一個簡單的截波放大器能夠有效將很小的訊號精準地增強放大，但是其頻寬是有限的。藉由「整合」一個截波器，使頻寬增加，可讓截波器有更廣泛的應用範圍。

有許多的應用都必須將很小的訊號精準地放大。溫差電偶（Thermocouple）與熱電堆（Thermopile）的測量便是很好的例子。為了精確地放大這些低電壓的訊號，訊號放大器的偏移電壓（Offset voltage）與干擾必須夠低，以避免在產生的訊號上增加明顯的錯誤。

訊號的精準放大、或放大器的精準度，都是由下面的方程式來定義：

《公式一》

以文句來述說的話，也就是：

《公式二》

這意味著，放大器的誤差是因不理想的放大器輸入導線之間的差動電壓不等於零，以及下列幾項因素所產生。

第一個因素是開放式迴路增益（open-loop gain）。較高的開放式迴路增益可以達到較高的精準度。那也就是為什麼精準的放大器通常需要超過100dB的增益，以使產生錯誤率降至最小。第二個因素，很明顯的就是偏移誤差（offset error）或偏移電壓（offset voltage）。但是，截波放大器能非常有效地排除這個錯誤。文中將探討它們排除錯誤的方式。

接下來所提出的兩個因素則影響了通過放大器兩根輸入針腳中的偏壓電流。例如，在JFET輸入放大器中，電流非常的低，但在加熱這個部分時，該電流便會提高。在溫度較高時，JFET便會表現得像是NPN或PNP一般開始吸取或產出電流。常見的情況是，使用者為了達到更大的增益，或是所連接的裝置有很高的來源阻抗，因而在運算放大器輸入端放置一個很大的電阻，那麼從運算放大器的針腳流入或漏出的電流便會與來源阻抗相互作用後產生電壓，並出現在放大器的輸入端。幸運的，如果那些針腳的任何一根有接地，或是有低的來源阻抗的話，那麼該電壓降便會是零。

最後一個因素便是共用抑制率。運算放大器中有一個正極電源供應電壓與一個負極供應電壓。通常負極電源供應電壓都會接地。共用模電壓為相對於運算放大器正負電源針腳的中點電壓。

舉例來說，如果有一部以5伏特電壓運作的運算放大器，並且有接地的話，那麼共用模電壓為零便表示該兩根電源針腳的中間電壓為完美的2.5伏特。共用模抑制率（CMRR）會在輸入針腳上的電壓接近其中一邊時（正極電源供應電壓向上或負極電壓向下），表示出補償的狀況不佳。運算放大器適合操作於中間電壓。如果放大器有好的共用模抑制率，那麼即使兩根輸入針腳在頂端向上提升，或是在底端向下降低，仍然可以從放大器取得精確的輸出。

現在，再回到第二個因素，也就是偏移誤差（offset error）或偏移電壓（offset voltage），這是高增益放大器中一個主要的錯誤來源。

例如，一個擁有－100增益的反向放大器就可能會有1mV的偏移電壓。這時，擁有毫伏特等級偏移電壓的放大器便是一個很好的零件。在增益為100的情況下，輸出上將會發生0.1V的錯誤。因為毫伏特的偏移，如果放大器的增益為1000，那麼便會有1伏特的錯誤。此外，安置在系統上的每一顆放大器，其補償電壓都會不一樣。這種情況應該避免，因為應用設備的精準度，將會因採用不同的放大器而有很大的差異。

《圖一　可在產品規格書上找到的放大器雜訊規格，都是參照在雜訊曲線的「平帶」中測量到的雜訊，而不是在1/F角下或接近直流時找到的雜訊層級。》

高增益放大器中的雜訊也會影響精準度。(圖一)便是運算放大器頻域中的典型雜訊圖表。雜訊成份在直流的頻段時最高，然後它便會隨頻率上升而下降並形成一個角，也就是l/F角。放大器的1/F角頻率為放大器中半導體裝置的物理性而產生的閃爍雜訊（flicker noise）頻率，且等於放大器的寬頻雜訊。在較低的頻率下，閃爍雜訊會是主要的雜訊來源，並隨著直流接近而增加。因此，l/F角是一個關鍵點，而且在檢閱產品規格書上的雜訊規格時也必須很小心。當某些運算放大器聲明其擁有低雜訊特色時，例如含有低雜訊的聲音放大器，幾乎都要求低1/F角，而且最好能夠低於20赫茲。

例如，經常在閱讀產品規格書的第一頁時，看到該零件的雜訊為：

《公式三》

那並不是直流的雜訊，也不是1/F角的雜訊，而是1/F角的區段之外，也就是平帶中（flar band）的規格，並非在接近直流訊號時的放大器雜訊。

為什麼採用截波器（chopper）

圖一為運算放大器的典型雜訊圖表，而(圖二)則是截波放大器的典型雜訊圖表。

《圖二　設計截波器的目的，是為了能夠將其輸入端的偏移電壓（offset voltage）與輸出端的低頻率雜訊降到最低；但是代價卻是因截波器的時脈雜訊而導致的低運作頻寬。》

