Соединение ввода и вывода

Чтобы преодолеть проблему создания необходимого напряжения смещения постоянного тока для входного сигнала усилителя, не прибегая к установке батареи последовательно с источником сигнала переменного тока, мы использовали делитель напряжения, подключенный к источнику питания постоянного тока. Чтобы это работало вместе с входным сигналом переменного тока, мы «соединили» источник сигнала с делителем через конденсатор, который действовал как фильтр верхних частот. При такой фильтрации низкое сопротивление источника сигнала переменного тока не могло «закоротить» падение постоянного напряжения на нижнем резисторе делителя напряжения. Решение простое, но не лишенное недостатков.

Наиболее очевидным является тот факт, что использование конденсатора фильтра верхних частот для подключения источника сигнала к усилителю означает, что усилитель может усиливать только сигналы переменного тока. Постоянное постоянное напряжение, приложенное к входу, будет блокироваться разделительным конденсатором так же, как напряжение смещения делителя напряжения блокируется от входного источника. Кроме того, поскольку емкостное реактивное сопротивление зависит от частоты, низкочастотные сигналы переменного тока не будут усилены так сильно, как высокочастотные сигналы. Несинусоидальные сигналы будут искажаться, поскольку конденсатор по-разному реагирует на каждую из составляющих сигнала гармоник.

Ярким примером этого может быть низкочастотный прямоугольный сигнал на рисунке ниже.

Низкочастотный прямоугольный сигнал с емкостной связью демонстрирует искажения.

Кстати, та же проблема возникает, когда входы осциллографа установлены в режим «Связь по переменному току», как показано на рисунке ниже.

В этом режиме конденсатор связи вставлен последовательно с измеряемым сигналом напряжения, чтобы устранить любое вертикальное смещение отображаемой формы волны из-за постоянного напряжения, объединенного с сигналом. Это нормально работает, когда переменная составляющая измеряемого сигнала имеет довольно высокую частоту, а конденсатор имеет небольшой импеданс для сигнала. Однако, если сигнал имеет низкую частоту или содержит значительные уровни гармоник в широком частотном диапазоне, осциллограф отображает форму волны неточно.

Низкочастотные сигналы можно просмотреть, установив осциллограф в режим «Связь по постоянному току», как показано на рисунке ниже.

При использовании связи по постоянному току осциллограф правильно показывает форму прямоугольной волны, исходящей от генератора сигналов.

Низкая частота:при связи по переменному току фильтрация верхних частот разделительного конденсатора искажает форму прямоугольной волны, так что то, что видно, не является точным представлением реального сигнала.

Прямое соединение

В приложениях, где ограничения емкостной связи (с учетом приведенного выше рисунка) были бы недопустимыми, можно использовать другое решение: прямое соединение . Прямая связь позволяет избежать использования конденсаторов или любых других частотно-зависимых компонентов связи в пользу резисторов. Схема усилителя с прямой связью показана на рисунке ниже.

Усилитель с прямой связью:прямое подключение к динамику.

Без конденсатора для фильтрации входного сигнала эта форма связи не имеет частотной зависимости. Сигналы постоянного и переменного тока одинаково усиливаются транзистором с одинаковым коэффициентом усиления (сам транзистор может усиливать одни частоты лучше, чем другие, но это совершенно другая тема!).

Если прямая связь работает как для сигналов постоянного, так и переменного тока, тогда зачем использовать емкостную связь для любых применение? Одна из причин может заключаться в том, чтобы избежать любых нежелательных Напряжение смещения постоянного тока, естественно, присутствует в усиливаемом сигнале. Некоторые сигналы переменного тока могут накладываться на неконтролируемое напряжение постоянного тока прямо от источника, а неконтролируемое напряжение постоянного тока сделает надежное смещение транзистора невозможным. Здесь хорошо работает фильтрация верхних частот, обеспечиваемая разделительным конденсатором, чтобы избежать проблем смещения.

