Ingangs- en uitgangskoppeling

Om de uitdaging aan te gaan om de noodzakelijke DC-biasspanning voor het ingangssignaal van een versterker te creëren zonder toevlucht te nemen tot het plaatsen van een batterij in serie met de AC-signaalbron, hebben we een spanningsdeler gebruikt die over de DC-stroombron is aangesloten. Om dit te laten werken in combinatie met een AC-ingangssignaal, hebben we de signaalbron "gekoppeld" aan de verdeler via een condensator, die fungeerde als een hoogdoorlaatfilter. Met die filtering op zijn plaats, kon de lage impedantie van de AC-signaalbron de DC-spanning die over de onderste weerstand van de spanningsdeler viel, niet "kortsluiten". Een simpele oplossing, maar niet zonder nadelen.

Het meest voor de hand liggend is het feit dat het gebruik van een hoogdoorlaatfiltercondensator om de signaalbron aan de versterker te koppelen, betekent dat de versterker alleen wisselstroomsignalen kan versterken. Een constante gelijkspanning die op de ingang wordt toegepast, wordt net zo goed geblokkeerd door de koppelcondensator als de voorspanning van de spanningsdeler wordt geblokkeerd door de ingangsbron. Bovendien, aangezien capacitieve reactantie frequentieafhankelijk is, zullen AC-signalen met een lagere frequentie niet zo veel worden versterkt als signalen met een hogere frequentie. Niet-sinusvormige signalen zullen de neiging hebben om te worden vervormd, omdat de condensator anders reageert op elk van de samenstellende harmonischen van het signaal.

Een extreem voorbeeld hiervan is een laagfrequent blokgolfsignaal in de onderstaande afbeelding.

Capacitief gekoppelde laagfrequente blokgolf vertoont vervorming.

Overigens doet hetzelfde probleem zich voor wanneer de oscilloscoop-ingangen zijn ingesteld op de modus "AC-koppeling", zoals in de onderstaande afbeelding.

In deze modus wordt een koppelcondensator in serie geplaatst met het gemeten spanningssignaal om elke verticale verschuiving van de weergegeven golfvorm als gevolg van gelijkspanning in combinatie met het signaal te elimineren. Dit werkt prima wanneer de AC-component van het gemeten signaal een vrij hoge frequentie heeft en de condensator weinig impedantie biedt aan het signaal. Als het signaal echter een lage frequentie heeft of aanzienlijke harmonischen over een breed frequentiebereik bevat, zijn de oscilloscoopweergaven van de golfvorm niet nauwkeurig.

Laagfrequente signalen kunnen worden bekeken door de oscilloscoop in te stellen op "DC-koppeling" in de onderstaande afbeelding.

Met DC-koppeling geeft de oscilloscoop correct de vorm van de blokgolf aan die uit de signaalgenerator komt.

Lage frequentie:bij AC-koppeling vervormt de hoogdoorlaatfiltering van de koppelcondensator de vorm van de blokgolf, zodat wat te zien is geen nauwkeurige weergave is van het echte signaal.

Directe koppeling

In toepassingen waar de beperkingen van capacitieve koppeling (gezien de bovenstaande afbeelding) ondraaglijk zouden zijn, kan een andere oplossing worden gebruikt: directe koppeling . Directe koppeling vermijdt het gebruik van condensatoren of andere frequentieafhankelijke koppelingscomponenten ten gunste van weerstanden. Een direct gekoppeld versterkercircuit wordt getoond in de onderstaande afbeelding.

Direct gekoppelde versterker:directe koppeling met luidspreker.

Zonder condensator om het ingangssignaal te filteren, vertoont deze vorm van koppeling geen frequentieafhankelijkheid. Gelijkstroom- en wisselstroomsignalen worden door de transistor met dezelfde versterking versterkt (de transistor zelf kan sommige frequenties beter versterken dan andere, maar dat is een heel ander onderwerp!).

Als directe koppeling zowel voor DC- als voor AC-signalen werkt, waarom dan capacitieve koppeling gebruiken voor elke sollicitatie? Een reden kan zijn om ongewenste . te vermijden DC-voorspanning die van nature aanwezig is in het te versterken signaal. Sommige wisselstroomsignalen kunnen direct vanaf de bron worden gesuperponeerd op een ongecontroleerde gelijkspanning, en een ongecontroleerde gelijkspanning zou betrouwbare transistorvoorspanning onmogelijk maken. De hoogdoorlaatfiltering aangeboden door een koppelcondensator zou hier goed werken om biasproblemen te voorkomen.

