一个简单的截波放大器能够有效将很小的讯号精准地增强放大，但是其频宽是有限的。藉由「整合」一个截波器，使频宽增加，可让截波器有更广泛的应用范围。

有许多的应用都必须将很小的讯号精准地放大。温差电偶（Thermocouple）与热电堆（Thermopile）的测量便是很好的例子。为了精确地放大这些低电压的讯号，讯号放大器的偏移电压（Offset voltage）与干扰必须够低，以避免在产生的讯号上增加明显的错误。

讯号的精准放大、或放大器的精准度，都是由下面的方程式来定义：

《公式一》

以句来述说的话,也就是:

《公式二》

这意味着，放大器的误差是因不理想的放大器输入导线之间的差动电压不等于零，以及下列几项因素所产生。

第一个因素是开放式回路增益（open-loop gain）。较高的开放式回路增益可以达到较高的精准度。那也就是为什么精准的放大器通常需要超过100dB的增益，以使产生错误率降至最小。第二个因素，很明显的就是偏移误差（offset error）或偏移电压（offset voltage）。但是，截波放大器能非常有效地排除这个错误。文中将探讨它们排除错误的方式。

接下来所提出的两个因素则影响了通过放大器两根输入针脚中的偏压电流。例如，在JFET输入放大器中，电流非常的低，但在加热这个部分时，该电流便会提高。在温度较高时，JFET便会表现得像是NPN或PNP一般开始吸取或产出电流。常见的情况是，使用者为了达到更大的增益，或是所连接的装置有很高的来源阻抗，因而在运算放大器输入端放置一个很大的电阻，那么从运算放大器的针脚流入或漏出的电流便会与来源阻抗相互作用后产生电压，并出现在放大器的输入端。幸运的，如果那些针脚的任何一根有接地，或是有低的来源阻抗的话，那么该电压降便会是零。

最后一个因素便是共用抑制率。运算放大器中有一个正极电源供应电压与一个负极供应电压。通常负极电源供应电压都会接地。共用模电压为相对于运算放大器正负电源针脚的中点电压。

举例来说，如果有一部以5伏特电压运作的运算放大器，并且有接地的话，那么共用模电压为零便表示该两根电源针脚的中间电压为完美的2.5伏特。共用模抑制率（CMRR）会在输入针脚上的电压接近其中一边时（正极电源供应电压向上或负极电压向下），表示出补偿的状况不佳。运算放大器适合操作于中间电压。如果放大器有好的共用模抑制率，那么即使两根输入针脚在顶端向上提升，或是在底端向下降低，仍然可以从放大器取得精确的输出。

现在，再回到第二个因素，也就是偏移误差（offset error）或偏移电压（offset voltage），这是高增益放大器中一个主要的错误来源。

例如，一个拥有－100增益的反向放大器就可能会有1mV的偏移电压。这时，拥有毫伏特等级偏移电压的放大器便是一个很好的零件。在增益为100的情况下，输出上将会发生0.1V的错误。因为毫伏特的偏移，如果放大器的增益为1000，那么便会有1伏特的错误。此外，安置在系统上的每一颗放大器，其补偿电压都会不​​一样。这种情况应该避免，因为应用设备的精准度，将会因采用不同的放大器而有很大的差异。

《图一 可在产品规格书上找到的放大器噪声规格，都是参照在噪声曲线的「平带」中测量到的噪声，而不是在1/F角下或接近直流时找到的噪声层级。》

高增益放大器中的杂讯也会影响精准度。 (图一)便是运算放大器频域中的典型杂讯图表。杂讯成份在直流的频段时最高，然后它便会随频率上升而下降并形成一个角，也就是l/F角。放大器的1/F角频率为放大器中半导体装置的物理性而产生的闪烁杂讯（flicker noise）频率，且等于放大器的宽频杂讯。在较低的频率下，闪烁杂讯会是主要的杂讯来源，并随着直流接近而增加。因此，l/F角是一个关键点，而且在检阅产品规格书上的杂讯规格时也必须很小心。当某些运算放大器声明其拥有低杂讯特色时，例如含有低杂讯的声音放大器，几乎都要求低1/F角，而且最好能够低于20赫兹。

例如，经常在阅读产品规格书的第一页时，看到该零件的杂讯为：

《公式三》

那并不是直流的杂讯，也不是1/F角的杂讯，而是1/F角的区段之外，也就是平带中（flar band）的规格，并非在接近直流讯号时的放大器杂讯。

为什么采用截波器（chopper）

图一为运算放大器的典型杂讯图表，而(图二)则是截波放大器的典型杂讯图表。

《图二 设计截波器的目的，是为了能够将其输入端的偏移电压（offset voltage）与输出端的低频率噪声降到最低；但是代价却是因截波器的频率噪声而导致的低运作带宽。》

