多級電路直接耦合方式的特點

黨自恒

摘要 介紹多級放大電路直接耦合方式靜態工作點相互影響及解決的思維過程,還介紹零點漂移現象及其實質,最后引出差動放大電路。

關鍵詞 直接耦合;靜態工作點;溫漂;差動放大

中圖分類號:TN751.1 文獻標識碼:B 文章編號:1671-489X(2009)24-0104-02

Direct Coupled Mode Characteristic of Multistage Amplifier//Dang Ziheng

Abstract This text introduces the quiescent point mutual impact of direct coupled multistage amplifier and the way to solve the problem, still introduced zero point drift phenomenon and in fact quality, and educe differential amplifier finally.

Key words the direct couple; quiescent point; temperature drift; differential amplify

Authors address Beijing Institute of Fashion Technology, Beijing, 100029, China

1 前言

多級放大器各級之間連接方式稱為耦合方式。級間耦合時,一方面要確保各級放大器有合適的靜態工作點,另一方面又要使動態信號能不失真地傳輸到電路輸出端。直接耦合方式的低頻特性很好,甚至對緩慢變化的直流信號也會放大;它的另一大優點是可以高度集成。直接耦合方式也有它的缺點和不足。

2 靜態工作點前、后級相互影響

任何一個電子電路要想傳輸動態信號都必須有合適的靜態工作點,否則信號就會失真,多級電路更要求電路的每一級都必須有合適的靜態工作點,只要有一級靜態工作點不合適,即便其他級都合適,動態信號同樣會失真,甚至沒有輸出。

直接耦合靜態工作點是怎樣相互影響的呢?又該如何解決呢?

如圖1(a)所示為2只NPN型管組成的兩級共發射極放大電路,采用直接耦合方式。T1管的靜態工作點比較好設置,比如讓T1的集電極C1電位為VCC/2,顯然T2管的基極電位也為VCC/2。三極管基射極電壓不能超過0.7伏(硅管),為使T2管不被燒壞,很容易想到在射極加一個電阻來分壓。再看T2的集電極C2點電位,為了使電路有一定的放大能力,顯然要使C2點電位比B2點高,不妨取3/4*VCC,此時顯然T2管的最大輸出電壓只有T1的一半。如果后面再接一級共發射極放大電路T3,則T3的基極電位將是3/4*VCC。不用說,T3管的集電極C3點電位將更高。顯然各級靜態工作點會逐級升高。而VCC是有限的,最終必然導致靜態工作點不合適。不僅如此,事實上因為第一級以后的各級電路射極都加了一個電阻RE,因為它們的負反饋作用會使多級放大電路的總放大倍數不會比單級大,完全失去多級的意義。

那么該怎么辦呢?分析問題應抓住實質。究其原因,顯然是圖1每級共發射極放大電路的集電極電位都比基極電位高。如果把T2管改成PNP型管,并且讓NPN型管和PNP管交替使用,如圖1(d)所示,因為PNP型管基極電位比集電極高,這樣各級靜態工作點就不會逐級升高。

另外,RE問題怎樣解決呢?其實是希望RE既能對直流電路有分壓作用(它還形成直流負反饋,有利于穩定靜態工作點),又不對交流信號形成負反饋,能同時滿足或近似滿足這2個要求的器件有哪些呢?首先想到圖1(b)所示二極管,其直流導通電壓在0.6～0.7之間(硅管),交流電阻很小,讓幾個二極管串聯就可以得到需要的分壓值n×(0.6～0.7);總交流電阻也不大,反饋作用不強,多級放大電路的放大倍數會大大提高。

到此,似乎問題都得到解決,其實不然,因為還沒有考慮溫度變化對電路的影響。事實上,電路中器件的溫度不僅隨地域、天氣的變化而變化,更重要的是它還隨電路工作時間的變化而變化,因為每個器件正常工作時都或多或少要消耗功率放出熱量。二極管的導通壓降與溫度有關。溫度變化,多個二極管的總壓降必然變化更大,也即各級靜態工作點都不穩定。

那么該怎么辦?用穩壓管代替二極管。如圖1(c)所示,其中R為限流電阻,確保穩壓管工作在穩壓狀態。穩壓管穩定電壓的大小可以根據各級電路需要選擇不同的數值,穩壓管的交流電阻更小,其穩壓值受溫度的影響也比較小。顯然電路的靜態工作點將更加穩定。

此外,還可以采用溫度補償電路、負反饋電路來穩定靜態工作點。

采用這么多方法是不是電路就能正常工作了呢?實踐證明,電路總放大倍數不太高時還可以,一旦總放大倍數比較高,電路又會有問題。

3 零點漂移現象

所謂漂移就是指輸出電壓偏離原來的起始值作上下漂動,看上去似乎像個直流信號,其實它是個假“信號”。

產生零點漂移的原因很多,如電源電壓不穩、元器件老化、環境溫度變化等。其中最主要的因素是溫度的變化。晶體管是溫度的敏感器件,當溫度變化時,其參數UBE、β、ICBO都將發生變化,最終導致放大電路靜態工作點產生偏移。此外,在諸因素中,最難控制的也是溫度的變化。

怎樣抑制溫漂呢?采用差動放大電路。

圖2(a)是典型的利用負反饋穩定靜態工作點電路,但負反饋是利用變化來抑制變化,只能抑制而不能消除變化,因此,零點漂移現象依然存在。

但是,如果采用圖2(b)所示電路,改變電壓輸出端,并假設有一個輸出電壓可以隨溫度變化而相應變化的電源V,讓它的電壓的變化量正好等于由于溫度變化引起的T管集電極電位的變化量,則輸出電壓作為兩點電位之差就將只有動態信號u,而沒有靜態信號,也就是與靜態信號、靜態工作點無關。那么,靜態工作點變化不變化對輸出的動態信號就都沒有影響。

哪里有這樣的電源呢?雖然沒有這樣的電源,但可以想象,如果采用圖2(c)所示電路,讓兩邊電路完全一樣,即左右完全對稱,那么2只管子的集電極電位在溫度變化時也將時時相等,兩電位之差也就時時為零。這樣就從理論上完全克服溫漂。

當然,要使電路正常工作,還要采用所謂的差動信號,并對電路做進一步的改進。圖2(d)將2個射極電阻合并為一個,圖2(e)加了負電源-VCC,由于篇幅問題,這里不再贅述。