K11高阻抗放大電路的偏置電壓,噪聲與漂移分析

1、高阻抗放大電路的偏置電壓，噪聲與漂移分析班 級 自動化11班學 號 2012079110026作 者 樊明利摘要：放大電路是增加電信號幅度或功率的電子電路。所謂高阻抗是指輸入阻抗較高，輸入阻抗跟一個普通的電抗原件沒什么兩樣，它反映了對電流阻礙作用的大小。放大電路若要正常工作，必須有合適的靜態(tài)工作點，這樣動態(tài)信號能夠作用于晶體管的輸入回路，在負載上能夠獲得放大了的動態(tài)信號。關(guān)鍵詞：高阻抗，放大電路，偏置電壓，噪聲，漂移一放大電路種類首先來了解放大電路的概念。放大電路就是增加電信號幅度或功率的電子電路。應用放大電路實現(xiàn)放大的裝置稱為放大器。它的核心是電子有源器件，如電子管、晶體管等。為了實現(xiàn)放大，

2、必須給放大器提供能量。常用的能源是直流電源，但有的放大器也利用高頻電源作為泵浦源。放大作用的實質(zhì)是把電源的能量轉(zhuǎn)移給輸出信號。輸入信號的作用是控制這種轉(zhuǎn)移，使放大器輸出信號的變化重復或反映輸入信號的變化?，F(xiàn)代電子系統(tǒng)中，電信號的產(chǎn)生、發(fā)送、接收、變換和處理，幾乎都以放大電路為基礎。20世紀初，真空三極管的發(fā)明和電信號放大的實現(xiàn)，標志著電子學發(fā)展到一個新的階段。20世紀40年代末晶體管的問世，特別是60年代集成電路的問世，加速了電子放大器以至電子系統(tǒng)小型化和微型化的進程。、 晶體管放大電路 圖1 基本共射放大電路 、 場效應管放大電路圖2、 多級放大電路圖3 兩級放大電路、 集成運放放大電路圖4

3、 二、高阻抗放大電路的偏置電壓（一）晶體管偏置電壓 晶體管偏置電壓是指晶體管放大電路中使晶體管處于放大狀態(tài)時，基極-射極之間、集電極-基極之間應該設置的電壓。因為要使晶體管處于放大狀態(tài)，其基極-射極之間的pn結(jié)應該正偏，集電極-基極之間的pn應該反偏、因此，設置晶體管基射結(jié)正偏，集基結(jié)反偏，是晶體管工作在放大狀態(tài)的電路，簡稱為偏置電路。直流偏置電壓是指晶體管放大電路中使晶體管處于放大狀態(tài)時，基極-射極之間及集電極-基極之間應該設置的電壓。因為要使晶體管處于放大狀態(tài)，其基極-射極之間的PN結(jié)應該正偏，集電極-基極之間的PN結(jié)應該反偏。因此，設置晶體管基射結(jié)正偏、集基結(jié)反偏，使晶體管工作在放大狀態(tài)

4、的電路，簡稱為偏置電路（可以理解為設置正反偏的電路）。而使晶體管工作在放大狀態(tài)的關(guān)鍵是其基極電壓，因此，基極電壓又稱為偏置電壓。又由于使晶體管工作在放大狀態(tài)的電壓設置是由其沒有信號時直流電源提供的。因此，晶體管的直流偏置電壓可以這么定義：晶體管未加信號時，其基極與發(fā)射極之間所加的直流電壓稱為晶體管的直流偏置電壓。（2） 放大器的偏置電壓 運放是集成在一個芯片上的晶體管放大器, 偏置電流（ bias current ）就是第一級放大器輸入晶體管的基極直流電流. 這個電流保證放大器工作在線性范圍, 為放大器提供直流工作點. 因為運算放大器要求盡可能寬的共模輸入電壓范圍, 而且都是直接耦合的, 不可

5、能在芯片上集成提供偏置電流的電流源. 所以都設計成基極開路的, 由外電路提供電流. 因為第一級偏置電流的數(shù)值都很小, uA 到 nA 數(shù)量級, 所以一般運算電路的輸入電阻和反饋電阻就可以提供這個電流了. 而運放的偏置電流值也限制了輸入電阻和反饋電阻數(shù)值不可以過大, 使其在電阻上的壓降與運算電壓可比而影響了運算精度. 或者不能提供足夠的偏置電流, 使放大器不能穩(wěn)定的工作在線性范圍. 如果設計要求一定要用大數(shù)值的反饋電阻和輸入電阻, 可以考慮用 J-FET 輸入的運放. 因為 J-FET 是電壓控制器件, 其輸入偏置電流參數(shù)是指輸入 PN 結(jié)的反向漏電流, 數(shù)值應在 pA 數(shù)量級. 同樣是電壓控制

6、的還有 MOSFET 器件, 可以提供更小的輸入漏電流.另外一個有關(guān)的運放參數(shù)是輸入失調(diào)電流 offset current, 是指兩個差分輸入端偏置電流的誤差, 在設計電路中也應考慮.p=ui=Cu(du/dt),i=(dq/dt)=c*(du/dt)中的d表示微分，du/dt是表示電壓u對時t的微分，可以理解為時間“ 微小”變化時，電壓的“微小”的變化量。由于流過電容器的電流與其兩端的電壓有關(guān)。且電容器充放電時，其兩端的電壓是不斷變化的。所以，流過電容器的電流等于單位時間（微?。﹥?nèi)電容器兩端累積的電荷q的變化量，表示為i=(dq/dt)。而且電容器兩端累積的電荷q的變化量又反應了其兩端的電壓

