Методы входной и выходной связи усилителей: емкостная, прямая и трансформаторная

Обзор

При проектировании усилителя задача часто заключается в подаче необходимого DC-смещения на входной сигнал без включения батареи последовательно с AC-источником. Распространенное решение — использование делителя напряжения через DC-питание и связь AC-входа с делителем конденсатором, образующим высокочастотный фильтр. Этот метод сохраняет смещающее напряжение для транзистора, позволяя AC-сигналу проходить, но вносит несколько компромиссов, которые должны быть поняты.

Емкостная связь

Емкостная связь — наиболее широко используемый метод в простых аудио и сигнально-обрабатывающих схемах. Однако у неё есть два ключевых ограничения:

• Блокировка DC: Любое постоянное DC-напряжение на входе отвергается, поэтому усилитель может обрабатывать только AC-сигналы.
• Частотозависимое усиление: Реактивное сопротивление конденсатора падает с частотой, поэтому низкочастотные компоненты затухают сильнее высокочастотных. Это искажение особенно заметно в несинусоидальных волнах, например, прямоугольных.

Например, низкочастотная прямоугольная волна, прошедшая через разделительный конденсатор, выглядит сильно искаженной, как показано на сопутствующей фигуре. В измерениях осциллографом тот же эффект наблюдается, когда прибор установлен в режим «AC-связь». Переключение на «DC-связь» восстанавливает истинную форму волны.

Прямая связь

Прямая связь использует только резистивные элементы для смещения транзистора, устраняя частотную зависимость. Схема проста: делитель напряжения обеспечивает базовое смещение, а входной сигнал подается прямо на базу. Поскольку конденсатора нет, DC и AC компоненты усиливаются одинаково.

Прямая связь идеальна, когда входной сигнал может содержать неконтролируемое DC-смещение, нарушающее смещение, или когда требуется максимальное напряженное усиление без какого-либо затухания. Однако она может быть чувствительна к вариациям смещения первой ступени при каскадировании нескольких ступеней, так как DC-смещение распространяется через всю цепь.

Выходная связь

Во многих проектах усилителей выход должен управлять нагрузкой, такой как динамик, которой требуется чистое AC-напряжение. Две основные стратегии используются для изоляции нагрузки от DC-смещения:

1. Трансформаторная связь: Трансформатор между коллектором и динамиком гарантирует, что только AC-вариации коллекторного тока передаются. Вторичная обмотка питает динамик истинным чередованным напряжением. Трансформаторы также обеспечивают согласование импедансов, но могут быть громоздкими и сложными для проектирования на широкой аудиополосе. Они могут насыщаться, если первичная обмотка несет DC-смещение, ограничивая выходной размах.
2. Конденсаторная связь: Разделительный конденсатор последовательно с динамиком блокирует DC, пропуская AC. Значение конденсатора подбирается так, чтобы его реактивное сопротивление было пренебрежимо малой на желаемой сигнальной частоте, обеспечивая минимальное затухание аудиосигнала.

Оба метода также используются для связи ступеней усилителя друг с другом. В многоступенчатых усилителях с общим эмиттером емкостная связь между ступенями предотвращает влияние смещения одной ступени на следующую, упрощая стабильность смещения.

Трансформаторы в РЧ-усилителях

В радиочастотных (РЧ) приложениях между ступенями часто применяются небольшие воздушные трансформаторы. Их резонансные контуры блокируют нежелательные гармоники и позволяют работу класса С для высокой эффективности. В отличие от аудиотрансформаторов, эти РЧ-трансформаторы рассчитаны на узкополосные сигналы и поэтому избегают проблем насыщения, типичных для аудио-силовых трансформаторов.

Современные тенденции: интегральные схемы

С распространением интегральных схем (ИС) проектировщики все чаще полагаются на прямую связь и транзисторные сети для замены громоздких трансформаторов и больших разделительных конденсаторов. Радио на ИС, например, заменяют классический 4-транзисторный Regency TR1 компактной транзисторной архитектурой, интегрирующей смещение и согласование импедансов внутри.

Толкательно-тянутые усилители

Трансформаторно-связанные толкательно-тянутые усилители используют дополнительные NPN/PNP пары для управления динамиком от транзистора с центральным отводом. Современные конструкции заменяют трансформатор дополнительной парой транзисторов, достигая той же работы класса B или AB, устраняя размер и стоимость трансформатора.

Ключевые выводы

• Емкостная связь действует как высокочастотный фильтр, снижая низкочастотное усиление и блокируя DC.
• Прямая связь предлагает частотно-независимое усиление, но может затухать входной сигнал и чувствительна к дрейфу смещения в многоступенчатых проектах.
• Трансформаторы и конденсаторы эффективны для выходной связи, удаляя DC от нагрузки.
• Емкостная связь между ступенями стабилизирует смещение в многоступенчатых усилителях.

Связанные рабочие листы

• Рабочий лист по схемам смещения биполярных транзисторов