3.1 直流放大器
集成电路主要是由半导体材料构成的,在内部适于制作二极管、三极管等类型元件,而制作电容、电感和变压器较为困难,因此 集成放大电路内部多个放大电路之间通常采用直接 耦合。直接耦合放大电路除了可以放大交流信号外,还可以放大直流信号,故直接耦合放大 电路又称为直流放大器。
直流放大器的优点是各放大电路之间采用直接耦合方式,在传输信号时对高、中、低频率信号都不会衰减。但 直流放大器有两个明显的缺点:一是前后级电路之间静态工作点会互 相影响;二是容易出现零点漂移。 下面介绍这两个问题的解决方法。
3.1.1 直流放大器的级间静态工作点影响问题
图3-1是一个两级直接耦合的直流放大器。
图3-1两级直接耦合的直流放大器
由于两级电路是直接耦合的,前后级电路的静态工作点会相互影响。从电路中可以看出,三极管VT 1 的集电极电压 U c1 与VT 2 基极电压 U b2 是相等的。因为PN结导通电压是0.7V(硅材料0.5~0.7V,锗材料0.2~0.3V=),所以 U c1 U b2 =0.7V。而VT 1 的 U b1 也为0.7V,VT 1 的集电极电压 U c1 很低,如果送到VT 1 基极的信号稍大,会使 U b1 上升, U c1 下降,出现 U b1 > U c1 ,VT 1 就会由放大进入饱和状态而不能正常工作。为了解决VT 1 易进入饱和状态这个问题,可以采取一定的方法来抬高VT 1 集电极电压,具体解决方法有下面几种。
(1)在后级电路中增加发射极电阻
这种做法如图3-2(a)所示,在VT 2 的发射极增加一个电阻R 5 来抬高VT 2 的发射极电压 U e2 ,VT 2 的基极电压 U b2 也被抬高( U b2 较 U e2 始终大于0.7V), U c1 电压也就被抬高,VT 1 不容易进入饱和状态。 U c1 电压越高,VT 1 越不容易进入饱和状态,但要将 U c1 抬得很高,要求电阻 R 5 很大,而 R 5 很大会使VT 2 的 I b2 电流减小而导致VT 2 的增益下降,这是该方法的缺点。
(2)在后级电路中增加稳压二极管
这种做法如图3-2(b)所示,通过在VT2的发射极增加一个稳压二极管VD,来抬高VT2的发射极电压 U e2,选用不同稳压值的稳压二极管可以将 U e2抬高到不同的电压。另外,由于稳压二极管击穿导通电阻不是很大,不会让VT2的 I b2电流减小很多,VT2仍有较大的增益。
(3)将PNP型三极管与NPN型三极管配合使用
这种做法如图3-2(c)所示,由于PNP型和NPN型三极管各极电压高低有不同的特点,它们配合使用,可以使各级放大电路的直流工作点有个合理的配置。
图3-2 提高后级放大电路中三极管发射极电压的几种做法
3.1.2 零点漂移问题
一个直流放大器,当输入信号为零时,输出信号并不为零,这种现象称为零点漂移。 下面以图3-3所示的电路来分析产生零点漂移的原因。
图3-3 零点漂移分析图
如果图3-3所示电路不存在零点漂移,当VT 1 基极A点电压不变(即无输入电压)时,输出端B点电压应该也不变化(即无输出电压)。但实际上由于某些原因,比如环境温度变化,即使A点电压不变化,输出端B点电压也会变化。其原因是:即使A点电压不变,当环境温度升高时,VT 1 的 I c1 电流会增大,E点电压会下降,VT 2 的基极电压下降, I b2 减小, I c2 减小,VT 2 的输出端B点电压会下降;如果环境温度下降,VT 1 的 I c1 电流减小,E点电压会上升,VT 2 的基极电压上升, I b2 增大, I c2 增大,VT2的输出端B点电压会上升。
也就是说,即使无输入信号,当A点电压不变时,因为环境温度的变化,在电路的输出端B点也会输出变化的电压,这就是零点漂移。放大电路级数越多,零点漂移越严重。因为直流放大电路存在零点漂移,如果电路输入的有用信号很小,可能会出现放大电路输出的有用信号被零点漂移信号“淹没”的情况。
电路产生零点漂移的原因很多,如温度的变化、电源电压的波动、元器件参数变化等,其中主要是三极管因温度变化而引起 I c 电流的变化,从而出现零点漂移。 解决零点漂移问题 的方法是选择温度性能好的三极管和其他的元件,电路供电采用稳定的电源。 但这些都不能从根本上解决零点漂移问题, 最好的方法是采用差动放大电路作为直流放大器。