直流放大器

在现代化的自动设备中，为了自动监测或自动控制生产过程，首先需要把生产过程中的某些参数（温度、照度、产品的尺寸等）用传感器（热电偶、光电元件、厚度传感器等）变为电信号。然后把得到的信号放大，用电表或其它指示器指示出来，或者用来自动控制生产过程。在原子核物理、生物学、天文学、矿藏探测等许多科学技术部门中，也都常常利用传感器得出的电信号来间接观察被研究的对象。通常传感器得出的电信号，方向固定不变，而大小变化得极为缓慢，或者说，变化的频率趋近于零。我们通常把这种信号叫做“直流信号”。一般用来放大交流信号的电容耦合放大器或变压器耦合放大器，都不能用来放大这种直流信号。因为电容器和变压器都不能传送直流。必须采用直接耦合——即不用耦合电容或变压器的特种放大器，这种放大器称为直流放大器。

直接耦合就是前一级电子管的屏极和后一级电子管的栅极直接连接，或通过电阻连接，而不用阻隔直流的耦合元件。图1所示为一个简单的两级直流放大器电路。电子管 V\(_{1}\)的屏极直接接到V2的栅极，所以V\(_{1}\)屏压的缓慢变化就可以加到V2的栅极继续由V\(_{2}\)进行放大。由于V2的栅极和V\(_{1}\)的屏极处于同一个正电位，所以V2的阴极应当接一个更高的正电位，以保证V\(_{2}\)工作于负栅压状态。调整电位器R1可以得到适当的负栅偏压Eg\(_{2}\)，而调节R2可以使输入信号为零时输出信号为零。

在放大器中，有许多变化很慢的干扰源。例如，供电电源电压的变化，电子管参数和电路元件的变化等。这些因素使放大器的静止工作状况（没有信号输入的工作状况）缓慢地变化。这种变化对于一般放大器，不会在输出端产生电压。因为这种变化极其缓慢，相当于非常低的频率，在阻容耦合放大器中，它被耦合电容所呈现的高阻抗所阻隔；在变压器耦合放大器中，它被变压器初级线圈所呈现的低阻抗所短路。但是在直流放大器中，放大器静止工作状况的任何微小变化都会被放大，而且“通行无阻”地送到输出端。因此，在没有输入信号时，输出电压不可能永远保持为零，而是不断地缓慢变化。这种现象称为“零点漂移”。零点漂移使负载上产生虚假的信号，破坏了放大器的真实工作。特别是在放大微弱信号时，这种虚假信号会淹没掉真正的信号。因此，如何克服零点漂移就成了直流放大器的主要问题。

1．供电电源电压的变化。不论是灯丝电压、屏压或栅压的变化，都将使电子管的静止工作状态改变，使放大器发生零点漂移。因此，直流放大器往往用经过稳定后的电压供电。通常高压采用电子管稳压器供电，而在灯丝电路中串入稳流管，或者用磁饱和稳压器。

2. 电子管发射电流的起伏。电子管发射电流的起伏称为阴极漂移。阴极漂移是产生零点漂移的重要来源之一，而且难于克服。特别是第一级电子管的阴极漂移最为严重，因为它要被后面各级所放大。产生阴极漂移的原因很多。如电子管表面激活层性能的改变，各电极间的接触电位差改变等等。

使头一级电子管工作于电流较小的状态，可以减小阴极漂移的影响。因为这时阴极发射的电子除供给屏流所需之值外还有很多富余。这些富余的电荷积聚在阴极附近，产生一个负的电位。这个负的电位可以对阴极发射的不稳定起自动调节作用。例如阴极发射能力增大，会使屏流增大，但是同时使富余的电子增多；积聚于阴极附近的电子增多，所产生的负电位也就愈大，从而增加电子跑向屏极的阻力，抵消了一部分屏流增大的作用。

根据实验，电子管加热后，在开头的1～2小时内，屏流变化很大。这是由于此时发射性能和电极相互间位置的变化很大。为了减小这种变化所造成的零点漂移，在直流放大器工作前，最好先将电子管预热1～2小时。新的电子管在某些情况下，需要预热更长的时间，使电子管“老化”。此外，直流放大器在工作过程中，如果需作短时间的中断时，最好保留灯丝电压不中断。