Een andere reden om capacitieve koppeling te gebruiken in plaats van directe is het relatieve gebrek aan signaalverzwakking. Directe koppeling via een weerstand heeft het nadeel dat het ingangssignaal wordt verzwakt, zodat slechts een fractie daarvan de basis van de transistor bereikt. In veel toepassingen is hoe dan ook enige verzwakking nodig om te voorkomen dat signaalniveaus de transistor "oversturen" tot afsnijding en verzadiging, dus elke verzwakking die inherent is aan het koppelnetwerk is hoe dan ook nuttig. Sommige toepassingen vereisen echter dat er geen signaalverlies van de ingangsverbinding naar de basis van de transistor voor maximale spanningsversterking, en een direct koppelingsschema met een spanningsdeler voor bias is simpelweg niet voldoende.

Tot nu toe hebben we een aantal methoden besproken voor het koppelen van een input signaal naar een versterker, maar hebben het probleem van het koppelen van de uitgang van een versterker niet behandeld tot een lading. Het voorbeeldcircuit dat wordt gebruikt om ingangskoppeling te illustreren, zal goed dienen om de problemen met uitgangskoppeling te illustreren.

In ons voorbeeldcircuit is de belasting een luidspreker. De meeste luidsprekers hebben een elektromagnetisch ontwerp:dat wil zeggen dat ze de kracht gebruiken die wordt gegenereerd door een lichtgewicht elektromagneetspoel die is opgehangen in een sterk permanent magneetveld om een ​​dunne papieren of plastic kegel te verplaatsen, waardoor trillingen in de lucht worden geproduceerd die onze oren als geluid interpreteren. Een aangelegde spanning van één polariteit beweegt de kegel naar buiten, terwijl een spanning van de tegenovergestelde polariteit de kegel naar binnen zal bewegen. Om de volledige bewegingsvrijheid van de kegel te benutten, moet de luidspreker echte (onbevooroordeelde) wisselspanning ontvangen. Gelijkstroomvoorspanning die op de luidsprekerspoel wordt toegepast, compenseert de kegel ten opzichte van zijn natuurlijke middenpositie, en dit beperkt de heen en weer beweging die hij kan ondersteunen van de aangelegde wisselspanning zonder te veel te reizen. Ons voorbeeldcircuit past echter een variërende spanning toe van slechts één polariteit over de luidspreker, omdat de luidspreker in serie is geschakeld met de transistor die maar op één manier stroom kan geleiden. Dit zou onaanvaardbaar zijn voor elke krachtige audioversterker.

Op de een of andere manier moeten we de luidspreker isoleren van de DC-bias van de collectorstroom, zodat deze alleen AC-spanning ontvangt. Een manier om dit doel te bereiken, is door het transistorcollectorcircuit aan de luidspreker te koppelen via een transformator in onderstaande afbeelding.

Transformatorkoppeling isoleert DC van de belasting (luidspreker).

De spanning die wordt geïnduceerd in de secundaire (luidsprekerzijde) van de transformator is strikt te wijten aan variaties in collectorstroom omdat de wederzijdse inductantie van een transformator alleen werkt bij veranderingen in wikkelstroom. Met andere woorden, alleen het AC-gedeelte van het collectorstroomsignaal wordt gekoppeld aan de secundaire zijde om de luidspreker van stroom te voorzien. De luidspreker "ziet" echte wisselstroom op de klemmen, zonder enige DC-bias.

De uitgangskoppeling van de transformator werkt en heeft als bijkomend voordeel dat de impedantie tussen het transistorcircuit en de luidsprekerspoel kan worden aangepast met aangepaste wikkelverhoudingen. Transformatoren zijn echter meestal groot en zwaar, vooral voor toepassingen met een hoog vermogen. Het is ook moeilijk om een ​​transformator te ontwerpen die signalen over een breed frequentiebereik kan verwerken, wat bijna altijd nodig is voor audiotoepassingen. Om het nog erger te maken, voegt gelijkstroom door de primaire wikkeling toe aan de magnetisatie van de kern in slechts één polariteit, waardoor de transformatorkern gemakkelijker verzadigt in de ene AC-polariteitscyclus dan in de andere. Dit probleem doet denken aan het feit dat de luidspreker direct in serie is geschakeld met de transistor:een DC-biasstroom heeft de neiging om de hoeveelheid uitgangssignaalamplitude die het systeem aankan zonder vervorming te beperken. Over het algemeen kan een transformator echter worden ontworpen om veel meer DC-biasstroom te verwerken dan een luidspreker zonder in de problemen te komen, dus transformatorkoppeling is in de meeste gevallen nog steeds een haalbare oplossing. Zie de koppeltransformator tussen Q4 en de luidspreker, Regency TR1, Ch 9 als een voorbeeld van een transformatorkoppeling.

