直接耦合放大電路的特點(diǎn)及抑制零點(diǎn)漂移的原理

　　0 引言

　　直接耦合是級(jí)與級(jí)連接方式中最簡(jiǎn)單的，就是將后級(jí)的輸入與前級(jí)輸出直接連接在一起，一個(gè)放大電路的輸出端與另一個(gè)放大電路的輸入端直接連接的耦合方式稱為直接耦合。另外直接耦合放大電路既能對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行放大，也可以放大變化緩慢的信號(hào);并且由于電路中沒(méi)有大容量電容，所以易于將全部電路集成在一片硅片上，構(gòu)成集成放大電路。由于電子工業(yè)的飛速發(fā)展，使集成放大電路的性能越來(lái)越好，種類越來(lái)越多，價(jià)格也越來(lái)越便宜，所以直接耦合放大電路的使用越來(lái)越廣泛。除此之外很多物理量如壓力、液面、流量、溫度、長(zhǎng)度等經(jīng)過(guò)傳感器處理后轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑷醯?、變化緩慢的非周期電信?hào)，這類信號(hào)還不足以驅(qū)動(dòng)負(fù)載，必須經(jīng)過(guò)放大。因這類信號(hào)不能通過(guò)耦合電容逐級(jí)傳遞，所以，要放大這類信號(hào)，采用阻容耦合放大電路顯然是不行的，必須采用直接耦合放大電路。但是各級(jí)之間采用了直接耦合的聯(lián)接方式后卻出現(xiàn)前后級(jí)之間靜態(tài)工作點(diǎn)相互影響及零點(diǎn)漂移的問(wèn)題，在此主要分析零點(diǎn)漂移的產(chǎn)生原因，并尋找解決的辦法。

　　1 直接耦合放大電路的特點(diǎn)

　　當(dāng)多級(jí)放大電路需要放大頻率極低的信號(hào)，甚至直流信號(hào)時(shí)，級(jí)間采用阻容耦合和變壓器耦合都不適用，必須采用如圖1所示的直接耦合方式。

　　圖1中的阻容耦合方式只用一只電容器就將兩級(jí)放大電路連接起來(lái)，方式簡(jiǎn)單。耦合電容器具有隔直通交作用。根據(jù)信號(hào)頻率的高低選取電容器的電容量，使容抗很小，就能順利傳送交流信號(hào);電容器的隔直作用，使各級(jí)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)各自獨(dú)立，互不影響，只要各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)比較穩(wěn)定，整個(gè)放大電路工作就比較穩(wěn)定。所以阻容耦合放大電路應(yīng)用十分廣泛。但是，在各種自動(dòng)控制系統(tǒng)和一些測(cè)量?jī)x表中，傳遞信號(hào)多數(shù)是變化極為緩慢的、非周期的信號(hào)，甚至為直流信號(hào)。例如，水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速，發(fā)電機(jī)的端電壓，變壓器的油溫，水電站前池的水位等變化是緩慢的，要實(shí)現(xiàn)對(duì)這些緩慢變化的物理量的測(cè)量和自動(dòng)控制，必須將這些物理量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)(即模擬信號(hào))，由于這些電信號(hào)不僅是緩變的，而且是微弱的，因此必須進(jìn)行放大。緩變信號(hào)包含的頻率極低，用電容耦合，電容量必須很大，這樣的電容器難以制作，不僅成本高、體積大，而且性能也差，是不現(xiàn)實(shí)的。人們自然會(huì)想到直接用導(dǎo)線將兩級(jí)放大電路連接起來(lái)，這樣再低頻率的信號(hào)，乃至直流信號(hào)就能順利通過(guò)，這就是的直接耦合方式。直接耦合放大電路既能放大交流信號(hào)，又能放大緩變信號(hào)和直流信號(hào)(所以在一些書中稱其為直流放大電路)，它的頻率特性的下限頻率為零，在自動(dòng)控制系統(tǒng)和電子儀表中獲得廣泛應(yīng)用。

　　2 直接耦合放大電路的特殊問(wèn)題——零點(diǎn)漂移

　　零點(diǎn)漂移是直接耦合放大電路存在的一個(gè)特殊問(wèn)題。所謂零點(diǎn)漂移的是指放大電路在輸入端短路(即沒(méi)有輸入信號(hào)輸入時(shí))用靈敏的直流表測(cè)量輸出端，也會(huì)有變化緩慢的輸出電壓產(chǎn)生，稱為零點(diǎn)漂移現(xiàn)象，如圖2所示。零點(diǎn)漂移的信號(hào)會(huì)在各級(jí)放大的電路間傳遞，經(jīng)過(guò)多級(jí)放大后，在輸出端成為較大的信號(hào)，如果有用信號(hào)較弱，存在零點(diǎn)漂移現(xiàn)象的直接耦合放大電路中，漂移電壓和有效信號(hào)電壓混雜在一起被逐級(jí)放大，當(dāng)漂移電壓大小可以和有效信號(hào)電壓相比時(shí)，是很難在輸出端分辨出有效信號(hào)的電壓;在漂移現(xiàn)象嚴(yán)重的情況下，往往會(huì)使有效信號(hào)“淹沒(méi)”，使放大電路不能正常工作。因此，必須找出產(chǎn)生零漂的原因和抑制零漂的方法。