直流端的偏移与杂讯已经非常明显地降低，而杂讯曲线也将降到很低的数值。此外在实际的情况下，其效果也几乎是很一致（monotonic）的，而且不会突然有快速的改变；因此，可以看到电路器的杂讯效能会如何增进1/F角以外区段的杂讯规格。

但是采用截波器以大幅增进直流效能的代价是，放大器的断路频率会产生很大的杂讯。不同制造商所制造的放大器，其断路频率都会不一样。某些截波器的断路频率可能低到只有数百赫兹，而其他截波器则可能高达数万赫兹。

如果正在测量强度计并尝试检视引擎中是否有零件弯曲的话，25000赫兹便已经超出令人感兴趣的频率了，因此可以将其滤除，因为它在测量的精准度中并不会构成任何问题。

截波器技术

但式截波器是如何降低其偏移电压的呢?

《图三 含有交流放大器于输入与输出同步切换系统的截波放大器，可以将偏移电压调变成为噪声的形成的讯号，并透过低通滤波器轻易去除。》

(图三)为截波器在差动模式中运作的步骤。图三A则是新增到交流放大器输出上的一对开关器。该两个开关器是以并联的方式来运作。由于当运算放大器较低的输出针脚接地，它们都会降低一级，使该对针脚被切换回来，而较上面的针脚便会接地。在来回切换开关器时，就是在切换输出的极性。

任何补偿电压与极低频率的杂讯都会被转换成交流讯号Vos。当开关器位于其中一个位置时，交流讯号会是＋Vos，而当它位于另一个位置时则会是Vos。这可以很容易地过滤出来。但是，输入放大器的任何讯号也都将会被来回切换，就像补偿电压一样。

解决这个困扰的方式，便是在放大器的输入端安置同步开关器。图三B 那些开关器是互相以并联的方式来运作的，并且与输出端的开关器同步。

藉由将那些开关器安置在输入端，就可以同步切换输入讯号的极性，使输入端相等于其在输出端的极性。例如，一个＋1V的输入会在放大器的另一端维持为＋1V。但是，在放大器输入端的输入开关右边产生的补偿电压，其极性将会被切换，就如同图三A所示。

所以，如果有一个增益为－A的放大器，就可以看到直流讯号在放大器的输出扩大为Vin×（－A）。直流讯号将会在没有偏移误差（offest error）的情况下通过截波器，除了其顶端的小波之外。

为了将该小方波（小的高频率成份）从大的直流讯号上移除，可以使用如图三C所示的RC滤波器。那就是取得精确直流讯号的精确代表性波形的方式。此外，它不只会降低直流偏移电压，也会降低低频率（极端的低频率）杂讯。它会将1/F角降低到零，而这就是为什么截波器这么好用的原因。

整合截波器以增进增益频宽

当截波器精准地将接近直流的讯号放大时，整体来说，也有响应频率不足的现象，但仍会以单一放大器的方式来运作。为了增进放大器频率响应的精准度，目前已经有几种结合架构被开发出来了。 「整合」一词表示将拥有不同特性的两个放大器整合在一起，以增进放大器的效能。

其中一种架构是将一个简单的截波器当作运算放大器的auto-nuller来使用。该截波器便会「偏压调整」运算放大器的输入。而在另一个架构中，截波器则是扮演伺服补偿的角色，其输出便会调整第二部放大器的输入阶段。 （这与透过以8针脚DIP方式封装的旧型运算放大器上的第八根针脚来调整输入偏压的方式是一样的。）

《图四 在双输入整合式放大器中，低补偿放大器（截波器）与高速放大器会一起运作以增加增益带宽。》

第三种架构则是双输入放大器。 (图四)便是双输入放大器中的两个放大器的组态。低偏移放大器会以直流放大器的方式来运作，而该直流放大器则因为具有截波器的优点而拥有低偏移效能。高速放大器便是必须采用以增进增益频宽产品的原因。

《图五 放大器的响应频率曲线》

现在来看看这两部放大器的响应频率。图五A是高速放大器的响应频率曲线。在高速放大器设计中，最难的部分便是让其响应频率上有一个支架（shelf），而不是一般放大器每10倍下降20dB（20dB/decade）的典型特性。必须将该支架（shelf）置入放大器中，这样才可以让低补偿放大器的响应频率堆叠在上面。

这样一来，就能如图五B中所示的传统放大器响应频率，同时具有低补偿电压运作与较高的增益频宽，使得截波器的应用范围更广泛。 （作者为美国国家半导体放大器事业群策略应用工程师）

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