7、變化量：q=Cdu。因此有：i=(dq/dt)=c*(du/dt)。2、 高阻抗放大電路的噪聲 （一）放大器噪聲 從光電檢測器出來的電信號是很微弱的，必須要得到放大。盡管放大器的增益可以做得足夠大，但在弱信號被放大的同時，噪聲也被放大了，當接收信號太弱時，必定會被噪聲所掩沒。為了改善光接收機的噪聲特性，在放大過程中必須要盡可能地少引入噪聲。為此，采用前置放大和主放大這種兩級放大的方式。 放大器內(nèi)部的噪聲主要來源于器件內(nèi)部的電阻和有源器件。所以，放大器的噪聲與電阻結(jié)構(gòu)和所用的有源器件有關(guān)。不管前置放大器的具體結(jié)構(gòu)如何，從低噪聲角度出發(fā)，第一級采用共射極(或共源極)則是公認的。有源器件有晶體三極管

8、(Bi-junction Transistor，BJT)或場效應管(Field Effect Transistor，F(xiàn)ET)兩類。 放大器的輸出噪聲主要由前置級所決定，這是因為對于一個多級放大器，在輸入信號被各級放大的同時，放大器輸入端的噪聲也以同樣的倍數(shù)被放大。盡管放大器各級中任何電阻或晶體管部會引人附加噪聲，但只要放大器第一級的增益很大，以后各級引入的噪聲就可以忽略。因此，我們只分析前置放大器的噪聲，在分析中把所有的噪聲源都等效到輸入端。對放大器的噪聲進行控制和優(yōu)化，關(guān)鍵在于前置放大器。 （二）放大器噪聲源 1、場效應管的噪聲源 場效應管是電壓控制器件，它的最大特點是輸入阻抗很高，柵漏電流

9、很小，噪聲也較小，適合作高阻前置放大器。 （1） 散粒噪聲 散粒噪聲是由于柵極電流的隨機起伏所形成。（2）溝道熱噪聲 場效應管的溝道電導在輸出回路（漏極回路）里產(chǎn)生一個噪聲電流。 2、雙極晶體管的噪聲源 放大器的噪聲包括電阻的熱噪聲及有源器件（雙極晶體管和場效應管）的散粒噪聲。 雙極晶體管主要的噪聲源有： （1）散粒噪聲 散粒噪聲是由于注入到基區(qū)里的載流子的隨機漲落所引起，從而使基極電流存在著隨機起伏：在輸入端，它是并聯(lián)電流噪聲源 （2）基區(qū)電阻的熱噪聲 晶體管的基區(qū)一般較薄，摻雜也低，因此基區(qū)的體電阻不能忽略。基區(qū)電阻的熱噪聲在輸入端作為串聯(lián)電壓噪聲源 （3）分配噪聲 分配噪聲是由于基區(qū)中載

10、流子的復合速率的起伏所引起。發(fā)射極電流注入基區(qū)以后，一部分載流子越過基區(qū)被集電極吸收后形成集電極電流，還有一部分載流子在基區(qū)復合成基極電流。復合是存在隨機漲落的，結(jié)果造成和的分配比例發(fā)土變化。分配噪聲存在于集電極電流回路里 （4）l/f 噪聲 1/f 噪聲只在低頻段（500 2000 Hz）比較顯著，隨著頻率f 的升高而減小，在光纖通信系統(tǒng)中可以忽略。（三）噪聲的減弱 3、 高阻抗放大器的漂移（一）漂移：漂移的分類 在運算放大器中,通常所說的“漂移”這一名詞,在大多數(shù)情況下指的是“由環(huán)境溫度變化所引起的零位電壓的變化”。因此,所謂低漂移運算放大器的概念就是“相對環(huán)境溫度的變化零位電壓變化小的運

11、算放大器”。 上述的由環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的漂移叫做溫度漂移,它與以下將敘述的其他漂移有區(qū)別。同樣,本文敘述的溫度漂移指的也是由溫度變化引起的運算放大器的零位電壓的變化。其用V/單位表示。（二）溫度漂移溫度漂移一般是指，環(huán)境溫度變化時會引起晶體管參數(shù)的變化，這樣會造成靜態(tài)工作點的不穩(wěn)定，使電路動態(tài)參數(shù)不穩(wěn)定，甚至使電路無法正常工作。一般來說，溫度升高，晶體管的電流放大倍數(shù)增大，Q點升高；反之減小。這部分額外增加的電流是溫度變化引起的，理解為溫度漂移。在直接耦合的放大電路中，即使將輸入端短路，用靈敏的直流表測量輸出端，也會有變化緩慢的輸出電壓。這種輸入電壓為零而輸出電壓不為零且緩慢變化的現(xiàn)象，稱為零

12、點漂移現(xiàn)象。在放大電路中，任何參數(shù)的變化，如電源電壓的波動、元件的老化、半導體元件參數(shù)隨溫度變化而產(chǎn)生的變化。都將產(chǎn)生輸出電壓的漂移。在阻容耦合放大電路中，這種緩慢變化的漂移電壓都將降落在耦合電容之上，而不會傳遞到下一級電路進一步放大。但是，在直接耦合放大電路中，由于前后級直接相連，前一級的漂移電壓會和有用信號一起被送到下一級，而且逐級放大，以至于有時在輸出端很難區(qū)分什么是有用信號、什么是漂移電壓、放大電路不能正常工作。采用高質(zhì)量的穩(wěn)壓電源和使用經(jīng)過老化實驗的元件就可以大大減小由此而差生的漂移。所以由溫度變化所引起的半導體器件參數(shù)的變化是產(chǎn)生零點漂移現(xiàn)象的主要原因，因此也稱零點漂移為溫度漂移，簡稱溫漂。（3） 漂移的抑制 (l)選用溫度性能好的元器件。為了抑制零點漂移，可選用溫度特