3 斩波输入电流瞬态

斩波放大器上的输入开关为 MOSFET 晶体管。根据运算放大器设计，使用 N 沟道金属氧化物半导体 (NMOS) 或互补金属氧化物半导体 (CMOS) 晶体管开关。本节将简要介绍 NMOS 晶体管工作的理论背景，然后介绍电荷注入和时钟馈通的概念。电荷注入和时钟馈通是在开关输入端产生瞬态电流脉冲的现象。

为了导通 NMOS 开关，栅源极电压被驱动至大于阈值电压。正向驱动栅源极会将晶体管置于漏源极导通电阻极低的线性区域。为了关断 NMOS 开关，栅源极电压被驱动至零以切断晶体管，从而使晶体管有效地断开。从半导体物理角度来看，将栅源极电压驱动至低于阈值电压会导致沟道中形成耗尽层，这意味着漏源极阻抗非常高，且只有很小的漏电流流动（请参阅图 3-1）。将栅源极电压提高到阈值以上会将电子从漏极和源极吸入沟道，形成导电反转层（请参阅图 3-2）。

图 3-1 NMOS 晶体管截止运行状态下的电荷分布

图 3-2 NMOS 晶体管线性运行状态下的电荷分布

遗憾的是，当 NMOS 晶体管导通和关断时，存在称为时钟馈通和电荷注入的瞬态事件，这些事件会在开关的输入端（晶体管源极）产生短暂的电流脉冲。当晶体管导通时，电荷从源极流出并吸入沟道，从而形成反转层。当晶体管关断时，反转层中的电荷必须返回到源极和漏极（请参阅图 3-3）。当晶体管导通或关断时，这种电荷转移过程称为电荷注入。时钟馈通是指通过寄生的栅源极电容来耦合时钟信号。这两种机制都会在 NMOS 开关的输入端产生非常短暂但幅度很大的电流瞬态。

图 3-3 电荷注入和时钟馈通

图 3-4 展示了具有 NMOS 晶体管开关的斩波放大器的开关式输入。请注意，Q1 和 Q2 的时钟信号在 Q3 和 Q4 上是反相的。因此，当 Q1 和 Q2 导通时，Q3 和 Q4 关断，反之亦然。每次时钟信号转换时，电荷注入和时钟馈通都会在输入端引入瞬态电流。

图 3-4 斩波器输入级上的 NMOS 开关连接

图 3-5 展示了在 OPA188 上测量到的瞬态电流。偏置电流指的是流入放大器输入端的平均电流。在本例中，偏置电流通常为 160pA，与瞬态电流相比非常小。在本例中测量到的瞬态电流为 2μA，是偏置电流幅度的 12,500 倍。两个较大的瞬态电流对应于校准电路输入开关的转换。当开关同步陷波滤波器时，较大的瞬态之间会出现较小的瞬态。陷波滤波器按设计会在校准周期中间进行开关。本例中，校准周期为 1.54μs (f_chop = 650kHz)。此器件上测得的噪声密度显示了斩波频率和谐波下的噪声信号。陷波滤波器开关时间介于主斩波转换点之间。由于陷波滤波器的瞬态很小，所以在时钟中间也有一个噪声信号（请参阅图 3-6）。由于这些瞬态是电流，可以通过降低源极和反馈阻抗来更大限度减小瞬态的影响。

图 3-5 OPA188 的斩波器输入电流瞬态

图 3-6 OPA188 的斩波器噪声和校准馈通（缓冲器配置）