對雜訊增益進行斬波以測量運算放大器的即時偏置電壓

運算放大器的一項最重要的規格就是它的輸入偏置電壓（input-offset voltage）。對很多運算放大器而言，可以忽略這個電壓，但確定這個電壓的問題是：偏置電壓會隨著溫度、閃爍雜訊和長期漂移而改變。斬波（chopping）與自動調零（autozeroing）技術已經推出許多年了，它們能夠將輸入偏置電壓減小到微伏以下。這種技術的精度非常好，甚至會讓其他微小影響取得誤差的主要地位，如銅焊盤的熱偶結點（copper-solder thermocouple junction），直到它們也被一一克服。本文將介紹一種新型的斬波技術。“雜訊增益的斬波（chopping the noise gain）”是一種即時測量偏置電壓的一種新方法，這樣就可以將其減除，從而提高 DC 精度。
圖 1 是一個採用反相 10 倍增益（gain-of-10）配置的 LTC6240HV 運算放大器，也包括了它一些有關的規格。所有輸入偏置電壓都在輸出端表示為 11 倍增益（稱為“雜訊增益”）的輸出誤差（output error）。任何下游電路或輸出電壓的觀測者都無法將所需的輸出信號與輸出誤差區分開來。
圖 2 顯示的是雜訊增益的斬波方法。S1 用於附帶分流電阻 R3 的進出切換，從而在不影響信號增益或帶寬時改變雜訊增益。一般的情況下，帶寬會有所下降，但無論開關處於閉合或打開狀態，帶寬極限都由 C1 決定。現在，可在輸出端施加一個小方波，其幅度等於現有的 DC 誤差。你可以用一個普通的斬波器將該誤差解調出來，也可以在一個現代的 ADC 系統中用軟體減掉它。
圖 2 中的電路更像是一個輸入同時連接和斷接的簡單求和放大器（summing amplifier）。就此而言，它更像一個真正的斬波放大器。但此時，被斬波的輸入電壓是放大器的偏置電壓，而不是輸入信號。如果沒有必要為什麼要斷開輸入信號呢？另外也不存在連續斬波的要求，你只需在有偏置測量需求時用它即可。
請注意，雖然本文舉出了易於理解的反相例子，但 S1 使用一種好的類比開關時，也適用於非反向的方法。另外與所有採樣系統一樣，大於等於時鐘速率的頻率都會潛入基帶中，因此要在斬波前將其濾掉。最後，本方法並不會修正偏置或洩漏電流所導致的誤差。
開關 S1 打開和關閉，提高雜訊增益，並交替地以 11 和 22 的雜訊增益使輸入誤差出現在輸出端。得到的方波是一個容易測量的“11 誤差（11 errors）”，這樣就可以從輸出上將其減掉。這種技巧與普通的斬波放大器類似，不同之處是斬波物件是誤差，而不是信號。
圖 3 是圖 2 電路的輸出波形，輸入電壓為 0V（接地）。上方的曲線是“S”，它是以 750 Hz 加在 S1 上的控制信號。下方曲線是在 1、2 mV 之間交替的輸出誤差，表示 90 μV 的運算放大器偏置。輸出端“看到”的是輸出偏置雜訊增益加倍的結果。兩個雜訊增益的差為 11，這個差值表示 S1 所造成的方波波幅，它與輸入電壓無關。
圖 4 與圖 3 類似，但被縮小，輸入電壓為 2 mV p-p 的慢速正弦波訊號（slow-moving sine wave signal），即輸出為 20 mV p-p。圖 3 的 1 mV 方波疊加在慢速的輸出信號上，並且仍然包含即時的 DC 錯誤資訊。只要看看輸出就可以辨別出信號的實際值低於測量值 1 mV。
圖 1 一顆運算放大器的常規增益為 210。雜訊增益為 11，因此所有輸入誤差都以 11 的增益出現在輸出端。只看輸出無法區別有用的信號與雜訊。
圖 2 S1 切換附加分流電阻 R3 的進、出，在不影響信號增益或帶寬情況下改變雜訊增益。
圖 3 圖中的示波照相波形圖（oscillogram）顯示圖 2 電路的輸出，輸入電壓為 0V（接地）。
上方為“S”，是以 750 Hz 加到 S1 上的控制信號。下方曲線是在 1 mV 和 2 mV 之間交錯的輸出錯誤。
圖 4 圖中的示波照相波形圖與圖 3 類似，但施加的輸入電壓為 2 mV p-p 慢速正弦波信號。

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