Eingangs- und Ausgangskopplung

Um die Herausforderung zu meistern, die erforderliche DC-Vorspannung für das Eingangssignal eines Verstärkers zu erzeugen, ohne auf das Einsetzen einer Batterie in Reihe mit der AC-Signalquelle zurückgreifen zu müssen, haben wir einen Spannungsteiler verwendet, der über die DC-Stromquelle geschaltet ist. Damit dies in Verbindung mit einem AC-Eingangssignal funktioniert, haben wir die Signalquelle über einen Kondensator, der als Hochpassfilter fungierte, mit dem Teiler „gekoppelt“. Mit dieser Filterung konnte die niedrige Impedanz der AC-Signalquelle die am unteren Widerstand des Spannungsteilers abfallende DC-Spannung nicht „kurzschließen“. Eine einfache Lösung, aber nicht ohne Nachteile.

Am offensichtlichsten ist die Tatsache, dass die Verwendung eines Hochpassfilterkondensators zum Koppeln der Signalquelle mit dem Verstärker bedeutet, dass der Verstärker nur Wechselstromsignale verstärken kann. Eine an den Eingang angelegte konstante Gleichspannung würde durch den Koppelkondensator ebenso blockiert wie die Vorspannung des Spannungsteilers von der Eingangsquelle. Da außerdem die kapazitive Reaktanz frequenzabhängig ist, werden niederfrequente Wechselstromsignale nicht so stark verstärkt wie höherfrequente Signale. Nicht-sinusförmige Signale neigen dazu, verzerrt zu werden, da der Kondensator unterschiedlich auf die einzelnen Harmonischen des Signals reagiert.

Ein extremes Beispiel hierfür wäre ein niederfrequentes Rechtecksignal in der Abbildung unten.

Kapazitiv gekoppelte niederfrequente Rechteckwellen weisen Verzerrungen auf.

Das gleiche Problem tritt übrigens auf, wenn Oszilloskopeingänge auf den Modus „AC-Kopplung“ eingestellt sind, wie in der Abbildung unten gezeigt.

In diesem Modus wird ein Kopplungskondensator in Reihe mit dem gemessenen Spannungssignal eingefügt, um jeglichen vertikalen Versatz der angezeigten Wellenform aufgrund der mit dem Signal kombinierten Gleichspannung zu eliminieren. Dies funktioniert gut, wenn die Wechselstromkomponente des gemessenen Signals eine ziemlich hohe Frequenz hat und der Kondensator dem Signal eine geringe Impedanz bietet. Wenn das Signal jedoch eine niedrige Frequenz hat oder erhebliche Oberwellen über einen weiten Frequenzbereich enthält, sind die Oszilloskop-Anzeigen der Wellenform nicht genau.

Niederfrequenzsignale können angezeigt werden, indem das Oszilloskop in der Abbildung unten auf „DC-Kopplung“ eingestellt wird.

Bei DC-Kopplung zeigt das Oszilloskop die Form der vom Signalgenerator kommenden Rechteckwelle richtig an.

Niedrige Frequenz:Bei AC-Kopplung verzerrt die Hochpassfilterung des Kopplungskondensators die Form der Rechteckwelle, sodass das Gesehene keine genaue Darstellung des realen Signals ist.

Direkte Kopplung

In Anwendungen, bei denen die Einschränkungen der kapazitiven Kopplung (in Anbetracht der obigen Abbildung) nicht tolerierbar wären, kann eine andere Lösung verwendet werden: direkte Kopplung . Die direkte Kopplung vermeidet die Verwendung von Kondensatoren oder anderen frequenzabhängigen Kopplungskomponenten zugunsten von Widerständen. Eine direkt gekoppelte Verstärkerschaltung ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Direkt gekoppelter Verstärker:direkte Kopplung an den Lautsprecher.

Da kein Kondensator zum Filtern des Eingangssignals vorhanden ist, weist diese Kopplungsform keine Frequenzabhängigkeit auf. Gleich- und Wechselstromsignale werden vom Transistor mit der gleichen Verstärkung verstärkt (der Transistor selbst kann dazu neigen, einige Frequenzen besser zu verstärken als andere, aber das ist ein ganz anderes Thema!).

