一種斬波失調穩定儀表放大器的研究與設計

2 斬波失調穩定技術
斬波過程會產生很多混頻產物，包括斬波頻率和輸入信號的和、差項。這些混頻產物會引起很大的失真，特別是當信號頻率接近斬波頻率時尤為明顯。而且低通濾波會減小可用信號的帶寬。要想在信號帶寬不減小的情況下抑制噪聲和失調，最好的解決辦法是使用斬波失調穩定的運算放大器。這種電路結構在主通路提供信號帶寬，而輔助通路減少失調，其電路結構如圖2所示[4]，其中輔助通路包括斬波穩定放大器和積分器，主通路只有1個放大器。

假設主放大器的主、輔輸入端的失調電壓分別為V_osm(主)、V_osm，1(輔)，主、輔輸入端的增益分別為A_m、Am，1；輔助運放的等效失調電壓為V_osn、增益為An，整個放大器的整體失調電壓為V_os，則有：

3 斬波失調穩定放大器的設計和仿真
3.1 輔助運算放大器
本文采用的輔助放大器如圖3(a)所示[4]，它是由兩級運放和1個調制器、1個解調器組成，它有一個顯著的特征：解調器放在兩級運放之間，主極點P1在第二級運放上、次極點在第一級運放上。為了滿足放大器的相位裕度，第一級的截止頻率要比整體的高。由于本方案是在第二級之前解調的，所以第二級運放的運算放大器的截止頻率fc可以比fch低，從而降低了斬波運放的功耗。而傳統的斬波放大器是在輸出端進行解調的，所以各級放大器的fc要比fch高。另外，相位補償電容可以作為第一級的窄帶LPF，所以本斬波放大器不需要在后面接LPF。
當輸入1 mV、1 kHz的小信號及斬波頻率為10 kHz時，斬波電路的開環瞬態仿真結果如圖3(b)所示。

3.2 主放大器
主放大器采用差分差值放大器DDA(Differential Difference Amplifier)[5]，其采用了兩對差分對結構，相當于一個四輸入、單端輸出的電路組態，如圖4所示。DDA電路有兩個跨導放大器和一個將電流轉電壓(I→V)的放大單元。輸入信號以差分的形式輸入，通過跨導單元轉化成差分電流，再將各對應支路上的電流進行算術運算，最后通過電流轉電壓單元放大輸出。

主放大器采用共源共柵結構，如圖5所示[6]，有2個主輸入端(V+，V-)和2個輔助輸入端(Va+，Va-)。失調信號△V加在輔助輸入端，在輔助放大器尾端產生一個微擾電流△i，然后通過電流鏡M13~M16在主放大器產生+/-m△i，經共源共柵放大后產生失調校正△V0。M7~M10共源共柵電流鏡作為負載，可以提高輸出擺幅[7]。