BJT放大电路的零点漂移和差分放大器

BJT 放大电路放大电路的零点漂移和差分放大器的零点漂移和差分放大器
（电子科大微固学院 Xie Meng-xian ）
在电路应用中，双极型晶体管的温度稳定性系数，主要是用来表征晶体管直流偏置电路所决定的工作点的温度稳定性。

而在晶体管的直接耦合放大电路中，还会出现的一种重要的不稳定现象——零点漂移。

零点漂移是指当放大器的输入电压为零（输入端短路）时，而在输出端有无规律的、变化缓慢的电压产生的现象，这是晶体管直接耦合放大电路中存在的一个特殊问题。

零点漂移不仅与偏置电路有关，而且也与其他许多因素有关。

（1）产生零点漂移的原因：
引起晶体管出现零点漂移的原因很多，例如：温度的变化对晶体管参数的影响，电源电压的波动，元器件参数变值，环境温度变化等；其中最主要的因素是温度的变化，因为晶体管是温度的敏感器件，它的参数（V BE 、β、I CBO ）都将会随温度而发生变化，最终导致放大电路静态工作点产生偏移。

在诸多因素中，不仅温度的影响最大，而且最难控制的也是温度的变化。

故有时也把零点漂移简称为温度漂移。

如果晶体管的电压放大倍数为K ，输入电压的漂移为∆V pi ，则由于温度的变化（∆T ）而使得输出电压的漂移∆V po 可近似地表示为
()k T BE po pi B B CBO d V V K V T R C I T I e d T
∆∆=⋅∆=−⋅∆+⋅∆+⋅ 式中的∆T=T −T o 是温度的变化，T o 为室温（25℃）
，T 为任意温度；dV BE /dT 为发射结电压随温度的变化率（一般为−2 mV/℃～−2.5mV/℃）；I CBO 为室温下的集电结反向饱和电流；C 为常数（一般为0.5%/℃～1.0%/℃）；k 为I CBO 的温度系数（Ge 晶体管的k≈0.08/℃，Si 晶体管的k≈0.12/℃）。

在多级放大器中，直接耦合式放大电路的各级的工作点是相互影响的，由于各级的放大作用，第一级的微弱变化，会使输出级产生很大的变化；因此，第l 级的零点漂移影响最大，级数越多、放大倍数越大，则零点漂移也越严重。

可见，减小零点漂移的关键是改善放大电路第1级的性能。

在零点漂移现象严重的情况下，往往会使有效信号被“淹没”，则这时直接耦合放大电路就不能正常工作。

因此，必须要采取措施来抑制零点漂移。

（2）抑制零点漂移的措施：
(a) 选用高质量的硅管。

因为硅管的I CBO 要比锗管的小好几个数量级，因此目前高质量的直流放大电路几乎都采用硅管。

另外，晶体管的制造工艺也很重要，即使是同一种类型的晶体管，如工艺不够严格，半导体表面不干净，将会使漂移程度增加。

所以必须严格挑选合格的半导体器件。

(b) 在电路中引入直流负反馈，稳定静态工作点。

(c) 采用温度补偿的方法，即利用热敏元件来抵消晶体管特性的变化。

补偿是指用另外一个元器件的漂移来抵消放大电路的漂移，如果参数配合得当，就能把漂移抑制在较低的限度之内。

在分立元件组成的电路中，常用二极管补偿方式来稳定静态工作点。

此方法简单实用，但效果不尽理想，适用于对温漂要求不高的电路。

(d) 采用调制手段，调制是指将直流变化量转换为其他形式的变化量(如正弦波幅度的变化)，并通过漂移很小的阻容耦合电路放大，再设法将放大了的信号还原为直流成份的变化。

这种方式电路结构复杂、成本高、频率特性差。

实现这种方法成本投入较高。

(e) 采用差动放大电路。

这是根据温度补偿的方法，利用两个特性都相同的晶体管来进
行补偿，即可很好地抑制零点漂移。

在集成电路芯片内部，应用最广的单元电路就是基于参数补偿原理而构成的差动式放大电路。

在直接耦合放大电路中，抑制零点漂移最有效地方法是采用差动式放大电路。

（3）差动放大电路：
差动放大电路又叫差分放大器，如图1所示；其中的图（a）是基本形式的差动放大电路，图（b）是电流负反馈形式的差动放大电路。

差动放大电路不仅能有效地放大直流信号，而且还能有效地减小由于电源波动和晶体管随温度变化而引起的零点漂移，因而获得了广泛的应用，特别是大量地应用于集成运放电路，常常被用作多级放大器的前置级。