Wenn die direkte Kopplung sowohl für DC- als auch für AC-Signale funktioniert, warum dann kapazitive Kopplung für beliebige verwenden Anwendung? Ein Grund könnte sein, unerwünschte . zu vermeiden DC-Vorspannung, die natürlicherweise in dem zu verstärkenden Signal vorhanden ist. Einige Wechselstromsignale können einer ungesteuerten Gleichspannung direkt von der Quelle überlagert werden, und eine ungesteuerte Gleichspannung würde eine zuverlässige Transistorvorspannung unmöglich machen. Die Hochpassfilterung, die ein Koppelkondensator bietet, würde hier gut funktionieren, um Vorspannungsprobleme zu vermeiden.

Ein weiterer Grund für die Verwendung einer kapazitiven Kopplung statt einer direkten ist der relative Mangel an Signaldämpfung. Die direkte Kopplung über einen Widerstand hat den Nachteil, dass das Eingangssignal so gedämpft wird, dass nur ein Bruchteil davon die Basis des Transistors erreicht. In vielen Anwendungen ist ohnehin eine gewisse Dämpfung erforderlich, um zu verhindern, dass die Signalpegel den Transistor in die Grenz- und Sättigungsphase „übersteuern“, sodass jede Dämpfung, die dem Kopplungsnetzwerk inhärent ist, ohnehin nützlich ist. Einige Anwendungen erfordern jedoch, dass keine Signalverlust von der Eingangsverbindung zur Basis des Transistors für maximale Spannungsverstärkung, und ein direktes Kopplungsschema mit einem Spannungsteiler für die Vorspannung wird einfach nicht ausreichen.

Bisher haben wir einige Methoden zum Koppeln einer Eingabe besprochen Signal an einen Verstärker, haben aber das Problem der Kopplung des Ausgangs eines Verstärkers nicht angesprochen zu einer Last. Die zur Veranschaulichung der Eingangskopplung verwendete Beispielschaltung dient zur Veranschaulichung der mit der Ausgangskopplung verbundenen Probleme.

In unserer Beispielschaltung ist die Last ein Lautsprecher. Die meisten Lautsprecher sind elektromagnetisch konstruiert:Das heißt, sie verwenden die Kraft, die von einer leichten elektromagnetischen Spule erzeugt wird, die in einem starken Permanentmagnetfeld hängt, um einen dünnen Papier- oder Kunststoffkegel zu bewegen, wodurch Schwingungen in der Luft erzeugt werden, die unsere Ohren als Schall interpretieren. Eine angelegte Spannung einer Polarität bewegt den Kegel nach außen, während eine Spannung der entgegengesetzten Polarität den Kegel nach innen bewegt. Um die volle Bewegungsfreiheit des Kegels auszunutzen, muss der Lautsprecher echte (unvoreingenommene) Wechselspannung erhalten. Eine an die Lautsprecherspule angelegte DC-Vorspannung versetzt den Kegel aus seiner natürlichen Mittelposition, und dies begrenzt die Hin- und Herbewegung, die er von der angelegten Wechselspannung aushalten kann, ohne sich zu weit zu bewegen. Unsere Beispielschaltung legt jedoch eine variierende Spannung von nur einer an Polarität am Lautsprecher, da der Lautsprecher in Reihe mit dem Transistor geschaltet ist, der Strom nur in eine Richtung leiten kann. Dies wäre für jeden Hochleistungs-Audioverstärker inakzeptabel.

Irgendwie müssen wir den Lautsprecher von der Gleichstromvorspannung des Kollektorstroms isolieren, damit er nur Wechselspannung erhält. Eine Möglichkeit, dieses Ziel zu erreichen, besteht darin, die Transistor-Kollektorschaltung über einen Transformator mit dem Lautsprecher in Abbildung unten zu koppeln.

