多級(jí)電路直接耦合方式的特點(diǎn)

黨自恒

摘要 介紹多級(jí)放大電路直接耦合方式靜態(tài)工作點(diǎn)相互影響及解決的思維過程,還介紹零點(diǎn)漂移現(xiàn)象及其實(shí)質(zhì),最后引出差動(dòng)放大電路。

關(guān)鍵詞 直接耦合;靜態(tài)工作點(diǎn);溫漂;差動(dòng)放大

中圖分類號(hào):TN751.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):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(jí)放大器各級(jí)之間連接方式稱為耦合方式。級(jí)間耦合時(shí),一方面要確保各級(jí)放大器有合適的靜態(tài)工作點(diǎn),另一方面又要使動(dòng)態(tài)信號(hào)能不失真地傳輸?shù)诫娐份敵龆恕Ｖ苯玉詈戏绞降牡皖l特性很好,甚至對(duì)緩慢變化的直流信號(hào)也會(huì)放大;它的另一大優(yōu)點(diǎn)是可以高度集成。直接耦合方式也有它的缺點(diǎn)和不足。

2 靜態(tài)工作點(diǎn)前、后級(jí)相互影響

任何一個(gè)電子電路要想傳輸動(dòng)態(tài)信號(hào)都必須有合適的靜態(tài)工作點(diǎn),否則信號(hào)就會(huì)失真,多級(jí)電路更要求電路的每一級(jí)都必須有合適的靜態(tài)工作點(diǎn),只要有一級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)不合適,即便其他級(jí)都合適,動(dòng)態(tài)信號(hào)同樣會(huì)失真,甚至沒有輸出。

直接耦合靜態(tài)工作點(diǎn)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(jí)共發(fā)射極放大電路,采用直接耦合方式。T1管的靜態(tài)工作點(diǎn)比較好設(shè)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(gè)電阻來分壓。再看T2的集電極C2點(diǎn)電位,為了使電路有一定的放大能力,顯然要使C2點(diǎn)電位比B2點(diǎn)高,不妨取3/4*VCC,此時(shí)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(jí)共發(fā)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(diǎn)電位將更高。顯然各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)會(huì)逐級(jí)升高。而VCC是有限的,最終必然導(dǎo)致靜態(tài)工作點(diǎn)不合適。不僅如此,事實(shí)上因?yàn)榈谝患?jí)以后的各級(jí)電路射極都加了一個(gè)電阻RE,因?yàn)樗鼈兊呢?fù)反饋?zhàn)饔脮?huì)使多級(jí)放大電路的總放大倍數(shù)不會(huì)比單級(jí)大,完全失去多級(jí)的意義。

那么該怎么辦呢?分析問題應(yīng)抓住實(shí)質(zhì)。究其原因,顯然是圖1每級(jí)共發(fā)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?yàn)镻NP型管基極電位比集電極高,這樣各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)就不會(huì)逐級(jí)升高。

另外,RE問題怎樣解決呢?其實(shí)是希望RE既能對(duì)直流電路有分壓作用(它還形成直流負(fù)反饋,有利于穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)),又不對(duì)交流信號(hào)形成負(fù)反饋,能同時(shí)滿足或近似滿足這2個(gè)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(dǎo)通電壓在0.6～0.7之間(硅管),交流電阻很小,讓幾個(gè)二極管串聯(lián)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?zhàn)饔貌粡?qiáng),多級(jí)放大電路的放大倍數(shù)會(huì)大大提高。

到此,似乎問題都得到解決,其實(shí)不然,因?yàn)檫€沒有考慮溫度變化對(duì)電路的影響。事實(shí)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(shí)間的變化而變化,因?yàn)槊總€(gè)器件正常工作時(shí)都或多或少要消耗功率放出熱量。二極管的導(dǎo)通壓降與溫度有關(guān)。溫度變化,多個(gè)二極管的總壓降必然變化更大,也即各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)都不穩(wěn)定。

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

此外,還可以采用溫度補(bǔ)償電路、負(fù)反饋電路來穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)。

采用這么多方法是不是電路就能正常工作了呢?實(shí)踐證明,電路總放大倍數(shù)不太高時(shí)還可以,一旦總放大倍數(shù)比較高,電路又會(huì)有問題。

3 零點(diǎn)漂移現(xiàn)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(dòng),看上去似乎像個(gè)直流信號(hào),其實(shí)它是個(gè)假“信號(hào)”。

產(chǎn)生零點(diǎn)漂移的原因很多,如電源電壓不穩(wěn)、元器件老化、環(huán)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(dāng)溫度變化時(shí),其參數(shù)UBE、β、ICBO都將發(fā)生變化,最終導(dǎo)致放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)產(chǎn)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(dòng)放大電路。

圖2(a)是典型的利用負(fù)反饋穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)電路,但負(fù)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(diǎn)漂移現(xiàn)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(shè)有一個(gè)輸出電壓可以隨溫度變化而相應(yīng)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(diǎn)電位之差就將只有動(dòng)態(tài)信號(hào)u,而沒有靜態(tài)信號(hào),也就是與靜態(tài)信號(hào)、靜態(tài)工作點(diǎn)無關(guān)。那么,靜態(tài)工作點(diǎn)變化不變化對(duì)輸出的動(dòng)態(tài)信號(hào)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(duì)稱,那么2只管子的集電極電位在溫度變化時(shí)也將時(shí)時(shí)相等,兩電位之差也就時(shí)時(shí)為零。這樣就從理論上完全克服溫漂。

當(dāng)然,要使電路正常工作,還要采用所謂的差動(dòng)信號(hào),并對(duì)電路做進(jìn)一步的改進(jìn)。圖2(d)將2個(gè)射極電阻合并為一個(gè),圖2(e)加了負(fù)電源-VCC,由于篇幅問題,這里不再贅述。