斩波放大器：理论研究笔记
提到斩波，第一反应总是电力电子中的斩波。
但实际上这一说法并不只在升降压变换中使用，在运算放大器中也有一类神奇的分支，叫做斩波运算放大器。
本篇文章接下来就将简要讲解关于斩波放大器的相关理论，如有疏漏，还望指正。
稳定精密
在一些精密电路设计的情景中，通常会对运放的失调和漂移提出很高的要求。
如果寄希望于集成电路的进步来提高性能，可能最终等来的只会是高昂的成本。然而如果通过模拟信号处理的方式解决，或许可以有更好的解决方法。
在数十年前，工程师们就面临着这样的问题，于是斩波放大器应运而生，在当时的工艺上进一步降低了失调和温漂。
在 ADI 的一篇应用指南 MT-055 中提到，当时最好的双极性放大器的失调电压为 25μV ，漂移为 0.1μV/°C 。然而如果使用斩波运放，就能将失调进一步降低到 5μV 以及更小的失调漂移[1]。
原理分析
1.本底噪声
在深入讲解原理前，先简要说明一下，在精密测量领域，主要存在两类噪声干扰，一类是电路干扰，另一类是本底噪声。
电路干扰可以通过技术手段尽可能削弱。但闪烁噪声是元器件的固有效应，不仅难以过滤，且功率谱密度随着频率的降低反而会增大。意味着在直流或低频信号处理中，它会直接叠加在有用信号上，难以通过常规滤波手段根除。
2.自稳零与斩波
那么斩波结构是如何抑制这些干扰的呢？
首先要提到的是，目前的斩波运放包含了两种不同的技术，分别是自稳零与斩波。他们都有斩波过程，但在原理上大不相同，所以它们更适合被统称为零漂放大器。
所以本文接下来就会严格区分两类运放，自稳零运放和斩波运放，不再混淆说明为斩波放大器。
我们先从自稳零讲起，先来看一张图，展示了经典的自稳零运放构成。
整体电路由 CHOPPER SWITCH DRIVER 控制，在运放输入输出端都增加了开关以及串联电容。
当开关处于 Z 时，电容 C2 直接对地，采样并存储了此时的失调电压误差，使得在正确的信号回路时，该误差可以被电容电压抵消，这样就实现了抑制运放自身偏置。此时输出端也执行相同动作，将输出偏置降到最低。当开关接回 S 时，形成输入通路，此时的整个通路上的偏置是趋于零的，这样就达到了我们的目的。这就是自稳零作用，但是单单是自稳零对于 1/f 噪声的抑制并不彻底。
不过这真的是个很巧妙的方法对吧，然而仔细想想就会发现其实并不合理，到底是哪里不合理呢？既然采用电容平衡偏置，那么电容充放电的间隔是多少，如何界定？开关难道不会引入额外的噪声？既然有开关频率限制，那这样的运放还剩下多少的有效带宽？更致命的是，这种采样处理方式是否会把高频噪声折叠到基带，反而搞砸了原本干净的信号？
这些新的问题我们暂且按下不表，继续剖析斩波的核心原理。
如果说自稳零是靠电容存储来减去偏差，那么斩波则是进行更高级的频谱搬移。
例如流程图的左上角，信号 $V_{in}$ 的频谱原本分布在极低频段，接下来通过与方波 $M_1(t)$ 相乘，实现频谱搬移。然后再叠加 $V_{OS}+V_N$ 即运放的偏置与噪声，结合成 $V_A$ 的频谱。最后在输出端，经过方波 $M_2(t)$ 的解调，原信号的频谱返回到初始位置，而噪声信号被搬移至更高频，接下来只需要低通滤波器的处理，就可以移除噪声的影响。
经历了两次方波相乘（调制+解调），相当于乘以 $M_1(t) \cdot M_2(t)$。因为两者同步，结果为 1，所以信号回到了原位。而噪声只经历了一次相乘（解调），所以从直流（DC）被搬移到了方波频率及其奇次谐波上。
如果觉得不够直观，还可以看下图中的仿真结果[2]：
从全流程的频谱变化中，可以清晰看到每一步流程的清晰变化，从一个单纯的正弦波再到被方波相乘，再到被解调，然后配合滤波器后得到更加理想的正弦频谱。而且对比最开始的频谱和最终的频谱，可以看到尖峰更加独立，而非紧贴着纵轴。也就是说，放大后的正弦摆脱了偏置和 1/f 噪声的影响。
3.斩波并非完美
讨论了这么多内容，其实斩波技术也并非灵丹妙药，它在解决旧问题的同时，也带来了不少新麻烦。
首先，开关调制会引入时钟馈通，会在信号通路上产生新的斩波纹波。如果处理不好，这些纹波甚至会直接掩盖掉你想测量的微弱信号。
其次，开关频率受限于运放本身的带宽与稳定性。斩波频率无法无限提高，意味着它对高于斩波频率的噪声抑制能力有限。同时，为了保证信号在开关切换瞬间能够准确建立，你必须在带宽与功耗之间做出艰难的取舍。
因此，实际设计中，常在斩波架构外增加纹波抑制电路、自动校准环路或是辅助放大器，以平衡性能与复杂度。
关于前面在分析过程中提到的问题，我们会注意到：自稳零使用采样保持技术，由于噪声折回基带，其带内电压噪声较大，这确实是难以弥补的缺陷。而斩波使用信号调制和解调技术，具有更低的基带噪声，但在斩波频率及谐波处产生噪声频谱。因此，斩波放大器更适合直流或低频应用，自稳零放大器则更适合宽带宽应用[3]。
在实际应用中，为了兼顾低频噪声与带宽性能，许多高性能精密运放会采用斩波与自稳零结合的架构，或在斩波核心外增加辅助高速通路，以在抑制漂移与噪声的同时，拓展可用带宽。
简单总结
斩波技术是一种用于精密测量的有效方式，它通过自稳零与调制-解调机制，将工艺和器件本身的低频噪声滤除，从而在常规工艺基础上实现了接近理论极限的直流精度。尽管仍有不足，但在传感器信号采集、医疗仪器、高精度检测等要求极致失调与低温漂的领域，它仍是不可或缺的关键技术之一。