能放大直流信號的放大器叫直流放大器。直流放大器的類型很多。直接耦合的單管放大器是最簡單的一種。利用成對電晶體或場效應電晶體構成的差分放大器是一種零點漂移較小的直流放大器，常用於集成運算放大器的輸入級和中間級。在測量儀器中還常用斬波式直流放大器。
基本介紹
- 中文名：直流放大器
- 外文名：DC amplifier
- 解釋：能放大直流信號的放大器
- 類型：直接耦合
- 用途：測量儀表
詳細介紹,單端式,差動式,低噪聲超寬頻,
詳細介紹
直流放大器常用於測量儀表。在高精度電位測量和生物電與物理電測量中（見生物醫學核電子儀器），電信號往往很弱，而且變化緩慢，含有直流成分，經放大後才便於檢測、記錄和處理。此外，在許多情況下，被測信號源的內阻高，要求放大器具有高增益和高輸入阻抗。具有這種特性的直流放大器也適合用作運算放大器。
直流放大器
直流放大器直接耦合的電晶體或電子管放大器都可作為直流放大器。這類放大器也靠直流電源供電。當無信號輸入時，理想的直流放大器的輸出電位應該是零、或者是一個稱之為放大器直流零點的參考電位。但是實際上，由於電源電壓的波動和諸如溫度等環境因素的改變，以及電子元件、器件的老化，這個參考電位會隨放大器特性參數的改變而發生變化。這樣，放大器的輸出中就不可避免地含有一個稱為零點漂移的不固定誤差。在多級放大器直接耦合的情況下，前級的零點漂移會被後面各級漸次放大，結果便會與被放大的有用信號相混淆，影響放大器的性能。最大限度地克服零點漂移，是直流放大器設計中的一個重要目標。
直流放大器的類型很多。直接耦合的單管放大器是最簡單的一種。這种放大器的缺點是零點漂移大。
雙通道斬波式直流放大器的原理圖。它由斬波通道、高頻通道和主放大器三部分組成。被測信號中的直流分量(包括緩變分量)和高頻分量，分別經斬波通道和高頻通道處理後由主放大器相加。經過斬波通道的信號在被放大之前，先被“斬切”成方波，經交流放大以後再由解調器恢復為直流。交流放大器和低通濾波器不會產生零點漂移，只要斬波器的“通”、“斷”不引入殘存電壓和漏電流，整個放大器基本上不會產生零點漂移。高頻通道使信號頻率較高的分量直接經主放大器輸出，能起補償和加寬頻帶的作用。斬波器的好壞對直流放大器的性能影響很大。早期的機械振子斬波器具有理想的開關特性，但工作頻率只有幾百赫，而且壽命短。現代的以場效應電晶體為主構成的斬波器具有良好的性能，得到了廣泛的套用。
斬波式直流放大器作為運算放大器，曾在模擬計算機中發揮過重要作用，後來主要用於高精度的測試系統。集成式運算放大器可以直接用於線性直流放大，使用比較廣泛。
單端式
單端式直流放大器需要解決級間直流電平配置問題，利用電阻Re2拉低BG2的射極電位以滿足直流電平配置要求（即令Ube2=Uc1-Ue2).利用D1及D2作電平配置。使BG2、BG3的偏聽偏信置電壓分別為Ube2=0.3伏、Ube3=0.45伏。D3起保護作用，避免使BG1基極受到過大的反壓，如果前級輸出電壓主和後級輸入電壓相差較大，可以利用矽穩壓管的穩定電壓來代替矽二極體的作用。下圖C的電路是利用較大的Rc1、Rc2來提高集電極電壓，以實現前後級直流電平的配置。下圖D的電路是利用PNP（BG1和BG3）與NPN（BG2）的極性相反來進行電平配置於，BG1的輸出電流是BG2的輸入電流，BG2的輸出電流是BG2的輸出電流是BG3輸入電流，較好地實現了級間耦合，上述四種電路的最大缺點是零點漂移大。
差動式
它是由BG1、BG2一對特性相同的電晶體組成，而且電路元件也都是對稱的。輸入信號人別為Ui1、Ui2；單端輸出信號分別是Uc1、Uc2；雙端輸出為UC1與UC2之差，即UO=Uc1-Uc2差動電路具有下列特點：
具有抑制零點漂移能力
差動電路由於管特性相同和電路元件對稱，所以當溫度升高時，兩管的集電極電流將得到同樣的增量，即△IC1=△IC2而雙端輸出為UO=△IC1RC-△IC2RC=0，所以輸出沒有零點漂移。
共模輸入時具有抑制放大能力
差模輸入時具有放大能力
通常把幅度相等，相位相反的一對輸入信號，稱為差模信號。當Ui1=-Ui2差模輸入時，兩面三刀管集電極輸出分別為Uc1=-KUi1、Uc2=-KUi2；所以，差模放大倍數Kud:Kud=(Uc1-Uc2)/(Ui1-Ui2)=(-Ui1K-Ui1K)/2Ui1=-K=(-)(hfeRc)/(Rs+hie)