Een andere methode om de luidspreker te isoleren van DC-bias in het uitgangssignaal is om het circuit een beetje te veranderen en een koppelcondensator te gebruiken op een manier die vergelijkbaar is met het koppelen van het ingangssignaal (figuur hieronder) aan de versterker.

Condensatorkoppeling isoleert DC van de belasting.

Dit circuit in het bovenstaande figuur lijkt op de meer conventionele vorm van een common-emitter-versterker, waarbij de transistorcollector via een weerstand met de batterij is verbonden. De condensator fungeert als een hoogdoorlaatfilter en geeft het grootste deel van de wisselspanning door aan de luidspreker terwijl alle gelijkspanning wordt geblokkeerd. Nogmaals, de waarde van deze koppelcondensator is zo gekozen dat zijn impedantie bij de verwachte signaalfrequentie willekeurig laag zal zijn.

Het blokkeren van gelijkspanning van de uitgang van een versterker, hetzij via een transformator of een condensator, is niet alleen nuttig bij het koppelen van een versterker aan een belasting, maar ook bij het koppelen van een versterker aan een andere versterker. "Getrapte" versterkers worden vaak gebruikt om hogere vermogenswinsten te behalen dan mogelijk zou zijn met een enkele transistor, zoals in onderstaande afbeelding.

Condensator gekoppelde drietraps common-emitter versterker.

Hoewel het mogelijk is om elke trap direct aan de volgende te koppelen (via een weerstand in plaats van een condensator), maakt dit de hele versterker zeer gevoelig voor variaties in de DC-voorspanning van de eerste trap, aangezien die DC-spanning samen met het AC-signaal wordt versterkt tot de laatste trap. Met andere woorden, de voorspanning van de eerste trap zal de voorspanning van de tweede trap beïnvloeden, enzovoort. Als de trappen echter capacitief zijn gekoppeld, zoals weergegeven in de bovenstaande afbeelding, heeft de voorspanning van de ene trap geen invloed op de voorspanning van de volgende, omdat gelijkspanning wordt geblokkeerd om door te gaan naar de volgende trap.

Transformatorkoppeling tussen versterkertrappen is ook een mogelijkheid, maar wordt minder vaak gezien vanwege enkele van de problemen die inherent zijn aan de eerder genoemde transformatoren. Een opmerkelijke uitzondering op deze regel is in radiofrequentieversterkers (figuur hieronder) met kleine koppeltransformatoren, met luchtkernen (waardoor ze immuun zijn voor verzadigingseffecten), die deel uitmaken van een resonantiecircuit om te voorkomen dat ongewenste harmonische frequenties worden doorgegeven aan volgende stadia. Het gebruik van resonantiecircuits veronderstelt dat de signaalfrequentie constant blijft, wat typisch is voor radiocircuits. Ook zorgt het "vliegwiel"-effect van LC-tankcircuits voor klasse C-werking voor een hoog rendement.

Drietraps afgestemde RF-versterker illustreert transformatorkoppeling.

Let op de transformatorkoppeling tussen de transistoren Q1, Q2, Q3 en Q4, Regency TR1, Ch 9. De drie middenfrequente (IF) transformatoren in de gestippelde vakken koppelen het IF-signaal van de collector naar de basis van de volgende transistor-IF-versterkers. De tussenliggende frequentie versterkers zijn echter RF-versterkers op een andere frequentie dan de RF-ingang van de antenne.

Dit alles gezegd hebbende, moet worden vermeld dat het is mogelijk om directe koppeling te gebruiken binnen een meertraps transistorversterkercircuit. In gevallen waarin verwacht wordt dat de versterker DC-signalen kan verwerken, is dit het enige alternatief.

