如何抑制直接耦合放大电路中零点漂移

摘 要:直接耦合放大电路既能放大交流信号,又能放大缓变信号和直流信号,其频率特性的下限频率为零。在集成电路中,由于容量较大的电容器难以制作,因此集成放大电路一般采用直接耦合的结构。但是,直接耦合方式又给放大电路带来一个特殊的问题,这个特殊的问题就是零点漂移,在此介绍直接耦合放大电路的特点和直接耦合带来的特殊问题,根据产生这个问题的原因,讲述解决抑制零点漂移的各种措施。着重讲述利用差动放大电路抑制零点漂移的工作原理。

关键词:直接耦合; 零点漂移;差动放大电路; 下限频率

中图分类号:TN710 文献标识码:A

文章编号: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

直接耦合是级与级连接方式中最简单的,就是将后级的输入与前级输出直接连接在一起,一个放大电路的输出端与另一个放大电路的输入端直接连接的耦合方式称为直接耦合[1] 。另外直接耦合放大电路既能对交流信号进行放大,也可以放大变化缓慢的信号;并且由于电路中没有大容量电容,所以易于将全部电路集成在一片硅片上,构成集成放大电路。由于电子工业的飞速发展,使集成放大电路的性能越来越好,种类越来越多,价格也越来越便宜,所以直接耦合放大电路的使用越来越广泛。除此之外很多物理量如压力、液面、流量、温度、长度等经过传感器处理后转变为微弱的、变化缓慢的非周期电信号,这类信号还不足以驱动负载,必须经过放大[2] 。因这类信号不能通过耦合电容逐级传递,所以,要放大这类信号,采用阻容耦合放大电路显然是不行的,必须采用直接耦合放大电路。但是各级之间采用了直接耦合的联接方式后却出现前后级之间静态工作点相互影响及零点漂移的问题,在此主要分析零点漂移的产生原因,并寻找解决的办法。

1 直接耦合放大电路的特点

当多级放大电路需要放大频率极低的信号,甚至直流信号时,级间采用阻容耦合和变压器耦合都不适用,必须采用如图1所示的直接耦合方式。

图1 直接耦合两级放大电路

图1中的阻容耦合方式只用一只电容器就将两级放大电路连接起来,方式简单。耦合电容器具有隔直通交作用。根据信号频率的高低选取电容器的电容量,使容抗很小,就能顺利传送交流信号; 电容器的隔直作用,使各级放大电路的静态工作点各自独立,互不影响,只要各级静态工作点比较稳定,整个放大电路工作就比较稳定。所以阻容耦合放大电路应用十分广泛。但是,在各种自动控制系统和一些测量仪表中,传递信号多数是变化极为缓慢的、非周期的信号,甚至为直流信号。例如,水轮发电机组的转速,发电机的端电压,变压器的油温,水电站前池的水位等变化是缓慢的,要实现对这些缓慢变化的物理量的测量和自动控制,必须将这些物理量转变为电信号(即模拟信号),由于这些电信号不仅是缓变的,而且是微弱的,因此必须进行放大。缓变信号包含的频率极低,用电容耦合,电容量必须很大,这样的电容器难以制作,不仅成本高、体积大,而且性能也差,是不现实的。人们自然会想到直接用导线将两级放大电路连接起来,这样再低频率的信号,乃至直流信号就能顺利通过,这就是的直接耦合方式。直接耦合放大电路既能放大交流信号,又能放大缓变信号和直流信号(所以在一些书中称其为直流放大电路),它的频率特性的下限频率为零,在自动控制系统和电子仪表中获得广泛应用。

2 直接耦合放大电路的特殊问题 零点漂移

零点漂移是直接耦合放大电路存在的一个特殊问题。所谓零点漂移的是指放大电路在输入端短路(即没有输入信号输入时)用灵敏的直流表测量输出端,也会有变化缓慢的输出电压产生,称为零点漂移现象,如图2所示[3] 。零点漂移的信号会在各级放大的电路间传递,经过多级放大后,在输出端成为较大的信号,如果有用信号较弱,存在零点漂移现象的直接耦合放大电路中,漂移电压和有效信号电压混杂在一起被逐级放大,当漂移电压大小可以和有效信号电压相比时,是很难在输出端分辨出有效信号的电压;在漂移现象严重的情况下,往往会使有效信号“淹没”,使放大电路不能正常工作。因此,必须找出产生零漂的原因和抑制零漂的方法。

