前言

在CMOS運(yùn)放中，由于工藝失配的影響，使得運(yùn)放會(huì)產(chǎn)生一個(gè)固定的失調(diào)。同時(shí)，1/f噪聲也是運(yùn)放需要經(jīng)常面對(duì)的一個(gè)問(wèn)題。由于失調(diào)是一個(gè)直流值，而1/f噪聲的大小和頻率成反比，在低頻時(shí)1/f噪聲最大，因此失調(diào)和1/f對(duì)運(yùn)放的影響在一定頻率范圍內(nèi)是相同的?？朔@樣的低頻噪聲，主要有兩種思路：

方法一：增大運(yùn)放輸入對(duì)管的面積，由于失調(diào)和1/f噪聲的主要來(lái)源均為輸入對(duì)管，而失調(diào)和1/f噪聲均隨著晶體管面積的增加而減小，因此增大輸入對(duì)管的面積是一種有效的方法。但是這種方法的缺點(diǎn)也很明顯，即需要很大的芯片面積，同時(shí)面積的增大也會(huì)帶來(lái)寄生電容的增大，從而引起一系列其他的問(wèn)題。因此，這種方法相對(duì)采用地較少。

方法二：采用斬波和自零技術(shù)，這樣避免了芯片面積的增大，但是會(huì)增加電路的復(fù)雜度，同時(shí)斬波和自零均需要時(shí)鐘電路，除此之外，采用斬波和自零會(huì)帶來(lái)運(yùn)放輸入電流，減小了運(yùn)放的輸入阻抗。

除了上述兩種方法，也有一些其它的方法，例如模擬校準(zhǔn)等。

在本文中，著重對(duì)斬波技術(shù)進(jìn)行了分析。相比通常采用頻域的方式，本文以時(shí)序的方式作為切入點(diǎn)，理解斬波如何消除低頻輸入噪聲的影響。同時(shí)，還介紹了常和斬波一起使用的陷波濾波器的時(shí)域原理。

斬波運(yùn)放時(shí)域分析

在本文中，我們通過(guò)一個(gè)差分輸入，單端輸出的OTA組成的Buffer來(lái)進(jìn)行分析。同時(shí)，將1/f噪聲對(duì)電路的影響也歸結(jié)在失調(diào)中，這在當(dāng)對(duì)運(yùn)放關(guān)注的頻率足夠高的情況下是成立的。

圖1 無(wú)輸入失調(diào)時(shí)Buffer輸出

圖2 存在輸入失調(diào)時(shí)Buffer輸出

在運(yùn)放不存在輸入失調(diào)時(shí)，Buffer將輸入信號(hào)VIN緩沖至其輸出VOUT，如圖1所示。然而，當(dāng)存在一個(gè)失調(diào)時(shí)，Buffer的輸出從VIN偏移VOS，如圖2所示。

圖3 采用斬波后Buffer表征

為了克服失調(diào)電壓的影響，采用斬波技術(shù)如圖3所示。斬波的本質(zhì)是通過(guò)對(duì)運(yùn)放差分輸入的不斷切換，將正負(fù)極性的失調(diào)電壓VOS動(dòng)態(tài)地在輸入VIN端進(jìn)行切換，可以理解為理想運(yùn)放輸入在VIN+VOS和VIN-VOS之前進(jìn)行輪換。對(duì)Buffer而言，如果Buffer的帶寬遠(yuǎn)大于斬波頻率fCH，那么輸入的每次切換Buffer輸出都可以快速建立，得到的輸出波形如圖3（右上）所示，輸出在VIN+VOS和VIN-VOS直接切換。相反，如果Buffer的帶寬遠(yuǎn)小于斬波頻率fCH，那么輸入的每次切換Buffer輸出都無(wú)法完全建立，導(dǎo)致其輸出呈現(xiàn)出一個(gè)在VIN值上下波動(dòng)的鋸齒波信號(hào)，如圖3(右下)（有興趣的讀者可以分析，運(yùn)放未穩(wěn)定時(shí)輸出中間值不一定是VIN，但最終中間值總會(huì)穩(wěn)定在VIN）。

上述的第一種情況經(jīng)常應(yīng)用在一些過(guò)采樣ADC上，ADC對(duì)VIN+VOS和VIN-VOS進(jìn)行輪換采樣，最終得到的結(jié)果進(jìn)行平均后即為VIN（平均本質(zhì)上是一種低通濾波）。

這兩種情況下的輸出都可以經(jīng)過(guò)低通濾波得到圖1所示的輸出曲線。但是相比低通濾波，有一種更好的選擇—陷波濾波，將在下一節(jié)進(jìn)行介紹。

陷波濾波器時(shí)域分析

圖4 采用斬波+陷波濾波器后Buffer表征

如圖4所示為添加了陷波濾波器后的斬波運(yùn)放及其時(shí)域表征。陷波濾波器通過(guò)兩個(gè)相差一個(gè)陷波時(shí)鐘相位的采樣保持電路組成。在使用陷波濾波器時(shí)，需要斬波頻率滿足上一節(jié)所述的第二種情況：fCH>>BW。在這種情況下，斬波運(yùn)放的輸出VA表征為一個(gè)在VIN上下波動(dòng)的鋸齒信號(hào)，并且在穩(wěn)定后，VA總在半個(gè)斬波頻率的中間穿過(guò)VIN。采用陷波濾波器，對(duì)VA穿過(guò)VIN這一點(diǎn)進(jìn)行采樣，并在后半個(gè)陷波周期保持，那么后半個(gè)陷波周期輸出VOUT就可以恒定保持為VIN。采用兩個(gè)這樣的采樣+保持電路，在一個(gè)電路采樣時(shí)，另外一個(gè)電路進(jìn)行保持，那么就可以保證輸出VOUT總為VIN，因此得到了一個(gè)平滑的，輸出總為VIN的輸出曲線。從圖4可以看出，斬波+陷波濾波器，可以將VOS對(duì)Buffer輸出的影響抵消，且得到一個(gè)平滑的，輸出總為VIN的曲線。

總結(jié)

本文簡(jiǎn)單地通過(guò)時(shí)域分析的方式，介紹了斬波運(yùn)放+陷波濾波器的工作原理，以及其如何抵消失調(diào)電壓（1/f低頻噪聲）對(duì)運(yùn)放的影響。雖然在本文的分析中，輸入VIN為恒定電壓，但對(duì)于其他類型的輸入信號(hào)，當(dāng)斬波頻率fCH遠(yuǎn)大于輸入頻率時(shí)（也是斬波的通常應(yīng)用情況），在一個(gè)斬波頻率內(nèi)輸入近似是不變的，因此本文的分析對(duì)其他類型的輸入信號(hào)同樣有效。