由於差動電路的雙端輸入電壓、雙端輸出電壓均比單管共射放大電路多了一倍，所以差模放大倍數Kud與單管共射電路的放大倍數相同
為提高抑制零漂能力，應使共模放大倍數越小越好，差模放大倍數越大越好，因而利用共模抑制比CMRR*=Kud/Kuc作為評價差動放大電路性能好壞的重要指標。
具有穩定靜態工作點的能力
射極度電阻Re對共模信號及溫漂電平均有很強的負反饋作用。例如在溫度升高時，IC1、IC2都同時增加，並產生下列負反饋過程：
結果使IC1、IC2的實際變化相對地減小，這裡Re起著恆流作用，從而穩定靜態工作點，顯然Re越大，恆流作用也越大，抑制零漂的能力也就越強，引入輔助電，以抵消Re的壓隆。使射極度對地電位能維持正常的數值。值得注意的是，對差模信號，Re不起負反饋作用，因此，它不會降低差模信號的放大倍數。
低噪聲超寬頻
低噪聲寬頻直流放大器在中頻和視頻放大器中均具有廣泛的套用，這類電路主要用於對視頻信號、脈衝信號或射頻信號的放大，放大信號頻寬可從直流到幾兆赫茲甚至到幾十兆赫茲，在信號處理中具有廣泛套用。尤其是近年來超寬頻(Ultra-Wideband,UWB )技術在隱蔽通信和目標探測領域的迅猛發展使得UWB信號對頻寬要求也進一步提高，所以接收機前端所需的信號預處理電路必須是低噪聲超寬頻放大器。
超寬頻直流放大器的性能直接影響信號檢測和處理的精度，而低噪聲、低零點漂移、超寬頻設計一直是該類放大器關注的重點，具有重要的工程意義和實用價值。Bevilacqua等和VaSIC等設計了一種能夠實現超寬頻放大和具有低噪聲特性的放大器，但是沒有解決零點漂移和高噪聲係數的問題。
本文設計並實現了一款由低噪聲放大器、高性能濾波網路、程控零漂校正電路、單片機控制系統和精密電源構成的低噪聲超寬頻直流放大器，較好地解決了放大器的超寬頻與低噪聲、高阻帶衰減與低通帶起伏矛盾和高增益精密控制、直流零漂補償校正等問題，具有推廣套用價值。
低噪聲超寬頻方案
低噪聲超寬頻直流放大器系統方案：整個放大器系統由主放大器、濾波網路、零漂校正電路、控制系統和高性能供電電源五部分組成。其中主放大器由低噪聲精密前級放大、增益控制、中間級放大和末級推輓輸出的功率驅動電路構成。低噪聲精密前級放大採用超低噪聲集成運放晶片，實現了整機低噪聲特性;單片機控制壓控增益放大器實現了增益調節;由低噪聲、高速集成運放構成的中間級放大提高了整機增益;末級功率驅動則採用雙運放構成推輓輸出，提高了整機負載能力。高性能濾波器採用無源濾波器方案構成雙通道八階巴特沃斯LC低通濾波器，波段可程控切換。零點漂移校正通常有模擬校正和數字校正兩種方案，本機採用數字校正方案對整機電路零點漂移進行校正，提高了校正精度。控制系統則以單片機AT89C52為中心，實現整機增益程式控制及零點漂移數字控制。供電系統採用混合穩壓，經過退藕濾波、二級穩壓和精密穩壓後，為整機提供精密低噪聲的直流工作電源。
增益程式控制
增益控制是放大電路的增益隨外部控制信號的變化而改變的控制方法。本設計採用增益程式控制，通過外部鍵盤操作設定增益的加減，簡單且易於實現。選用電壓增益控制放大器VCA810，通過單片機控制數字電位器X9C103調整端輸出電壓來改變VCA810增益控制引腳電壓在0一2V之間變化，從而實現整機增益0-80 dB範圍內1 dB步進可調。
直流零點漂移校正
直流零點漂移是指直流放大器工作點的不規則漸進緩慢變化。增益越大，放大級數越多，輸出端的零漂現象越嚴重，嚴重時甚至使運放飽和而無法正常工作。因此，為保證直流放大器穩定工作必須設計直流零點漂移校正電路。本設計通過AJD採樣，將檢波到的末級直流零漂送往單片機，選擇合適基準電壓，利用單片機控制數字電位器X9C102在調零端加入補償校正電壓，從而實現直流零點漂移的自動調零。
高性能網路濾波
濾波器在系統中主要起降低噪聲、濾除帶外干擾、提高系統穩定性的作用。在本設計中兩個低通濾波器的通頻帶分別為。-5 MHz和-10 MHz，並且要求通帶內起伏<1 dB，阻帶衰減40 dB/2fc，因此必須採用精密電感電容來實現高階無源LC低通濾波器。因為LC濾波器計算複雜，參數難於設定，所以利用Filter Solutions軟體進行了計算機輔助設計。
