【導讀】斬波穩定技術（Chopper Stabilization）是消除放大器低頻噪聲與直流誤差的核心技術，尤其針對儀表放大器的1/f噪聲（粉紅噪聲）和輸入失調電壓（Vos），可將其影響降低至μV級甚至nV級。其原理基于信號調制-放大-解調的頻域處理方法，結合動態校準機制，突破傳統放大器的噪聲極限。
斬波穩定技術（Chopper Stabilization）是消除放大器低頻噪聲與直流誤差的核心技術，尤其針對儀表放大器的1/f噪聲（粉紅噪聲）和輸入失調電壓（Vos），可將其影響降低至μV級甚至nV級。其原理基于信號調制-放大-解調的頻域處理方法，結合動態校準機制，突破傳統放大器的噪聲極限。
一、斬波穩定技術的基本原理
1. 信號調制（Chopping）
將輸入信號通過方波調制器上移至高頻區域，避開1/f噪聲的主要能量段（通常為0.1Hz~100Hz）。例如：
●調制器結構：MOS開關陣列交替反轉輸入信號極性，調制頻率（f_CHOP）通常為幾百Hz到數kHz（如400Hz）。
●調制效果：輸入信號（基帶）被“搬移”至高頻頻段（f_CHOP±f_IN），而放大器本身的1/f噪聲仍集中在低頻段。
2. 放大過程
調制后的高頻信號經過主放大器放大，此時：
●主放大器噪聲特性：1/f噪聲和失調電壓仍位于低頻段，未被調制過程影響。
●高頻信號與低頻噪聲分離：有用信號處于高頻，而噪聲和失調處于低頻，在頻域上實現隔離。
3. 解調與低通濾波
放大后的信號通過解調器（同頻方波）恢復至基帶，并通過低通濾波器（LPF）提取有用信號：
●解調器同步反轉：將高頻信號還原至基帶，同時將主放大器的失調電壓與低頻噪聲調制到f_CHOP頻段。
●低通濾波：濾除高頻成分（包含被搬移的噪聲），保留原始低頻信號。
（圖示：輸入信號經過調制-放大-解調后的波形變換）
二、斬波技術的核心實現步驟
以ADI的AD8637斬波穩定儀表放大器為例，其關鍵模塊包括：
1. 輸入調制器：MOS開關陣列，將輸入信號以400Hz頻率切換極性。
2. 增益級：低噪聲放大器（LNA），增益設為1000倍。
3. 輸出解調器：與輸入調制器同步的反向開關網絡。
4. 動態補償網絡：消除殘余紋波（Ripple Rejection Loop）。
信號流示例：
●原始信號：10μV @ 10Hz
●調制后信號：10μV @ 400Hz ±10Hz
●增益級輸出：10mV @ 400Hz ±10Hz
●解調后信號：10mV @ 10Hz（有效信號）+ 10mV @ 800Hz（噪聲）
●低通濾波（截止頻率100Hz）后：輸出10mV @ 10Hz，噪聲峰峰值<1μV。
三、對噪聲與失調的抑制機制
●1/f噪聲消除
1/f噪聲能量集中在低頻段，被解調后搬移至f_CHOP±f_NOISE（如400Hz±10Hz），通過低通濾波器（LPF）大幅衰減，等效輸入噪聲密度可降至30nV/√Hz。
●失調電壓校準
輸入失調電壓（Vos）被調制為交流信號（幅值=2×Vos，頻率=f_CHOP），通過LPF后平均值為零。AD8637的殘余失調電壓<1μV。
●溫度漂移抑制
斬波頻率遠高于溫度漂移的變化速率，使漂移誤差被動態平均化。例如，AD8629的溫度漂移系數為0.01μV/℃。
四、技術挑戰與優化方案
1. 殘余紋波（Chopper Ripple）
●成因：調制/解調非理想同步或時序誤差導致的殘余高頻分量。
●解決：
引入Ripple Reduction Loop（RRL），通過反饋抵消紋波。
提高開關切換速度，降低開關電荷注入（Charge Injection）。
2. 帶寬限制
●信號帶寬受限于斬波頻率的1/10（奈奎斯特準則），若f_CHOP=400Hz，則有效信號帶寬需<40Hz。
●擴展方案：采用多通道并行斬波（如交錯調制），或結合自動調零（Auto-Zero）技術拓寬帶寬。
3. 電磁干擾（EMI）
●高頻斬波信號可能輻射干擾其他電路。
4. 抑制方法：
●差分調制路徑對稱布局，抵消共模輻射。
●集成片上濾波電容（如AD8629內置10pF電容）。
五、斬波穩定技術的典型應用
1. 生物電信號采集
●例如心電圖（ECG）檢測中，AD8233通過斬波技術將0.5mV心電信號的等效輸入噪聲降至0.3μVpp，實現醫療級精度。
2. 高精度傳感器
●工業稱重傳感器采用LTC1052，利用斬波穩定消除應變片的μV級失調漂移，24小時漂移<1μV。
3. 精密測量儀器
●吉時利（Keithley）2182A納伏表內置斬波放大器，分辨率達10nV，用于材料電阻率測量。
六、與其他技術的對比
總結
斬波穩定技術通過信號頻域搬移與動態校準的結合，實現了對低頻噪聲和直流誤差的“靶向清除”。對于需要μV級精度的應用場景（如醫療電子、工業傳感），該技術是突破傳統放大器性能極限的關鍵。未來，隨著開關速度提升（如GaN MOS技術）和自適應算法的引入，斬波穩定技術將在更寬帶寬與極低功耗之間實現平衡，推動精密測量進入亞微伏時代。
推薦閱讀：
