陷波滤波器的频率响应。该滤波器由一个开关电容器电路实现，这个电路会同步集成斩波失调信号。由于滤波器与斩波频率同步，滤波器在三角波的所有谐波上都有深度衰减陷波。三角失调纹波的典型衰减约为 500 ×。

图 2-4 失调纹波和同步陷波滤波器

图 2-5 展示了更全面的斩波器方框图，其中包括同步陷波滤波器和高频路径。直流精度由跨导输入级决定。在低频时，高频路径的增益比直流精密路径低得多，因此由精密路径控制输出。在高频时，高频路径的增益起主导作用，从而实现适当的滚降和相位裕度。

图 2-5 详细斩波器方框图