多级放大电路中零点漂移产生与抑制措施

多级放大电路

 

 

 

 

在多级放大电路，尤其是直接耦合多级放大电路中，当放大电路输入信号为零（即没有交流输入）时，由于受温度变化、电源电压不稳、元件参数变化等因素的影响，使静态工作点发生变化，并被逐级放大和传输，导致电路输出端电压偏离原固定值而上下漂动的现象。

简单说，没有输入却有输出，很神奇的现象，先来检测一下吧。

零点漂移

如下图所示，在直接耦合两级放大电路中，将输入端短路，分别检测第一级放大电路的输出端和第二级放大电路的输出端：

 

 

   

 

 

运行仿真，可见，在交流输入短路的情况下，第一级放大电路和第二级放大电路的输出端均有电压产生，

V1p-p=6.55pV，V2p-p=69.0pV

可想而知，如果有三级、四级……放大电路，则该小信号将被不断放大，最终在输出端产生不可忽略的大信号。这就是直接耦合多级放大电路中的零点漂移。

那么，零点漂移是如何产生的呢？

1.零点漂移的产生

在放大电路中，电源电压波动、元件老化、半导体元件参数随温度的变化等，都将引起静态工作点（晶体管各极的电位与电流）的缓慢变化（可视为交流信号），放大电路对这些缓慢变化的信号同样具有放大能力，在单级放大电路中，由于放大能力弱而忽略掉这种信号，但是在多级放大电路中，经过层层放大后，它便成为不可忽视的存在。

在阻容耦合多级放大电路中，同样存在零点漂移，但由于耦合电容的存在，各级放大电路的静态工作点相互独立，换句话说，前一级静态工作点的变化不会对后一级产生影响，因此，一般不把阻容耦合多级放大电路中的零点漂移作为重点。

那么零点漂移可以消除吗？

答案是不可以，只能做到最大程度地抑制。比如，在直接耦合放大电路中，采用高质量的稳压电源和处理过的元件可以大大减小由此产生的电压漂移，但是有一种不好控制，那就是由于温度变化而引起的零点漂移。

2.温度漂移

多级放大电路的核心仍然是晶体管，晶体管属于半导体元件，半导体材料本身的热敏性使得温度变化时，其参数“必然”发生变化。

所以在应用中，温度变化而导致的半导体元件参数的改变是零点漂移产生的主要原因，因此，零点漂移也称为温度漂移，简称温漂。

对直接耦合多级放大电路进行温度扫描分析，设置温度扫描参数为：起始温度0℃，终止温度100℃；扫描的点数为2点。得到如图所示的温度分析结果：

（1）交流输入为零时的扫描结果。

 

 

 

 

可见，温度升高100℃，在多级放大电路的输出端产生约3nV的漂移电压。

（2）交流输入为5mV，1kHz零时的扫描结果。

 

 

 

 

从图所示的温度扫描分析特性曲线及参数中可以看出：

①多级放大电路的电压放大倍数呈正温度系数变化，

②当温度从0℃上升到100℃时，产生的最大输出电压偏差为

△V=(489.5-474)mV=15.5 mV

最大输出电压值大约升高了：

15.5mV/474mV≈3.3%

像这样，温度升高时，静态工作点升高，晶体管的电压放大倍数增大，这部分额外增加的电压是温度变化引起的，理解为温度漂移。

3. 抑制措施

(1)采用高质量的硅晶体管，并对制造工艺严格要求；

(2)引入直流负反馈，对静态工作点进行稳定——后续将介绍反馈的类型、意义及引入方法；

(3)温度补偿，利用热敏元件的漂移来抵消放大管的漂移，有时也用二极管，但效果一般，适合要求不高的电路；

(4)受温度补偿法的启发，利用2只型号和特性都相同的晶体管来进行补偿，收到了较好的抑制零点漂移的效果，这就是差动放大电路——后续将介绍差分放大电路的结构与功能。