Transformatorkopplung trennt Gleichstrom von der Last (Lautsprecher).

Die in der Sekundärseite (Lautsprecherseite) des Transformators induzierte Spannung ist ausschließlich auf Variationen zurückzuführen im Kollektorstrom, da die Gegeninduktivität eines Transformators nur bei Änderungen wirkt im Wicklungsstrom. Mit anderen Worten, nur der Wechselstromanteil des Kollektorstromsignals wird an die Sekundärseite gekoppelt, um den Lautsprecher mit Energie zu versorgen. Der Lautsprecher „sieht“ echten Wechselstrom an seinen Anschlüssen, ohne DC-Vorspannung.

Die Kopplung des Transformatorausgangs funktioniert und hat den zusätzlichen Vorteil, dass sie eine Impedanzanpassung zwischen der Transistorschaltung und der Lautsprecherspule mit benutzerdefinierten Wicklungsverhältnissen bereitstellen kann. Transformatoren neigen jedoch dazu, groß und schwer zu sein, insbesondere für Hochleistungsanwendungen. Außerdem ist es schwierig, einen Transformator so zu konstruieren, dass er Signale über einen weiten Frequenzbereich verarbeiten kann, was für Audioanwendungen fast immer erforderlich ist. Erschwerend kommt hinzu, dass Gleichstrom durch die Primärwicklung nur in einer Polarität zur Magnetisierung des Kerns beiträgt, was dazu führt, dass der Transformatorkern in einem Wechselstrom-Polaritätszyklus leichter gesättigt wird als in dem anderen. Dieses Problem erinnert daran, dass der Lautsprecher direkt in Reihe mit dem Transistor geschaltet ist:Ein DC-Bias-Strom neigt dazu, die Amplitude des Ausgangssignals zu begrenzen, die das System ohne Verzerrung verarbeiten kann. Im Allgemeinen kann ein Transformator jedoch so ausgelegt werden, dass er viel mehr Gleichstrom verarbeiten kann als ein Lautsprecher, ohne dass Probleme auftreten, sodass die Transformatorkopplung in den meisten Fällen immer noch eine praktikable Lösung ist. Sehen Sie sich den Kopplungstransformator zwischen Q4 und dem Lautsprecher, Regency TR1, Ch 9 als Beispiel für eine Transformatorkopplung an.

Eine andere Methode, den Lautsprecher von der DC-Vorspannung im Ausgangssignal zu isolieren, besteht darin, die Schaltung ein wenig zu ändern und einen Kopplungskondensator zu verwenden, ähnlich wie beim Koppeln des Eingangssignals (Abbildung unten) an den Verstärker.

Die Kondensatorkopplung trennt den Gleichstrom von der Last.

Diese Schaltung in der obigen Abbildung ähnelt der konventionelleren Form eines Emitterverstärkers, bei dem der Transistorkollektor über einen Widerstand mit der Batterie verbunden ist. Der Kondensator fungiert als Hochpassfilter, der den größten Teil der Wechselspannung an den Lautsprecher leitet und gleichzeitig die gesamte Gleichspannung blockiert. Auch hier wird der Wert dieses Koppelkondensators so gewählt, dass seine Impedanz bei der erwarteten Signalfrequenz beliebig niedrig ist.

Das Sperren der Gleichspannung am Ausgang eines Verstärkers, sei es über einen Transformator oder einen Kondensator, ist nicht nur beim Koppeln eines Verstärkers an eine Last, sondern auch beim Koppeln eines Verstärkers an einen anderen Verstärker nützlich. „Stufen“-Verstärker werden oft verwendet, um höhere Leistungsverstärkungen zu erzielen, als dies mit einem einzelnen Transistor möglich wäre, wie in Abbildung unten gezeigt.

Kondensatorgekoppelter dreistufiger Emitterverstärker.

