摘 要: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)，其頻率特性的下限頻率為零。在集成電路中，由于容量較大的電容器難以制作，因此集成放大電路一般采用直接耦合的結(jié)構(gòu)。但是，直接耦合方式又給放大電路帶來(lái)一個(gè)特殊的問(wèn)題，這個(gè)特殊的問(wèn)題就是零點(diǎn)漂移，在此介紹直接耦合放大電路的特點(diǎn)和直接耦合帶來(lái)的特殊問(wèn)題，根據(jù)產(chǎn)生這個(gè)問(wèn)題的原因，講述解決抑制零點(diǎn)漂移的各種措施。著重講述利用差動(dòng)放大電路抑制零點(diǎn)漂移的工作原理。

關(guān)鍵詞:直接耦合; 零點(diǎn)漂移;差動(dòng)放大電路; 下限頻率

中圖分類號(hào):TN710 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)12-0013-03

Suppression Method of Zero-drift in Direct-coupled Amplifying Circuit

GAO Mei-rong

(Baoji College of Arts Science， Baoji 721001， China)

Abstract:The direct-coupled amplifier circuit， whose lower limit frequency of the frequency characteristics is zero， can amplify the AC signals， slowly varying signals and DC signals. The direct coupling structure is generally adopted in the integrated amplifying circuit since the large-capacity capacitors in the integrated circiuts are difficult to make. However， the direct coupling amplifying mode brings about a particular issue， which is called \"zero drift\". The characteristics of the direct-coupled amplifying circuits and the special problems caused by the direct coupling are described. A variety of measures to solve the problem of the zero drift and the productive reason of the problem are elaborated. The principle to suppress the zero drift with the differential amplifying circuit is described emphatically.

Keywords:direct coupling; zero drift; differential amplification circuit; lower limit frequency

收稿日期:2010-01-04

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[1] 。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[2] 。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 直接耦合兩級(jí)放大電路

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(shū)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[3] 。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。

圖2 零點(diǎn)漂移現(xiàn)象

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[4] 。

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)VBE，β，ICBO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1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ICBO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)[5] 。

(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[5] 。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[6] ，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)。

基本差動(dòng)式放大器如圖3所示[7] 。 圖中VT1，VT2 是特性相同的晶體管，電路對(duì)稱，參數(shù)也對(duì)稱。如:VBE1=VBE2，RC1=RC2=RC，RB1=RB2=RB，β1=β2=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)，UO1=UO2，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UO1，UO2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ΔUO1=ΔUO2，則UO=0，可見(jiàn)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。

圖3 差分電路

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UEE。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。

圖4 典型差動(dòng)放大器

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[7] 。例如當(dāng)溫度升高使IC1和IC2均增加時(shí)，則有如圖5的抑制漂移的過(guò)程[8-9] 。

可見(jiàn)，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。

圖5 抑制漂移過(guò)程

射極負(fù)電源UEE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)饔茫姑抗艿钠贫际艿搅讼魅?，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UCC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UEE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[10] 。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。

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