3．栅流的影响。电子管在负栅压下工作，也会有很微小的栅流。第一级电子管的栅流的不良影响最为严重。栅流的变化通过信号电源的内阻产生一个变化的电压，使电子管栅阴间的电压变化，从而产生零点漂移，而且这一电压变化要被以后各级放大。此外，还会降低放大器的输入阻抗，减小放大系数，并使信号发生失真。

栅流中包括电子流和离子流。电子流的形成主要是由于阴极发射出来的电子有一定的初速，所以能跑到带有负电位的栅极上去。如果在栅极加上很负的电压，使电子难于跑到栅极上去，就可以减小这一电流成分。离子流主要是管内的残余气体造成的。从阴极迅速跑向屏极的电子，和管内残余气体碰撞，就使气体电离。电离后的气体正离子就跑向带有负电位的栅极，形成栅极中的离子流成分。使电子管工作于低屏压，可以减小这一电流成分。因为这时管内电子受到的加速小，电离气体的本领就会减小。所以，在某些直流放大器中，为了避免离子流，常使第一级电子管的屏压低于气体电离电位的数值——不超过8伏。联系到前一小节中所说的，可以看出，直流放大器第一级往往是工作于屏压甚低，栅压很负、屏流极小的特殊状态。工作于这种状态的放大级，跨导很低，电压放大系数小到接近于1，但电流放大系数很大，可达1千或更多。

现在产生了一种专供直流放大器第一级用的电子管，叫做“测电管”。它的栅流可以小到10\(^{-}\)8～10-9微安。

除此之外，输入级栅阴极间的绝缘电阻也应该高。因为绝缘电阻的漏电电流起着和栅流同样的不良影响。

4．电路元件数值的变化。放大级电路元件数值往往随环境温度湿度和使用时间而变化。因此，直流放大器中对工作状态影响较大的元件，如果其数值对温度敏感而且发热严重，应该装于通风条件良好的位置。对湿度敏感的元件，可以密封起来。

在直流放大器中采用各种桥式电路（平衡电路），可以在很大程度上减小由于电源电压变化而引起的零点漂移。在图2所示的各种桥路中，两个三极管构成电桥的两臂，电阻Ra\(_{1}\)和Ra2构成电桥的另外两臂。在没有输入信号时，电桥平衡，输出端的信号等于零。当输入端加上信号时，电子管的状态改变，它的电阻也改变，电桥的平衡被破坏，在输出端出现了和输入电压成正比的输出信号（如果电子管工作在屏—栅特性线段的话）。另一方面，供电电源电压的变化使两个电子管屏流发生几乎相同的变化，因而对输出信号的影响很小。当两个管子采用共阴极的孪生管时，两边的发射性能很接近，当灯丝电压变化时，对两边电子管的影响基本上相同，可使阴极漂移大大减小。图2a和b中的两个电子管对直流供电电源来说是并联的，所以称为并联平衡电路。它们的区别是前者需要有对称的输入信号，而后者只要有普通的单边输入信号就行了。图2c的两个电子管是串联后接到电源上的，所以称为串联平衡电路，它也是只需要单边输入信号。这些电路比较简单，稳定性也较高，所以在各种电子仪器中得到了广泛的应用。

从图1电路可以看到，直流放大器中后一级电子管的各个电极的电压，比前极电子管各个相应电极的电压要高很多。因此，当要求放大量很大，级数很多时，就需要有很高的直流供电电压。此外，由于各极电子管阴极之间的电位差很大，所以多级直流放大器的电子管不可能共用一组灯丝电源，否则电子管的灯丝和阴极间会被高压击穿。这样就给供电增加了困难。

为了解决放大“直流信号”所发生的各种困难：零点漂移、放大系数较低、直流供电困难等，还采用另一种根本不同的方案。这就是把传感器输送出的直流信号（变化缓慢的信号）去“调制”某一频率较高的载频振荡，也就是把直流信号先变为交流信号。把这一交流信号用普通交流放大器加以放大，然后再还原为与原来信号相同的直流（变化缓慢的信号）。这种直流放大器的方框图如图3所示。（赵侠）