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　　3 零點(diǎn)漂移產(chǎn)生的原因

　　產(chǎn)生零點(diǎn)漂移的原因很多，主要有3個(gè)方面：一是電源電壓的波動(dòng)，將造成輸出電壓漂移;二是電路元件的老化，也將造成輸出電壓的漂移;三是半導(dǎo)體器件隨溫度變化而產(chǎn)生變化，也將造成輸出電壓的漂移。前兩個(gè)因素造成零點(diǎn)漂移較小，實(shí)踐證明，溫度變化是產(chǎn)生零點(diǎn)漂移的主要原因，也是最難克服的因素，這是由于半導(dǎo)體器件的導(dǎo)電性對(duì)溫度非常敏感，而溫度又很難維持恒定造成的。當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，將引起晶體管參數(shù)VBE，β，ICBO的變化，從而使放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生變化，而且由于級(jí)間耦合采用直接耦合方式，這種變化將逐級(jí)放大和傳遞，最后導(dǎo)致輸出端的電壓發(fā)生漂移。直接耦合放大電路的級(jí)數(shù)愈多，放大倍數(shù)愈大，則零點(diǎn)漂移愈嚴(yán)重，并且在各級(jí)產(chǎn)生的零點(diǎn)漂移中，第l級(jí)產(chǎn)生零點(diǎn)漂移影響最大，因此，減小零點(diǎn)漂移的關(guān)鍵是改善放大電路第1級(jí)的性能。

　　4 抑制零點(diǎn)漂移的措施

　　抑制零點(diǎn)漂移的措施具體有以下幾種：

　　(1)選用高質(zhì)量的硅管硅管的ICBO要比鍺管小好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此目前高質(zhì)量的直流放大電路幾乎都采用硅管。另外晶體管的制造工藝也很重要，即使是同一種類型的晶體管，如工藝不夠嚴(yán)格，半導(dǎo)體表面不干凈，將會(huì)使漂移程度增加。所以必須嚴(yán)格挑選合格的半導(dǎo)體器件。

　　(2)在電路中引入直流負(fù)反饋，穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)。

　　(3)采用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒?，利用熱敏元件?lái)抵消放大管的變化。補(bǔ)償是指用另外一個(gè)元器件的漂移來(lái)抵消放大電路的漂移，如果參數(shù)配合得當(dāng)，就能把漂移抑制在較低的限度之內(nèi)。在分立元件組成的電路中常用二極管補(bǔ)償方式來(lái)穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)。此方法簡(jiǎn)單實(shí)用，但效果不盡理想，適用于對(duì)溫漂要求不高的電路。

　　(4)采用調(diào)制手段，調(diào)制是指將直流變化量轉(zhuǎn)換為其他形式的變化量(如正弦波幅度的變化)，并通過(guò)漂移很小的阻容耦合電路放大，再設(shè)法將放大了的信號(hào)還原為直流成份的變化。這種方式電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、頻率特性差。實(shí)現(xiàn)這種方法成本投入較高。

　　(5)受溫度補(bǔ)償法的啟發(fā)，人們利用2只型號(hào)和特性都相同的晶體管來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，收到了較好的抑制零點(diǎn)漂移的效果，這就是差動(dòng)放大電路。在集成電路內(nèi)部應(yīng)用最廣的單元電路就是基于參數(shù)補(bǔ)償原理構(gòu)成的差動(dòng)式放大電路。在直接耦合放大電路中，抑制零點(diǎn)漂移最有效地方法是采用差動(dòng)式放大電路。

　　4.1 差動(dòng)放大電路抑制零點(diǎn)漂移的原理

　　差動(dòng)放大電路又叫差分電路，他不僅能有效地放大直流信號(hào)，而且還能有效的減小由于電源波動(dòng)和晶體管隨溫度變化而引起的零點(diǎn)漂移，因而獲得廣泛的應(yīng)用，特別是大量地應(yīng)用于集成運(yùn)放電路，其常被用作多級(jí)放大器的前置級(jí)。