直流端的偏移與雜訊已經非常明顯地降低，而雜訊曲線也將降到很低的數值。此外在實際的情況下，其效果也幾乎是很一致（monotonic）的，而且不會突然有快速的改變；因此，可以看到電路器的雜訊效能會如何增進1/F角以外區段的雜訊規格。

但是採用截波器以大幅增進直流效能的代價是，放大器的斷路頻率會產生很大的雜訊。不同製造商所製造的放大器，其斷路頻率都會不一樣。某些截波器的斷路頻率可能低到只有數百赫茲，而其他截波器則可能高達數萬赫茲。

如果正在測量強度計並嘗試檢視引擎中是否有零件彎曲的話，25000赫茲便已經超出令人感興趣的頻率了，因此可以將其濾除，因為它在測量的精準度中並不會構成任何問題。

截波器技術

但是截波器是如何降低其偏移電壓的呢？

《圖三　含有交流放大器於輸入與輸出同步切換系統的截波放大器，可以將偏移電壓調變成為雜訊的形成的訊號，並透過低通濾波器輕易去除。》

(圖三)為截波器在差動模式中運作的步驟。圖三A則是新增到交流放大器輸出上的一對開關器。該兩個開關器是以並聯的方式來運作。由於當運算放大器較低的輸出針腳接地，它們都會降低一級，使該對針腳被切換回來，而較上面的針腳便會接地。在來回切換開關器時，就是在切換輸出的極性。

任何補償電壓與極低頻率的雜訊都會被轉換成交流訊號Vos。當開關器位於其中一個位置時，交流訊號會是＋Vos，而當它位於另一個位置時則會是Vos。這可以很容易地過濾出來。但是，輸入放大器的任何訊號也都將會被來回切換，就像補償電壓一樣。

解決這個困擾的方式，便是在放大器的輸入端安置同步開關器。圖三B 那些開關器是互相以並聯的方式來運作的，並且與輸出端的開關器同步。

藉由將那些開關器安置在輸入端，就可以同步切換輸入訊號的極性，使輸入端相等於其在輸出端的極性。例如，一個＋1V的輸入會在放大器的另一端維持為＋1V。但是，在放大器輸入端的輸入開關右邊產生的補償電壓，其極性將會被切換，就如同圖三A所示。

所以，如果有一個增益為－A的放大器，就可以看到直流訊號在放大器的輸出擴大為Vin×（－A）。直流訊號將會在沒有偏移誤差（offest error）的情況下通過截波器，除了其頂端的小波之外。

為了將該小方波（小的高頻率成份）從大的直流訊號上移除，可以使用如圖三C所示的RC濾波器。那就是取得精確直流訊號的精確代表性波形的方式。此外，它不只會降低直流偏移電壓，也會降低低頻率（極端的低頻率）雜訊。它會將1/F角降低到零，而這就是為什麼截波器這麼好用的原因。

整合截波器以增進增益頻寬

當截波器精準地將接近直流的訊號放大時，整體來說，也有響應頻率不足的現象，但仍會以單一放大器的方式來運作。為了增進放大器頻率響應的精準度，目前已經有幾種結合架構被開發出來了。「整合」一詞表示將擁有不同特性的兩個放大器整合在一起，以增進放大器的效能。

其中一種架構是將一個簡單的截波器當作運算放大器的auto-nuller來使用。該截波器便會「偏壓調整」運算放大器的輸入。而在另一個架構中，截波器則是扮演伺服補償的角色，其輸出便會調整第二部放大器的輸入階段。（這與透過以8針腳DIP方式封裝的舊型運算放大器上的第八根針腳來調整輸入偏壓的方式是一樣的。）

《圖四　在雙輸入整合式放大器中，低補償放大器（截波器）與高速放大器會一起運作以增加增益頻寬。》

第三種架構則是雙輸入放大器。(圖四)便是雙輸入放大器中的兩個放大器的組態。低偏移放大器會以直流放大器的方式來運作，而該直流放大器則因為具有截波器的優點而擁有低偏移效能。高速放大器便是必須採用以增進增益頻寬產品的原因。

《圖五　放大器的響應頻率曲線》

現在來看看這兩部放大器的響應頻率。圖五A是高速放大器的響應頻率曲線。在高速放大器設計中，最難的部分便是讓其響應頻率上有一個支架（shelf），而不是一般放大器每10倍下降20dB（20dB/decade）的典型特性。必須將該支架（shelf）置入放大器中，這樣才可以讓低補償放大器的響應頻率堆疊在上面。

這樣一來，就能如圖五B中所示的傳統放大器響應頻率，同時具有低補償電壓運作與較高的增益頻寬，使得截波器的應用範圍更廣泛。（作者為美國國家半導體放大器事業群策略應用工程師）

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