Obwohl es möglich ist, jede Stufe direkt mit der nächsten zu koppeln (über einen Widerstand statt über einen Kondensator), macht dies den gesamten Verstärker sehr empfindlich auf Schwankungen der DC-Vorspannung der ersten Stufe, da diese DC-Spannung zusammen mit dem AC-Signal bis zur letzten Stufe verstärkt wird. Mit anderen Worten, die Vorspannung der ersten Stufe beeinflusst die Vorspannung der zweiten Stufe und so weiter. Wenn die Stufen jedoch kapazitiv gekoppelt sind, wie in der obigen Abbildung gezeigt, hat die Vorspannung einer Stufe keinen Einfluss auf die Vorspannung der nächsten, da die Gleichspannung daran gehindert wird, zur nächsten Stufe weiterzuleiten.

Eine Transformatorkopplung zwischen Verstärkerstufen ist ebenfalls eine Möglichkeit, wird jedoch aufgrund einiger der zuvor erwähnten Probleme mit Transformatoren seltener gesehen. Eine bemerkenswerte Ausnahme von dieser Regel sind Hochfrequenzverstärker (Abbildung unten) mit kleinen Koppeltransformatoren, die Luftkerne haben (was sie immun gegen Sättigungseffekte macht), die Teil eines Resonanzkreises sind, um unerwünschte harmonische Frequenzen am Weiterleiten an nachfolgende zu blockieren Stufen. Die Verwendung von Resonanzkreisen setzt eine konstante Signalfrequenz voraus, was typisch für Funkschaltungen ist. Außerdem ermöglicht der „Schwungrad“-Effekt von LC-Schwingkreisen einen Klasse-C-Betrieb für hohe Effizienz.

Der dreistufig abgestimmte HF-Verstärker veranschaulicht die Transformatorkopplung.

Beachten Sie die Transformatorkopplung zwischen den Transistoren Q1, Q2, Q3 und Q4, Regency TR1, Ch 9. Die drei Zwischenfrequenz-(ZF)-Transformatoren innerhalb der gestrichelten Kästen koppeln das ZF-Signal vom Kollektor zur Basis der folgenden Transistor-ZF-Verstärker. Die Zwischenfrequenz Verstärker sind jedoch HF-Verstärker mit einer anderen Frequenz als der HF-Eingang der Antenne.

Nachdem dies alles gesagt wurde, muss erwähnt werden, dass es ist möglich, eine direkte Kopplung innerhalb einer mehrstufigen Transistorverstärkerschaltung zu verwenden. In Fällen, in denen der Verstärker DC-Signale verarbeiten soll, ist dies die einzige Alternative.

Der Trend der Elektronik zu einer weiter verbreiteten Verwendung integrierter Schaltungen hat die Verwendung einer direkten Kopplung über eine Transformator- oder Kondensatorkopplung gefördert. Die einzige einfach herzustellende integrierte Schaltungskomponente ist der Transistor. Widerstände mittlerer Qualität können ebenfalls hergestellt werden. Transistoren werden jedoch bevorzugt. Integrierte Kondensatoren bis auf wenige 10 pF sind möglich. Große Kondensatoren sind nicht integrierbar. Dies können ggf. externe Komponenten sein. Das gleiche gilt für Transformatoren. Da integrierte Transistoren kostengünstig sind, werden die störenden Kondensatoren und Transformatoren durch so viele Transistoren wie möglich ersetzt. So viel direkt gekoppelte Verstärkung wie möglich wird in ICs zwischen den externen Kopplungskomponenten ausgelegt. Zwar kommen externe Kondensatoren und Transformatoren zum Einsatz, diese werden aber nach Möglichkeit sogar ausgestaltet. Das Ergebnis ist, dass ein modernes IC-Radio (siehe „IC-Radio“, Ch 9 ) nicht wie das originale 4-Transistor-Radio Regency TR1, Ch 9 aussieht.

Selbst diskrete Transistoren sind im Vergleich zu Transformatoren kostengünstig. Sperrige Audioübertrager können durch Transistoren ersetzt werden. Beispielsweise kann eine Common-Collector-Konfiguration (Emitterfolger) die Impedanz einer niedrigen Ausgangsimpedanz wie einem Lautsprecher anpassen. Es ist auch möglich, große Koppelkondensatoren durch Transistorschaltungen zu ersetzen.