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　　基本差動(dòng)式放大器如圖3所示。圖中VT1，VT2是特性相同的晶體管，電路對(duì)稱，參數(shù)也對(duì)稱。如：VBE1=VBE2，RCl=RC2=RC，Bl=RB2=RB，β1=β2=β。電路有2個(gè)輸入端和2個(gè)輸出端。因左右2個(gè)放大電路完全對(duì)稱，所以在沒(méi)有信號(hào)情況下，即輸入信號(hào)UI=0時(shí)，Uo1=Uo2，因此輸出電壓Uo=0，即表明差分放大器具有零輸入時(shí)零輸出的特點(diǎn)。當(dāng)溫度變化時(shí)，左右兩個(gè)管子的輸出電壓Uo1，Uo2都要發(fā)生變動(dòng)，但由于電路對(duì)稱，兩管的輸出變化量(即每管的零漂)相同，即△Uo1=△Uo2，則Uo=O，可見利用兩管的零漂在輸出端相抵消，從而有效地抑制了零點(diǎn)漂移。如圖3所示的差動(dòng)放大電路所以能抑制零點(diǎn)漂移，是由于電路的對(duì)稱性。但是此電路存在缺陷：完全對(duì)稱的理想情況并不存在;所以單靠提高電路的對(duì)稱性來(lái)抑制零點(diǎn)漂移是有限度的。上述差動(dòng)電路的每個(gè)管的集電極電位的漂移并末受到抑制，如果采用單端輸出(輸出電壓從一個(gè)管的集電極與“地”之間取出)，漂移根本無(wú)法抑制。為此，常采用圖4所示的典型差動(dòng)放大電路。

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　　4.2 典型差動(dòng)放大電路結(jié)構(gòu)及抑制零點(diǎn)漂移的原理

　　典型差動(dòng)放大電路如圖4所示，與最簡(jiǎn)單的差動(dòng)放大電路相比，該電路增加了調(diào)零電位器RP、發(fā)射極公共電阻RE和負(fù)電源UEE。下面分析電路抑制零點(diǎn)漂移的原理、發(fā)射極公共電阻RE(可以認(rèn)為調(diào)零電位器RP是RE的一部分)和負(fù)電源EE的作用。

　　電路中RE的主要作用是穩(wěn)定電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，從而限制每個(gè)管子的漂移范圍，進(jìn)一步減小零點(diǎn)漂移。例如當(dāng)溫度升高使IC1和IC2均增加時(shí)，則有如圖5的抑制漂移的過(guò)程。

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　　可見，由于RE的電流負(fù)反饋?zhàn)饔?，其結(jié)果使集電極電位基本不變，減小了輸出端的漂移量。反饋電阻RE可以抑制共模信號(hào)，對(duì)差模信號(hào)不起作用。零點(diǎn)漂移屬于共模信號(hào)，所以使每個(gè)管子的漂移又得到了一定程度的抑制。顯然，RE的阻值取得大些，電流負(fù)反饋?zhàn)饔镁蛷?qiáng)些，穩(wěn)流效果會(huì)更好些，因而抑制每個(gè)管子的漂移作用就愈顯著。

　　射極負(fù)電源UEE的作用：由于各種原因引起兩管的集電極電流、集電極電位產(chǎn)生同相的漂移時(shí)(如：2個(gè)輸入信號(hào)都含有共模信號(hào)分量或50 Hz交流的共模干擾信號(hào)等)，那么RE對(duì)它們都具有電流負(fù)反饋?zhàn)饔?，使每管的漂移都受到了削弱，這樣就進(jìn)一步增強(qiáng)了差動(dòng)電路抑制漂移和抑制相位相同信號(hào)的能力。雖然，RE愈大，抑制零點(diǎn)漂移的作用愈顯著;但是，在UCC一定時(shí)，過(guò)大的RE會(huì)使集電極電流過(guò)小，會(huì)影響靜態(tài)工作點(diǎn)和電壓放大倍數(shù)。為此，接入負(fù)電源UEE來(lái)抵償RE兩端的直流壓降，則發(fā)射極點(diǎn)位近似為零，獲得合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。電阻RP的作用：電位器RP是調(diào)平衡用的，又稱調(diào)零電位器。因?yàn)殡娐凡粫?huì)完全對(duì)稱，當(dāng)輸入電壓為零(將兩輸入端都接“地”)時(shí)，輸出電壓不一定等于零。這

　　時(shí)可以通過(guò)調(diào)節(jié)RP來(lái)改變兩管的初始工作狀態(tài)，從而使輸出電壓為零。但RP對(duì)相位相反的信號(hào)將起負(fù)反饋?zhàn)饔?，因此阻值不宜過(guò)大，一般RP值取在幾十歐姆到幾百歐姆之間。

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　由以上分析可知，典型差動(dòng)放大電路既可利用電路的對(duì)稱性、采用雙端輸出的方式抑制零點(diǎn)漂移;又可利用發(fā)射極公共電阻RE的作用抑制每個(gè)三極管的零點(diǎn)漂移、穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)。因此，這種典型差動(dòng)放大電路即使是采用單端輸出，其零點(diǎn)漂移也能得到有效地抑制。所以這種電路得到了廣泛的應(yīng)用。