斩波放大器学习笔记：原理（时域分析 频域分析）及仿真结果

UP主：nusunmoon

【1】如有需要可通过下面链接获取本PPT： https://mbd.pub/o/bread/mbd-ZJecmp9s 【2】本频道全部视频知识点梳理可通过下面链接免费获取： https://mbd.pub/o/bread/ZJWclJ5w

        自动归零技术：不仅可以消除失调电压，还可以消除低频噪声，比如1/f噪声。需要fsample比1/f噪声转角率高。

        在采样过程中会引起热噪声：以Φ1闭合为例，此时运放的单位负反馈接到Cs的右极板，Vout的电压就存储在Cs右极板上。Vos并不能抵消掉这部分热噪声，因此高频的热噪声会混叠到几代频段，噪声增加fcutoff/fample倍。如果降低这个倍数，则需要增加fsample。但是一般来说fcutoff也会相对高一些。

        如右图，对于1/f噪声来说，在低频时信号强度很高，而且变化剧烈。而自动归零技术虽然消除了1/f噪声，但是引入的热噪声在低频依然存在，无法滤除。

二、斩波的频率分析

        Vin经过方波信号的调制，经过直流电压的修正，然后被放大器放大VA倍。再经过一次解调，得到输出信号。

        对输入信号Vin来说，因为m1和m2相同，由本科阶段信号与系统可以得到，两次相同的调制之后可以恢复原来的信号。

        而对噪声信号来说，进经过一次调制（m2），因此被搬移至调制频率（高频）。

        因此在输出段Vout出经过低通滤波器即可获得没有噪声的信号VIn。

        上图为对应的公式推导。m1在时域上是方波，在频域上即在奇数次(fchop 3fchop 5fchop等）出现的脉冲信号。从输出结果来看，mt是方波，mt的平方是1，因此滤波后可以得到放大A倍的Vin。

         图1是Vin，图2是mt的频域信号。经过一次调制后，Vin被搬移到fchop的奇数频率中，如图3.（图中加入了负频率的情况，把负频率的对称了过来。我记得有个专业术语但是忘记了哈哈哈。所以这里是对称的图像）

        图4是噪声和加入的电压失调。如前面对1/f的噪声分析，在低频段强度很高。在此基础上叠加一个直流的电压失调，由此模拟出噪声如图4.

        图3为信号经过第一次调制后，图4为噪声。二者叠加后被VA放大，因此产生图5。

        经过第二次调制（即解调）后，对于原始信号，会恢复到原来的频率。对于噪声，会被搬移到fchop的奇数频率中。因此经过低通滤波器后，可以滤除噪声。

        以Φ1闭合为例，Vin正极接入OTA的输入端正极，Vin负极接入OTA输入端负极。OTA的输出负极接入VOUT负极，OTA的输出正极接入VOUT正极。在Φ2闭合时，Vin的正极接入OTA负极，此后均调换，不再重复说明。因此相当于Φ1和Φ2的功能相反，可以理解为相互调换了正负极，所以产生了方波（一正一负）。

        （博主是懒狗，一直没有从原理上理解方波或者开关的作用，现在发现原来是一个东西）

        为方便分析，假设输出信号是直流信号（如图1），分别经过方波信号相乘、噪声叠加、放大器放大后，信号变成如图2所示。此后分析与频域分析类似，不再赘述。

        假设输入频率为4.88kHz，斩波频率为500kHz。在箭头出加入一个典型的1/f噪声。

        为了能够从频域角度得到直观结果，我们对ABCD四处的信号进行快速傅里叶变换。

        可以看到：

        A图为Vin，频率集中在4.88kHz，约80dB.

        B图为第一次调制，但还未加入噪声。此时Vin被搬移到500kHz.

        C图加入了1/f噪声，与B图信号相叠加。

        D图为解调后。Vin信号恢复到4.88kHz，1/f信号被搬移到500kHz。

总结：

        其实本质是本科学到的调制解调，引入了噪声。噪声仅搬移了一次，所以被移入高频区域。