Еще одна причина использовать емкостную связь, а не прямую, - это относительное отсутствие затухания сигнала. Недостатком прямого соединения через резистор является ослабление входного сигнала, так что только часть его достигает базы транзистора. Во многих приложениях в любом случае необходимо некоторое затухание, чтобы предотвратить «перегрузку» уровня сигнала транзистора до отсечки и насыщения, поэтому любое затухание, присущее цепи связи, в любом случае полезно. Однако для некоторых приложений требуется нет потеря сигнала от входного соединения к базе транзистора для максимального усиления напряжения, а схемы прямой связи с делителем напряжения для смещения просто не хватит.

До сих пор мы обсуждали несколько методов связывания ввода сигнал на усилитель, но не рассмотрели проблему подключения выхода усилителя к нагрузке. Пример схемы, используемый для иллюстрации входной связи, будет хорошо служить для иллюстрации проблем, связанных с выходной связью.

В нашей примерной схеме нагрузкой является динамик. Большинство динамиков имеют электромагнитную конструкцию:то есть они используют силу, создаваемую легкой катушкой электромагнита, подвешенной в сильном поле постоянного магнита, для перемещения тонкого бумажного или пластикового конуса, создавая колебания в воздухе, которые наши уши интерпретируют как звук. Приложенное напряжение одной полярности перемещает конус наружу, а напряжение противоположной полярности перемещает конус внутрь. Чтобы использовать полную свободу движения диффузора, динамик должен получать истинное (несмещенное) переменное напряжение. Смещение постоянного тока, приложенное к катушке динамика, смещает конус от его естественного центрального положения, и это ограничивает возвратно-поступательное движение, которое он может выдерживать из-за приложенного напряжения переменного тока без чрезмерного перемещения. Однако в нашей примерной схеме применяется переменное напряжение только единицы . полярность через динамик, потому что динамик подключен последовательно с транзистором, который может проводить ток только в одном направлении. Это было бы неприемлемо для любых мощных аудиоусилителей.

Как-то нам нужно изолировать динамик от постоянного тока смещения коллектора, чтобы он получал только переменное напряжение. Одним из способов достижения этой цели является соединение цепи коллектора транзистора с динамиком через трансформатор, показанный на рисунке ниже.

Трансформаторная муфта изолирует постоянный ток от нагрузки (динамика).

Напряжение, индуцированное во вторичной обмотке (на стороне динамика) трансформатора, будет строго обусловлено изменениями . в токе коллектора, потому что взаимная индуктивность трансформатора работает только при изменениях в токе обмотки. Другими словами, только часть переменного тока сигнала тока коллектора будет подключена к вторичной стороне для питания динамика. Громкоговоритель будет «видеть» истинный переменный ток на своих выводах без какого-либо смещения постоянного тока.

Связь на выходе трансформатора работает и имеет дополнительное преимущество, заключающееся в возможности обеспечить согласование импеданса между схемой транзистора и катушкой динамика с настраиваемыми соотношениями обмоток. Однако трансформаторы обычно бывают большими и тяжелыми, особенно для мощных приложений. Кроме того, сложно спроектировать трансформатор для обработки сигналов в широком диапазоне частот, что почти всегда требуется для аудиоприложений. Что еще хуже, постоянный ток через первичную обмотку увеличивает намагниченность сердечника только при одной полярности, что приводит к более легкому насыщению сердечника трансформатора в одном цикле полярности переменного тока, чем в другом. Эта проблема напоминает прямое последовательное соединение динамика с транзистором:постоянный ток смещения имеет тенденцию ограничивать амплитуду выходного сигнала, с которой система может справиться без искажений. Однако, как правило, трансформатор может быть спроектирован так, чтобы выдерживать гораздо больший постоянный ток смещения, чем динамик, без проблем, поэтому в большинстве случаев трансформаторное соединение по-прежнему является жизнеспособным решением. См. Трансформатор связи между Q4 и динамиком, Regency TR1, Ch 9, как пример трансформаторной связи.

