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技术解析:如何抑制直接耦合放大电路中零点漂移

直接耦合是水平和水平连接中最简单的方式,即将后输入直接连接到前输出,一个放大电路的输出端直接连接到另一个放大电路的输入端称为直接耦合。此外,直接耦合放大电路它不仅可以放大交流信号,还可以放大变化缓慢的信号;此外,由于电路中没有大容量电容器,因此很容易将所有电路集成在硅片上,形成集成放大电路。由于电子工业的快速发展,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,因此直接耦合放大电路的应用越来越广泛。此外,许多物理量,如压力、液位、流量、温度和长度,在传感器处理后转换为微弱且变化缓慢的非周期电信号。这些信号不足以驱动负载,必须放大。由于这些信号不能通过耦合电容器逐步传输,因此显然不可能放大这些信号。必须采用直接耦合放大电路。然而,在各级之间采用直接耦合连接方式后,前后静态工作点之间存在相互影响和零点漂移问题。在这里,我们分析了零点漂移的主要原因,并找到了解决办法。

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。

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图1中的电容耦合模式仅用一个电容器连接两级放大电路,方法简单。耦合电容器具有直接交叉的功能。根据信号频率选择电容器的电容量,使容抗非常小,可以顺利传输交流信号;电容器的直接作用使各级放大电路的静态工作点独立,不相互影响。只要各级静态工作点相对稳定,整个放大电路工作就相对稳定。因此,电阻耦合放大电路被广泛使用。然而,在各种自动控制系统和一些测量仪器中,传输信号大多是变化非常缓慢、非周期性的信号,甚至是直流信号。例如,水轮发电机组的速度、发电机的端电压、变压器的油温、水电站前池的水位变化缓慢。为了测量和自动控制这些缓慢变化的物理量,这些物理量必须转换为电信号(即模拟信号),因为这些电信号不仅变化缓慢,而且性能不现实,电容器必须直接放大。这样,无论信号的频率有多低,甚至直流信号都能顺利通过,这就是直接耦合的方式。直接耦合放大电路不仅可以放大交流信号,还可以放大缓慢变化信号和直流信号(因此在一些书中称为直流放大电路)。其频率特性的下限频率为零,广泛应用于自动控制系统和电子仪器中。


零点漂移这是一个直接耦合放大电路的特殊问题。所谓零点漂移,是指输入端放大电路短路(即无输入信号输入)用敏感的直流表测量输出端,输出电压变化缓慢,称为零点漂移现象,如图2所示。零点漂移信号将在各级放大电路之间传输。多级放大后,输出端成为较大的信号。如果有用信号较弱,则存在零点漂移现象耦合放大电路在中间,漂移电压和有效信号电压混合逐步放大。当漂移电压大小可与有效信号电压相比时,输出端难以区分有效信号电压;当漂移现象严重时,有效信号往往淹没,使放大电路无法正常工作。因此,有必要找出零漂移的原因和抑制零漂移的方法。

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零点漂移的原因有很多,主要有三个方面:第一,电源电压的波动会导致输出电压漂移;第二,电路元件的老化也会导致输出电压的漂移;第三,半导体器件会随着温度的变化而变化,这也会导致输出电压的漂移。前两个因素导致零点漂移较小。实践证明,温度变化是零点漂移的主要原因和最难克服的因素,这是由于半导体器件的导电性对温度非常敏感,温度难以保持恒定造成的。当环境温度发生变化时,晶体管参数会发生变化VBE,β,ICBO放大电路的静态工作点发生变化,由于级间耦合采用直接耦合,这种变化将逐步放大和传输,最终导致输出端的电压漂移。直接耦合放大电路的级数越多,放大倍数越大,零漂移越严重,在各级产生的零漂移中,第一l因此,减少零点漂移的关键是提高放大电路一级的性能。

抑制零点漂移的措施如下:

(1)选用优质硅管硅管ICBO硅管比锗管小几个数量级,所以几乎所有高质量的直流放大电路都使用硅管。此外,晶体管的制造过程也非常重要。即使是同一类型的晶体管,如果工艺不够严格,半导体表面不干净,也会增加漂移程度。因此,必须严格选择合格的半导体设备。