图2 零点漂移现象

3 零点漂移产生的原因

产生零点漂移的原因很多,主要有3个方面:一是电源电压的波动,将造成输出电压漂移;二是电路元件的老化,也将造成输出电压的漂移;三是半导体器件随温度变化而产生变化,也将造成输出电压的漂移[4] 。

前两个因素造成零点漂移较小, 实践证明,温度变化是产生零点漂移的主要原因,也是最难克服的因素,这是由于半导体器件的导电性对温度非常敏感,而温度又很难维持恒定造成的。当环境温度变化时,将引起晶体管参数VBE,β,ICBO的变化,从而使放大电路的静态工作点发生变化,而且由于级间耦合采用直接耦合方式,这种变化将逐级放大和传递,最后导致输出端的电压发生漂移。直接耦合放大电路的级数愈多,放大倍数愈大,则零点漂移愈严重,并且在各级产生的零点漂移中,第1级产生零点漂移影响最大,因此,减小零点漂移的关键是改善放大电路第1级的性能。

4 抑制零点漂移的措施

抑制零点漂移的措施具体有以下几种:

(1) 选用高质量的硅管 硅管的ICBO要比锗管小好几个数量级,因此目前高质量的直流放大电路几乎都采用硅管。另外晶体管的制造工艺也很重要,即使是同一种类型的晶体管,如工艺不够严格,半导体表面不干净,将会使漂移程度增加。所以必须严格挑选合格的半导体器件。

(2) 在电路中引入直流负反馈,稳定静态工作点[5] 。

(3) 采用温度补偿的方法,利用热敏元件来抵消放大管的变化[5] 。补偿是指用另外一个元器件的漂移来抵消放大电路的漂移,如果参数配合得当,就能把漂移抑制在较低的限度之内。在分立元件组成的电路中常用二极管补偿方式来稳定静态工作点。此方法简单实用,但效果不尽理想,适用于对温漂要求不高的电路。

(4) 采用调制手段,调制是指将直流变化量转换为其他形式的变化量(如正弦波幅度的变化),并通过漂移很小的阻容耦合电路放大,再设法将放大了的信号还原为直流成份的变化。这种方式电路结构复杂、成本高、频率特性差。实现这种方法成本投入较高。

(5) 受温度补偿法的启发,人们利用2只型号和特性都相同的晶体管来进行补偿,收到了较好的抑制零点漂移的效果,这就是差动放大电路。在集成电路内部应用最广的单元电路就是基于参数补偿原理构成的差动式放大电路。在直接耦合放大电路中,抑制零点漂移最有效地方法是采用差动式放大电路。

4.1 差动放大电路抑制零点漂移的原理

差动放大电路又叫差分电路,他不仅能有效地放大直流信号,而且还能有效的减小由于电源波动和晶体管随温度变化而引起的零点漂移,因而获得广泛的应用[6] ,特别是大量地应用于集成运放电路,其常被用作多级放大器的前置级。

基本差动式放大器如图3所示[7] 。 图中VT1,VT2 是特性相同的晶体管,电路对称,参数也对称。如:VBE1=VBE2,RC1=RC2=RC,RB1=RB2=RB,β1=β2=β。电路有2个输入端和2个输出端。因左右2个放大电路完全对称,所以在没有信号情况下,即输入信号UI=0时,UO1=UO2,因此输出电压UO=0,即表明差分放大器具有零输入时零输出的特点。当温度变化时,左右两个管子的输出电压UO1,UO2都要发生变动,但由于电路对称,两管的输出变化量(即每管的零漂)相同,即ΔUO1=ΔUO2,则UO=0,可见利用两管的零漂在输出端相抵消,从而有效地抑制了零点漂移。