Другой способ изолировать динамик от смещения постоянного тока в выходном сигнале - немного изменить схему и использовать разделительный конденсатор аналогично подключению входного сигнала (рисунок ниже) к усилителю.

Конденсаторная муфта изолирует постоянный ток от нагрузки.

Эта схема на рисунке выше напоминает более традиционную форму усилителя с общим эмиттером, в котором коллектор транзистора подключен к батарее через резистор. Конденсатор действует как фильтр верхних частот, пропуская большую часть переменного напряжения в динамик, блокируя все постоянное напряжение. Опять же, номинал этого разделительного конденсатора выбирается так, чтобы его полное сопротивление на ожидаемой частоте сигнала было произвольно низким.

Блокировка постоянного напряжения на выходе усилителя, будь то через трансформатор или конденсатор, полезна не только для подключения усилителя к нагрузке, но также для подключения одного усилителя к другому усилителю. «Поэтапные» усилители часто используются для достижения более высокого коэффициента усиления мощности, чем то, что было бы возможно при использовании одного транзистора, как показано на рисунке ниже.

Трехкаскадный усилитель с общим эмиттером с конденсаторной связью.

Хотя можно напрямую соединить каждый каскад со следующим (через резистор, а не конденсатор), это делает весь усилитель очень чувствителен к изменениям напряжения смещения постоянного тока первой ступени, поскольку это постоянное напряжение будет усиливаться вместе с сигналом переменного тока до последней ступени. Другими словами, смещение первого каскада повлияет на смещение второго каскада и так далее. Однако, если каскады имеют емкостную связь, показанную на приведенном выше рисунке, смещение одного каскада не влияет на смещение следующего, потому что постоянное напряжение не может передаваться на следующий каскад.

Трансформаторная связь между каскадами усилителя также возможна, но встречается реже из-за некоторых проблем, присущих трансформаторам, упомянутым ранее. Одно заметное исключение из этого правила - усилители радиочастоты (рисунок ниже) с небольшими трансформаторами связи, имеющими воздушные сердечники (что делает их невосприимчивыми к эффектам насыщения), которые являются частью резонансного контура, блокирующего передачу нежелательных гармонических частот на последующие. этапы. Использование резонансных схем предполагает, что частота сигнала остается постоянной, что типично для радиосхем. Кроме того, эффект «маховика» контуров резервуаров LC позволяет использовать класс C для высокой эффективности.

Трехкаскадный настроенный РЧ-усилитель иллюстрирует трансформаторную связь.

Обратите внимание на трансформаторную связь между транзисторами Q1, Q2, Q3 и Q4, Regency TR1, Ch 9. Три трансформатора промежуточной частоты (ПЧ) в пунктирных прямоугольниках передают сигнал ПЧ от коллектора к базе следующих транзисторных усилителей ПЧ. промежуточная частота Однако усилители представляют собой усилители РЧ, работающие на другой частоте, чем РЧ вход антенны.

Сказав все это, необходимо отметить, что это является возможно использование прямой связи в схеме многокаскадного транзисторного усилителя. В случаях, когда ожидается, что усилитель будет обрабатывать сигналы постоянного тока, это единственная альтернатива.

Тенденция электроники к более широкому использованию интегральных схем стимулировала использование прямой связи вместо трансформаторной или конденсаторной связи. Единственный простой в изготовлении компонент интегральной схемы - это транзистор. Также могут изготавливаться резисторы среднего качества. Хотя транзисторы отдают предпочтение. Возможны встроенные конденсаторы до нескольких десятков пФ. Конденсаторы большой емкости не интегрируются. При необходимости это могут быть внешние компоненты. То же самое и с трансформаторами. Поскольку встроенные транзисторы недороги, как можно больше транзисторов заменяют неисправные конденсаторы и трансформаторы. В ИС между внешними компонентами связи заложено максимально возможное усиление с прямой связью. Хотя используются внешние конденсаторы и трансформаторы, они даже проектируются, если это возможно. В результате современное радио IC (см. «IC радио», глава 9) совсем не похоже на оригинальное 4-транзисторное радио Regency TR1, Ch 9.