(2)在电路中引入直流负反馈,稳定静态工作点。

(3)采用温度补偿法,利用热敏元件抵消放大管的变化。补偿是指用另一个元件的漂移来抵消放大电路的漂移。如果参数配合得当,漂移可以抑制在较低的范围内。二极管补偿法常用于稳定由分立元件组成的电路中的静态工作点。该方法简单实用,但效果不理想,适用于对温漂要求较低的电路。

(4)采用调制手段,调制是指将直流变化转化为其他形式的变化(如正弦波幅度的变化),通过漂移的小阻容耦合电路放大,然后将放大的信号还原为直流成分的变化。这样电路结构复杂,成本高,频率特性差。实现这种方法成本高。

(5)受温度补偿法的启发,人们使用两种相同型号和特性的晶体管进行补偿,并获得了更好的抑制零漂移的效果,即差动放大电路。集成电路中应用最广泛的单元电路是基于参数补偿原理的差动放大电路。在直接耦合放大电路中,抑制零点漂移最有效的方法是使用差动放大电路。


1 差动放大电路抑制零点漂移的原理

差动放大电路,又称差动放大电路,不仅能有效放大直流信号,还能有效减少电源波动和晶体管随温度变化引起的零点漂移,因此得到了广泛的应用,尤其是集成放大电路,常用作多级放大器的前置级。

基本差动放大器如图3所示。VT1,VT二是具有相同特性的晶体管,电路对称,参数对称。VBE1=VBE2,RCl=RC2=RC,Bl=RB2=RB,β1=β2=β。电路有两个输入端和两个输出端。由于左右两个放大电路完全对称,因此没有信号,即输入信号UI=0时,Uo1=Uo因此,输出电压Uo=0,即差分放大器具有零输入时零输出的特点。当温度变化时,左右管道的输出电压Uo1,Uo2应该改变,但由于电路对称,两管的输出变化(即每管的零漂)相同,即△Uo1=△Uo2,则Uo=O,可以看出,由于电路的对称性,两管的零漂移在输出端相互抵消,而有效地抑制了零漂移。由于电路的对称性,如图3所示的差动放大电路可以抑制零点漂移。但该电路存在缺陷:完全对称的理想情况不存在;因此,仅仅通过提高电路的对称性来抑制零点漂移是有限的。如果采用单端输出(输出电压从管的集电极和地面之间取出),则根本无法抑制漂移。因此,通常使用图4所示的典型差动放大电路。

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4.2 典型的差动放大电路结构和抑制零点漂移的原理

典型的差动放大电路如图4所示。与最简单的差动放大电路相比,该电路增加了零调节电位器RP、极公共电阻的发射RE和负电源UEE。下面分析电路抑制零点漂移的原理、极公共电阻的发射RE(可视为调零电位器RP是RE部分)和负电源EE的作用。

电路中RE其主要功能是稳定电路的静态工作点,从而限制各管道的漂移范围,进一步减少零点漂移。例如,当温度升高时IC1和IC当均匀增加时,就会有如图5所示的抑制漂移的过程。

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可见,因为RE负电流反馈的结果使集电极电位基本不变,减少了输出端的漂移。反馈电阻RE能抑制共模信号,对差模信号无效。零点漂移属于共模信号,因此在一定程度上抑制了每根管道的漂移。RE电阻值较大,电流负反馈效果较强,稳流效果较好,抑制各管道漂移效果越明显。

射极负电源UEE功能:当两管集电极电流和集电极电位因各种原因产生相同的漂移时(例如,两个输入信号都含有共模信号重量或50 Hz交流的共模干扰信号等),那么RE它们都有负电流反馈,削弱了每根管道的漂移,进一步增强了差动电路抑制漂移和相位相同信号的能力。尽管如此RE抑制零点漂移的效果越大,就越明显;然而,在UCC一定时间,太大了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UEE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。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。

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。

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