对于图1（a）的基本差动式放大器，图中T1、T2是两个特性相同的晶体管（β1=β2=β），电路的接法对称、参数也对称（即基极和集电极上的电阻分别相等）。

该放大电路有两个输入端和两个输出端。

因左右两个放大电路完全对称，故在没有信号情况下输出也为0，即输入信号为0时，输出电压V o=0，即表明差分放大器具有零输入时零输出的特；当温度变化时，左右两个管子的输出电压都要发生变动，也由于晶体管和电路的对称性，则两管的输出变化量（即每个晶体管的零点漂移）相同，就使得两个晶体管的零点漂移管在输出端相互抵消，从而导致总的输出电压V o=O。

可见，差动放大电路能够有效地抑制零点漂移。

但是，由于性能完全一致的晶体管并不存在，因此完全对称的理想差动放大电路也就不可能实现；所以单靠提高电路的对称性来抑制零点漂移的效果是有限的。

特别是，当采用单端输出（即输出电压从一个管的集电极与“地”之间取出）时，零点漂移就根本无法抑制。

实际上，这种情况的出现主要是由于基本差动电路中的每个晶体管的集电极电位的漂移并末受到抑制的缘故。

为此，常常采用的差动放大电路是图1（b）的典型电路；在这种典型差动放大电路中，主要是增加了一个发射极的公共电阻R E和一个负电源（−V CC）。

调零电位器R P可以看成是R E的一部分。

由于发射极电阻R E的电流负反馈作用，就稳定了晶体管的静态工作点，使得晶体管的集电极电位基本不变，从而限制了每个晶体管的零点漂移范围，这就进一步减小了差分电路的零点漂移。

所以带有发射极电阻R E的典型差动放大电路具有很小的零点漂移。

这种典型差动放大电路即使是采用单端输出，其零点漂移也能得到有效地抑制。

差分电路放大的是差模信号（相位相反的信号），而零点漂移属于共模信号（相位相同的信号）。

则可以说晶体管发射极电阻R E能够抑制共模信号，而对差模信号不起抑制作用。

显然，若R E的阻值取得大一些，则电流负反馈作用就强一些，因而抑制每个晶体管零点漂移的作用也就显著一些，电路的稳定性也就更好一些。

但是R E对差模信号将起着负反馈的作用，会影响到晶体管的增益，因此R E的阻值也不宜过大，一般调零电位器R P的值可取在几十Ω～几百Ω之间。

总之，差动放大电路既可利用晶体管和电路的对称性、采用双端输出的方式来抑制零点漂移；也可以利用发射极公共电阻R E的电流负反馈作用来稳定静态工作点，并从而抑制每个晶体管的零点漂移，这时即使采用单端输出也可以获得很小的零点漂移。

差动放大电路这种抑制零点漂移的能力，也就是对共模输入信号的放大作用进行抑制的能力。

差分放大器能够放大差模信号和抑制共模信号的能力，通常采用所谓共模抑制比（C.M.R）这个参数来表征：C.M.R=[差模输入信号的放大倍数]/[共模输入信号的放大倍数]。

增大R E，选用高β及其高对称的晶体管，提高电路参数对称性，以及减小基极回路的电阻，都可以提高差分放大器的共模抑制比。

（a）基本差动放大电路（b）典型差动放大电路
（4）四种主要的差动放大电路：
在图1（b ）典型差动放大电路的基础上，根据应用的要求，按照输入、输出的端头情况（是单端还是双端），可以有四种主要的差动放大电路（见图2）：（a ）双端输入、双端输出差动电路；（b ）单端输入、单端输出差动电路；（c ）双端输入、单端输出差动电路；（d ）单端输入、双端输出差动电路。

(a) 双端输入、双端输出 (b) 单端输入、单端输出
(c) 双端输入、单端输出 (d) 单端输入、双端输出
图2 四种接法的差动放大电路。