Даже дискретные транзисторы стоят недорого по сравнению с трансформаторами. Громоздкие аудиопреобразователи можно заменить на транзисторы. Например, конфигурация с общим коллектором (эмиттерным повторителем) может соответствовать сопротивлению низкого выходного сопротивления, как у динамика. Также можно заменить большие конденсаторы связи на транзисторные схемы.

Мы по-прежнему любим иллюстрировать тексты с помощью усилителей звука с трансформаторной связью. Схемы просты. Количество компонентов невелико. И это хорошие вводные схемы - их легко понять.

Схема на рисунке ниже (а) представляет собой упрощенную двухтактную схему с трансформаторной связью. аудио усилитель. В двухтактном режиме пара транзисторов попеременно усиливает положительную и отрицательную части входного сигнала. Ни один из транзисторов не проводит ток при отсутствии входного сигнала. Положительный входной сигнал будет положительным в верхней части вторичной обмотки трансформатора, заставляя верхний транзистор проводить. Отрицательный вход будет давать положительный сигнал в нижней части вторичной обмотки, переводя нижний транзистор в состояние проводимости. Таким образом, транзисторы усиливают чередующиеся половины сигнала. Как показано, ни один из транзисторов на рисунке ниже (а) не будет проводить при входном пике ниже 0,7 В. Практическая схема соединяет центральный отвод вторичной обмотки с резистивным делителем 0,7 В (или больше) вместо земли, чтобы смещать оба транзистора для истинного класса B.

(а) Двухтактный усилитель с трансформаторной связью. (б) Усилитель на комплементарной паре с прямой связью заменяет трансформаторы на транзисторы.

Схема на рисунке выше (b) является современной версией, в которой функции трансформатора заменены на транзисторы. Транзисторы Q1 и Q2 представляют собой усилители с общим эмиттером, инвертирующие сигнал с усилением от базы к коллектору. Транзисторы Q3 и Q4 известны как дополнительная пара . потому что эти транзисторы NPN и PNP усиливают чередующиеся половины (положительную и отрицательную соответственно) формы волны. Параллельное соединение оснований позволяет разделить фазы без входного трансформатора в точке (а). Динамик является эмиттерной нагрузкой для Q3 и Q4. Параллельное соединение эмиттеров транзисторов NPN и PNP устраняет необходимость в выходном трансформаторе с центральным отводом в точке (a) Низкое выходное сопротивление эмиттерного повторителя служит для согласования низкого импеданса динамика 8 Ом с предыдущим каскадом с общим эмиттером. Таким образом, недорогие транзисторы заменяют трансформаторы. Полную схему см. В разделе «Аудиоусилитель мощностью 3 Вт с прямой связью и дополнительной симметрией», глава 9

ОБЗОР:

• Емкостная связь действует как фильтр верхних частот на входе усилителя. Это приводит к снижению коэффициента усиления по напряжению усилителя при более низких частотах сигнала. Усилители с емкостной связью практически не реагируют на входные сигналы постоянного тока.
• Прямая связь с последовательным резистором вместо последовательного конденсатора позволяет избежать проблемы частотно-зависимого усиления, но имеет недостаток, заключающийся в уменьшении усиления усилителя для всех частот сигнала за счет ослабления входного сигнала.
• Трансформаторы и конденсаторы могут использоваться для подключения выхода усилителя к нагрузке, чтобы исключить попадание постоянного напряжения на нагрузку.
• Многокаскадные усилители часто используют емкостную связь между каскадами, чтобы устранить проблемы с смещением одного каскада, влияющим на смещение другого.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Рабочий лист схем смещения биполярных транзисторов