Wir illustrieren immer noch gerne Texte mit transformatorgekoppelten Audioverstärkern. Die Schaltungen sind einfach. Die Komponentenanzahl ist niedrig. Und das sind gute Einführungsschaltungen – leicht zu verstehen.

Die Schaltung in Abbildung unten (a) ist eine vereinfachte transformatorgekoppelte Gegentakt Audio-Verstärker. Im Gegentakt verstärken Transistorpaare abwechselnd die positiven und negativen Anteile des Eingangssignals. Keiner der Transistoren leitet ohne Signaleingang. Ein positives Eingangssignal wird an der Oberseite der Transformatorsekundärseite positiv sein, wodurch der obere Transistor leitet. Ein negativer Eingang führt zu einem positiven Signal am unteren Ende der Sekundärseite, wodurch der untere Transistor leitend wird. Somit verstärken die Transistoren abwechselnd Hälften eines Signals. Wie gezeichnet, leitet keiner der Transistoren in Abbildung unten (a) für einen Eingang unter 0,7 Vpeak. Eine praktische Schaltung verbindet den sekundären Mittelabgriff mit einem 0,7 V (oder mehr) Widerstandsteiler anstelle von Masse, um beide Transistoren für echte Klasse B vorzuspannen.

(a) Transformatorgekoppelter Gegentaktverstärker. (b) Direkt gekoppelter Komplementärpaarverstärker ersetzt Transformatoren durch Transistoren.

Die Schaltung in Abbildung oben (b) ist die moderne Version, die die Transformatorfunktionen durch Transistoren ersetzt. Die Transistoren Q1 und Q2 sind Verstärker mit gemeinsamem Emitter, die das Signal mit Verstärkung von der Basis zum Kollektor invertieren. Die Transistoren Q3 und Q4 sind als komplementäres Paar bekannt weil diese NPN- und PNP-Transistoren abwechselnde Hälften (positiv bzw. negativ) der Wellenform verstärken. Die Parallelschaltung der Basen ermöglicht eine Phasenteilung ohne Eingangstransformator bei (a). Der Lautsprecher ist die Emitterlast für Q3 und Q4. Durch Parallelschaltung der Emitter der NPN- und PNP-Transistoren entfällt der mittig angezapfte Ausgangsübertrager bei (a) Die niedrige Ausgangsimpedanz des Emitterfolgers dient der Anpassung der niedrigen 8 Impedanz des Lautsprechers an die vorgeschaltete Common-Emitter-Stufe. Somit ersetzen kostengünstige Transistoren Transformatoren. Die vollständige Schaltung finden Sie unter „Direkt gekoppelter komplementärer Symmetrie-3-W-Audioverstärker“, Ch 9

RÜCKBLICK:

• Die kapazitive Kopplung wirkt wie ein Hochpassfilter am Eingang eines Verstärkers. Dies führt dazu, dass die Spannungsverstärkung des Verstärkers bei niedrigeren Signalfrequenzen abnimmt. Kapazitiv gekoppelte Verstärker reagieren so gut wie nicht auf DC-Eingangssignale.
• Die direkte Kopplung mit einem Serienwiderstand anstelle eines Serienkondensators vermeidet das Problem der frequenzabhängigen Verstärkung, hat jedoch den Nachteil, dass die Verstärkerverstärkung für alle Signalfrequenzen durch Dämpfung des Eingangssignals reduziert wird.
• Transformatoren und Kondensatoren können verwendet werden, um den Ausgang eines Verstärkers mit einer Last zu koppeln, um zu verhindern, dass Gleichspannung zur Last gelangt.
• Mehrstufige Verstärker verwenden oft eine kapazitive Kopplung zwischen den Stufen, um Probleme mit der Vorspannung einer Stufe zu vermeiden, die die Vorspannung einer anderen beeinflusst.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt für Bipolartransistor-Vorspannungsschaltungen