如图3所示的差动放大电路所以能抑制零点漂移,是由于电路的对称性。但是此电路存在缺陷:完全对称的理想情况并不存在;所以单靠提高电路的对称性来抑制零点漂移是有限度的。上述差动电路的每个管的集电极电位的漂移并末受到抑制,如果采用单端输出(输出电压从一个管的集电极与“地”之间取出),漂移根本无法抑制。为此,常采用图4所示的典型差动放大电路。

图3 差分电路

4.2 典型差动放大电路结构及抑制零点漂移的原理

典型差动放大电路如图4所示,与最简单的差动放大电路相比,该电路增加了调零电位器RP、发射极公共电阻RE和负电源UEE。下面分析电路抑制零点漂移的原理、发射极公共电阻RE(可以认为调零电位器RP是RE的一部分)和负电源EE的作用。

图4 典型差动放大器

电路中RE的主要作用是稳定电路的静态工作点,从而限制每个管子的漂移范围,进一步减小零点漂移[7] 。例如当温度升高使IC1和IC2均增加时,则有如图5的抑制漂移的过程[8-9] 。

可见,由于RE的电流负反馈作用,其结果使集电极电位基本不变,减小了输出端的漂移量。反馈电阻RE可以抑制共模信号,对差模信号不起作用。零点漂移属于共模信号,所以使每个管子的漂移又得到了一定程度的抑制。显然,RE的阻值取得大些,电流负反馈作用就强些,稳流效果会更好些,因而抑制每个管子的漂移作用就愈显著。

图5 抑制漂移过程

射极负电源UEE的作用:由于各种原因引起两管的集电极电流、集电极电位产生同相的漂移时(如:2个输入信号都含有共模信号分量或50 Hz交流的共模干扰信号等),那么RE对它们都具有电流负反馈作用,使每管的漂移都受到了削弱,这样就进一步增强了差动电路抑制漂移和抑制相位相同信号的能力。虽然,RE愈大,抑制零点漂移的作用愈显著;但是,在UCC一定时,过大的RE会使集电极电流过小,会影响静态工作点和电压放大倍数。为此,接入负电源UEE来抵偿RE两端的直流压降,则发射极点位近似为零,获得合适的静态工作点。

电阻RP的作用:电位器RP是调平衡用的,又称调零电位器。因为电路不会完全对称,当输入电压为零(将两输入端都接“地”)时,输出电压不一定等于零。这时可以通过调节RP来改变两管的初始工作状态,从而使输出电压为零[10] 。但RP对相位相反的信号将起负反馈作用,因此阻值不宜过大,一般RP值取在几十欧姆到几百欧姆之间。

5 结 语

由以上分析可知,典型差动放大电路既可利用电路的对称性、采用双端输出的方式抑制零点漂移;又可利用发射极公共电阻RE的作用抑制每个三极管的零点漂移、稳定静态工作点。因此,这种典型差动放大电路即使是采用单端输出,其零点漂移也能得到有效地抑制。所以这种电路得到了广泛的应用。

参考文献

[1]艾永乐,付子义.模拟电子技术基础[ M] .北京:中国电力出版社,2008.

[2]童诗白,华成英.模拟电子技术基础[ M] .3版.北京:高等教育出版社,2001.

[3]华成英.电子技术[ M] .北京:中央广播电视大学出版社,1996.

[4]王献青.直接耦合放大电路中零点漂移的分析[ J] .科技资讯,2008(32):108.

[5]党自恒.多级电路直接耦合方式的特点[ J] .中国教育技术装备,2009(24):104-106.

[6]常翠宁,陈明.自动抵消零点漂移运算放大器工作原理及其应用[J].新疆工学院学报,1998,19(4):324-327.

[7]滕慧绒.差动放大电路对零点漂移的抑制作用[ J] .太原城市职业技术学院学报,2005(2):139-140.

[8]高淑芳.模拟电子技术基础[ M] .2版.西安:陕西师范大学出版社,1997.

[9]王良明.放大电路静态工作点的测量[J].安徽纺织职业技术学院学报,2002(2):3-5.

[10]兰杨茂,胡昌洪.直流放大器零点漂移的控制[J].电子对抗技术,2000,15(2):33-37.

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