多级电路直接耦合方式的特点

党自恒

摘要 介绍多级放大电路直接耦合方式静态工作点相互影响及解决的思维过程,还介绍零点漂移现象及其实质,最后引出差动放大电路。

关键词 直接耦合;静态工作点;温漂;差动放大

中图分类号:TN751.1 文献标识码:B 文章编号: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

多级放大器各级之间连接方式称为耦合方式。级间耦合时,一方面要确保各级放大器有合适的静态工作点,另一方面又要使动态信号能不失真地传输到电路输出端。直接耦合方式的低频特性很好,甚至对缓慢变化的直流信号也会放大;它的另一大优点是可以高度集成。直接耦合方式也有它的缺点和不足。

2 静态工作点前、后级相互影响

任何一个电子电路要想传输动态信号都必须有合适的静态工作点,否则信号就会失真,多级电路更要求电路的每一级都必须有合适的静态工作点,只要有一级静态工作点不合适,即便其他级都合适,动态信号同样会失真,甚至没有输出。

直接耦合静态工作点是怎样相互影响的呢?又该如何解决呢?

如图1(a)所示为2只NPN型管组成的两级共发射极放大电路,采用直接耦合方式。T1管的静态工作点比较好设置,比如让T1的集电极C1电位为VCC/2,显然T2管的基极电位也为VCC/2。三极管基射极电压不能超过0.7伏(硅管),为使T2管不被烧坏,很容易想到在射极加一个电阻来分压。再看T2的集电极C2点电位,为了使电路有一定的放大能力,显然要使C2点电位比B2点高,不妨取3/4*VCC,此时显然T2管的最大输出电压只有T1的一半。如果后面再接一级共发射极放大电路T3,则T3的基极电位将是3/4*VCC。不用说,T3管的集电极C3点电位将更高。显然各级静态工作点会逐级升高。而VCC是有限的,最终必然导致静态工作点不合适。不仅如此,事实上因为第一级以后的各级电路射极都加了一个电阻RE,因为它们的负反馈作用会使多级放大电路的总放大倍数不会比单级大,完全失去多级的意义。

那么该怎么办呢?分析问题应抓住实质。究其原因,显然是图1每级共发射极放大电路的集电极电位都比基极电位高。如果把T2管改成PNP型管,并且让NPN型管和PNP管交替使用,如图1(d)所示,因为PNP型管基极电位比集电极高,这样各级静态工作点就不会逐级升高。

另外,RE问题怎样解决呢?其实是希望RE既能对直流电路有分压作用(它还形成直流负反馈,有利于稳定静态工作点),又不对交流信号形成负反馈,能同时满足或近似满足这2个要求的器件有哪些呢?首先想到图1(b)所示二极管,其直流导通电压在0.6～0.7之间(硅管),交流电阻很小,让几个二极管串联就可以得到需要的分压值n×(0.6～0.7);总交流电阻也不大,反馈作用不强,多级放大电路的放大倍数会大大提高。

到此,似乎问题都得到解决,其实不然,因为还没有考虑温度变化对电路的影响。事实上,电路中器件的温度不仅随地域、天气的变化而变化,更重要的是它还随电路工作时间的变化而变化,因为每个器件正常工作时都或多或少要消耗功率放出热量。二极管的导通压降与温度有关。温度变化,多个二极管的总压降必然变化更大,也即各级静态工作点都不稳定。

那么该怎么办?用稳压管代替二极管。如图1(c)所示,其中R为限流电阻,确保稳压管工作在稳压状态。稳压管稳定电压的大小可以根据各级电路需要选择不同的数值,稳压管的交流电阻更小,其稳压值受温度的影响也比较小。显然电路的静态工作点将更加稳定。

此外,还可以采用温度补偿电路、负反馈电路来稳定静态工作点。

采用这么多方法是不是电路就能正常工作了呢?实践证明,电路总放大倍数不太高时还可以,一旦总放大倍数比较高,电路又会有问题。

3 零点漂移现象

所谓漂移就是指输出电压偏离原来的起始值作上下漂动,看上去似乎像个直流信号,其实它是个假“信号”。

产生零点漂移的原因很多,如电源电压不稳、元器件老化、环境温度变化等。其中最主要的因素是温度的变化。晶体管是温度的敏感器件,当温度变化时,其参数UBE、β、ICBO都将发生变化,最终导致放大电路静态工作点产生偏移。此外,在诸因素中,最难控制的也是温度的变化。

怎样抑制温漂呢?采用差动放大电路。

图2(a)是典型的利用负反馈稳定静态工作点电路,但负反馈是利用变化来抑制变化,只能抑制而不能消除变化,因此,零点漂移现象依然存在。

但是,如果采用图2(b)所示电路,改变电压输出端,并假设有一个输出电压可以随温度变化而相应变化的电源V,让它的电压的变化量正好等于由于温度变化引起的T管集电极电位的变化量,则输出电压作为两点电位之差就将只有动态信号u,而没有静态信号,也就是与静态信号、静态工作点无关。那么,静态工作点变化不变化对输出的动态信号就都没有影响。

哪里有这样的电源呢?虽然没有这样的电源,但可以想象,如果采用图2(c)所示电路,让两边电路完全一样,即左右完全对称,那么2只管子的集电极电位在温度变化时也将时时相等,两电位之差也就时时为零。这样就从理论上完全克服温漂。

当然,要使电路正常工作,还要采用所谓的差动信号,并对电路做进一步的改进。图2(d)将2个射极电阻合并为一个,图2(e)加了负电源-VCC,由于篇幅问题,这里不再赘述。