如何抑制直接耦合放大電路中零點漂移

摘 要:直接耦合放大電路既能放大交流信號，又能放大緩變信號和直流信號，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構。但是，直接耦合方式又給放大電路帶來一個特殊的問題，這個特殊的問題就是零點漂移，在此介紹直接耦合放大電路的特點和直接耦合帶來的特殊問題，根據產生這個問題的原因，講述解決抑制零點漂移的各種措施。著重講述利用差動放大電路抑制零點漂移的工作原理。

關鍵詞:直接耦合; 零點漂移;差動放大電路; 下限頻率

中圖分類號:TN710 文獻標識碼:A

文章編號: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

直接耦合是級與級連接方式中最簡單的，就是將后級的輸入與前級輸出直接連接在一起，一個放大電路的輸出端與另一個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交流信號進行放大，也可以放大變化緩慢的信號;并且由于電路中沒有大容量電容，所以易于將全部電路集成在一片硅片上，構成集成放大電路。由于電子工業的飛速發展，使集成放大電路的性能越來越好，種類越來越多，價格也越來越便宜，所以直接耦合放大電路的使用越來越廣泛。除此之外很多物理量如壓力、液面、流量、溫度、長度等經過傳感器處理后轉變為微弱的、變化緩慢的非周期電信號，這類信號還不足以驅動負載，必須經過放大[2] 。因這類信號不能通過耦合電容逐級傳遞，所以，要放大這類信號，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。但是各級之間采用了直接耦合的聯接方式后卻出現前后級之間靜態工作點相互影響及零點漂移的問題，在此主要分析零點漂移的產生原因，并尋找解決的辦法。

1 直接耦合放大電路的特點

當多級放大電路需要放大頻率極低的信號，甚至直流信號時，級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放大電路連接起來，方式簡單。耦合電容器具有隔直通交作用。根據信號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; 電容器的隔直作用，使各級放大電路的靜態工作點各自獨立，互不影響，只要各級靜態工作點比較穩定，整個放大電路工作就比較穩定。所以阻容耦合放大電路應用十分廣泛。但是，在各種自動控制系統和一些測量儀表中，傳遞信號多數是變化極為緩慢的、非周期的信號，甚至為直流信號。例如，水輪發電機組的轉速，發電機的端電壓，變壓器的油溫，水電站前池的水位等變化是緩慢的，要實現對這些緩慢變化的物理量的測量和自動控制，必須將這些物理量轉變為電信號(即模擬信號)，由于這些電信號不僅是緩變的，而且是微弱的，因此必須進行放大。緩變信號包含的頻率極低，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，是不現實的。人們自然會想到直接用導線將兩級放大電路連接起來，這樣再低頻率的信號，乃至直流信號就能順利通過，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，又能放大緩變信號和直流信號(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，在自動控制系統和電子儀表中獲得廣泛應用。

2 直接耦合放大電路的特殊問題 零點漂移

零點漂移是直接耦合放大電路存在的一個特殊問題。所謂零點漂移的是指放大電路在輸入端短路(即沒有輸入信號輸入時)用靈敏的直流表測量輸出端，也會有變化緩慢的輸出電壓產生，稱為零點漂移現象，如圖2所示[3] 。零點漂移的信號會在各級放大的電路間傳遞，經過多級放大后，在輸出端成為較大的信號，如果有用信號較弱，存在零點漂移現象的直接耦合放大電路中，漂移電壓和有效信號電壓混雜在一起被逐級放大，當漂移電壓大小可以和有效信號電壓相比時，是很難在輸出端分辨出有效信號的電壓;在漂移現象嚴重的情況下，往往會使有效信號“淹沒”，使放大電路不能正常工作。因此，必須找出產生零漂的原因和抑制零漂的方法。

圖2 零點漂移現象

3 零點漂移產生的原因

產生零點漂移的原因很多，主要有3個方面:一是電源電壓的波動，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;三是半導體器件隨溫度變化而產生變化，也將造成輸出電壓的漂移[4] 。

前兩個因素造成零點漂移較小， 實踐證明，溫度變化是產生零點漂移的主要原因，也是最難克服的因素，這是由于半導體器件的導電性對溫度非常敏感，而溫度又很難維持恒定造成的。當環境溫度變化時，將引起晶體管參數VBE，β，ICBO的變化，從而使放大電路的靜態工作點發生變化，而且由于級間耦合采用直接耦合方式，這種變化將逐級放大和傳遞，最后導致輸出端的電壓發生漂移。直接耦合放大電路的級數愈多，放大倍數愈大，則零點漂移愈嚴重，并且在各級產生的零點漂移中，第1級產生零點漂移影響最大，因此，減小零點漂移的關鍵是改善放大電路第1級的性能。

4 抑制零點漂移的措施

抑制零點漂移的措施具體有以下幾種:

(1) 選用高質量的硅管 硅管的ICBO要比鍺管小好幾個數量級，因此目前高質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，如工藝不夠嚴格，半導體表面不干凈，將會使漂移程度增加。所以必須嚴格挑選合格的半導體器件。