De trend van elektronica naar het meer wijdverbreide gebruik van geïntegreerde schakelingen heeft het gebruik van directe koppeling via transformator- of condensatorkoppeling aangemoedigd. De enige gemakkelijk te vervaardigen component voor geïntegreerde schakelingen is de transistor. Er kunnen ook weerstanden van matige kwaliteit worden geproduceerd. Transistors hebben echter de voorkeur. Geïntegreerde condensatoren tot slechts enkele tientallen pF zijn mogelijk. Grote condensatoren zijn niet integreerbaar. Indien nodig kunnen dit externe componenten zijn. Hetzelfde geldt voor transformatoren. Omdat geïntegreerde transistors goedkoop zijn, worden zoveel mogelijk transistors vervangen door de storende condensatoren en transformatoren. Er is zoveel mogelijk direct gekoppelde versterking ontworpen in IC's tussen de externe koppelingscomponenten. Terwijl externe condensatoren en transformatoren worden gebruikt, worden deze indien mogelijk zelfs ontworpen. Het resultaat is dat een moderne IC-radio (zie "IC-radio", hoofdstuk 9 ) in niets lijkt op de originele 4-transistorradio Regency TR1, hoofdstuk 9.

Zelfs discrete transistors zijn goedkoop in vergelijking met transformatoren. Omvangrijke audiotransformatoren kunnen worden vervangen door transistors. Een configuratie met een gemeenschappelijke collector (emittervolger) kan bijvoorbeeld een impedantie hebben die overeenkomt met een lage uitgangsimpedantie zoals een luidspreker. Het is ook mogelijk om grote koppelcondensatoren te vervangen door transistorschakelingen.

We illustreren nog steeds graag teksten met transformatorgekoppelde audioversterkers. De schakelingen zijn eenvoudig. Het aantal componenten is laag. En dit zijn goede inleidende circuits - gemakkelijk te begrijpen.

Het circuit in onderstaande afbeelding (a) is een vereenvoudigde transformator-gekoppelde push-pull geluidsversterker. Bij push-pull versterken een paar transistoren afwisselend de positieve en negatieve delen van het ingangssignaal. Geen van beide transistoren geleidt voor geen signaalinvoer. Een positief ingangssignaal zal positief zijn aan de bovenkant van de secundaire transformator, waardoor de bovenste transistor gaat geleiden. Een negatieve ingang zal een positief signaal opleveren aan de onderkant van de secundaire, waardoor de onderste transistor in geleiding komt. Dus de transistors versterken afwisselende helften van een signaal. Zoals getekend, zal geen van beide transistoren in onderstaande figuur (a) geleiden voor een ingang onder 0,7 Vpiek. Een praktisch circuit verbindt de secundaire middenaftakking met een 0,7 V (of meer) weerstandsdeler in plaats van aarde om beide transistoren voor te stellen voor echte klasse B.

(a) Transformator gekoppelde push-pull versterker. (b) Direct gekoppelde versterker met complementaire paren vervangt transformatoren door transistors.

Het circuit in figuur hierboven (b) is de moderne versie die de transformatorfuncties vervangt door transistors. Transistors Q1 en Q2 zijn gemeenschappelijke emitterversterkers, die het signaal met versterking van basis naar collector inverteren. Transistors Q3 en Q4 staan ​​bekend als een complementair paar omdat deze NPN- en PNP-transistors afwisselende helften (respectievelijk positief en negatief) van de golfvorm versterken. De parallelle aansluiting van de bases maakt fasesplitsing mogelijk zonder een ingangstransformator bij (a). De luidspreker is de emitterbelasting voor Q3 en Q4. Parallelle aansluiting van de emitters van de NPN- en PNP-transistors elimineert de middenaftakkingsuitgangstransformator bij (a) De lage uitgangsimpedantie van de emittervolger dient om de lage 8 Ω-impedantie van de luidspreker af te stemmen op de voorgaande common-emittertrap. Zo vervangen goedkope transistors transformatoren. Zie voor het volledige circuit "Direct gekoppelde complementaire symmetrie 3 w audioversterker", hoofdstuk 9

BEOORDELING:

• Capacitieve koppeling werkt als een hoogdoorlaatfilter op de ingang van een versterker. Dit heeft de neiging om de spanningsversterking van de versterker af te nemen bij lagere signaalfrequenties. Capacitief gekoppelde versterkers reageren vrijwel niet op DC-ingangssignalen.
• Directe koppeling met een serieweerstand in plaats van een seriecondensator vermijdt het probleem van frequentieafhankelijke versterking, maar heeft het nadeel dat de versterkerversterking voor alle signaalfrequenties wordt verminderd door het ingangssignaal te verzwakken.
• Transformers en condensatoren kunnen worden gebruikt om de uitgang van een versterker aan een belasting te koppelen, om te voorkomen dat gelijkspanning de belasting bereikt.
• Meertrapsversterkers maken vaak gebruik van capacitieve koppeling tussen trappen om problemen met de voorspanning van de ene trap die de voorspanning van een andere beïnvloedt te elimineren.

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Werkblad Bipolaire Transistor Biasing Circuits