(2) 在電路中引入直流負反饋，穩定靜態工作點[5] 。

(3) 采用溫度補償的方法，利用熱敏元件來抵消放大管的變化[5] 。補償是指用另外一個元器件的漂移來抵消放大電路的漂移，如果參數配合得當，就能把漂移抑制在較低的限度之內。在分立元件組成的電路中常用二極管補償方式來穩定靜態工作點。此方法簡單實用，但效果不盡理想，適用于對溫漂要求不高的電路。

(4) 采用調制手段，調制是指將直流變化量轉換為其他形式的變化量(如正弦波幅度的變化)，并通過漂移很小的阻容耦合電路放大，再設法將放大了的信號還原為直流成份的變化。這種方式電路結構復雜、成本高、頻率特性差。實現這種方法成本投入較高。

(5) 受溫度補償法的啟發，人們利用2只型號和特性都相同的晶體管來進行補償，收到了較好的抑制零點漂移的效果，這就是差動放大電路。在集成電路內部應用最廣的單元電路就是基于參數補償原理構成的差動式放大電路。在直接耦合放大電路中，抑制零點漂移最有效地方法是采用差動式放大電路。

4.1 差動放大電路抑制零點漂移的原理

差動放大電路又叫差分電路，他不僅能有效地放大直流信號，而且還能有效的減小由于電源波動和晶體管隨溫度變化而引起的零點漂移，因而獲得廣泛的應用[6] ，特別是大量地應用于集成運放電路，其常被用作多級放大器的前置級。

基本差動式放大器如圖3所示[7] 。 圖中VT1，VT2 是特性相同的晶體管，電路對稱，參數也對稱。如:VBE1=VBE2，RC1=RC2=RC，RB1=RB2=RB，β1=β2=β。電路有2個輸入端和2個輸出端。因左右2個放大電路完全對稱，所以在沒有信號情況下，即輸入信號UI=0時，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零輸出的特點。當溫度變化時，左右兩個管子的輸出電壓UO1，UO2都要發生變動，但由于電路對稱，兩管的輸出變化量(即每管的零漂)相同，即ΔUO1=ΔUO2，則UO=0，可見利用兩管的零漂在輸出端相抵消，從而有效地抑制了零點漂移。

如圖3所示的差動放大電路所以能抑制零點漂移，是由于電路的對稱性。但是此電路存在缺陷:完全對稱的理想情況并不存在;所以單靠提高電路的對稱性來抑制零點漂移是有限度的。上述差動電路的每個管的集電極電位的漂移并末受到抑制，如果采用單端輸出(輸出電壓從一個管的集電極與“地”之間取出)，漂移根本無法抑制。為此，常采用圖4所示的典型差動放大電路。

圖3 差分電路

4.2 典型差動放大電路結構及抑制零點漂移的原理

典型差動放大電路如圖4所示，與最簡單的差動放大電路相比，該電路增加了調零電位器RP、發射極公共電阻RE和負電源UEE。下面分析電路抑制零點漂移的原理、發射極公共電阻RE(可以認為調零電位器RP是RE的一部分)和負電源EE的作用。

圖4 典型差動放大器

電路中RE的主要作用是穩定電路的靜態工作點，從而限制每個管子的漂移范圍，進一步減小零點漂移[7] 。例如當溫度升高使IC1和IC2均增加時，則有如圖5的抑制漂移的過程[8-9] 。

可見，由于RE的電流負反饋作用，其結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，對差模信號不起作用。零點漂移屬于共模信號，所以使每個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，電流負反饋作用就強些，穩流效果會更好些，因而抑制每個管子的漂移作用就愈顯著。

圖5 抑制漂移過程

射極負電源UEE的作用:由于各種原因引起兩管的集電極電流、集電極電位產生同相的漂移時(如:2個輸入信號都含有共模信號分量或50 Hz交流的共模干擾信號等)，那么RE對它們都具有電流負反饋作用，使每管的漂移都受到了削弱，這樣就進一步增強了差動電路抑制漂移和抑制相位相同信號的能力。雖然，RE愈大，抑制零點漂移的作用愈顯著;但是，在UCC一定時，過大的RE會使集電極電流過小，會影響靜態工作點和電壓放大倍數。為此，接入負電源UEE來抵償RE兩端的直流壓降，則發射極點位近似為零，獲得合適的靜態工作點。

電阻RP的作用:電位器RP是調平衡用的，又稱調零電位器。因為電路不會完全對稱，當輸入電壓為零(將兩輸入端都接“地”)時，輸出電壓不一定等于零。這時可以通過調節RP來改變兩管的初始工作狀態，從而使輸出電壓為零[10] 。但RP對相位相反的信號將起負反饋作用，因此阻值不宜過大，一般RP值取在幾十歐姆到幾百歐姆之間。

5 結 語

由以上分析可知，典型差動放大電路既可利用電路的對稱性、采用雙端輸出的方式抑制零點漂移;又可利用發射極公共電阻RE的作用抑制每個三極管的零點漂移、穩定靜態工作點。因此，這種典型差動放大電路即使是采用單端輸出，其零點漂移也能得到有效地抑制。所以這種電路得到了廣泛的應用。

參考文獻

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