입력 및 출력 결합

AC 신호 소스와 직렬로 배터리를 삽입하지 않고 증폭기의 입력 신호에 필요한 DC 바이어스 전압을 생성하는 문제를 극복하기 위해 DC 전원에 연결된 전압 분배기를 사용했습니다. AC 입력 신호와 함께 이 작업을 수행하기 위해 하이패스 필터 역할을 하는 커패시터를 통해 신호 소스를 분배기에 "결합"했습니다. 해당 필터링을 사용하면 AC 신호 소스의 낮은 임피던스가 전압 분배기의 하단 저항에서 떨어지는 DC 전압을 "단락"할 수 없습니다. 간단한 솔루션이지만 단점이 없는 것은 아닙니다.

가장 분명한 사실은 고역 통과 필터 커패시터를 사용하여 신호 소스를 증폭기에 연결하면 증폭기가 AC 신호만 증폭할 수 있다는 것을 의미합니다. 전압 분배기 바이어스 전압이 입력 소스에서 차단되는 만큼 입력에 적용된 안정적인 DC 전압은 커플링 커패시터에 의해 차단됩니다. 또한 용량성 리액턴스는 주파수에 따라 달라지므로 저주파 AC 신호는 고주파 신호만큼 증폭되지 않습니다. 비정현파 신호는 커패시터가 신호의 구성 고조파 각각에 다르게 반응하기 때문에 왜곡되는 경향이 있습니다.

이에 대한 극단적인 예는 아래 그림의 저주파 구형파 신호입니다.

용량 결합 저주파 구형파는 왜곡을 보여줍니다.

덧붙여서, 아래 그림과 같이 오실로스코프 입력이 "AC 커플링" 모드로 설정된 경우에도 이와 동일한 문제가 발생합니다.

이 모드에서 커플링 커패시터는 측정된 전압 신호와 직렬로 삽입되어 신호와 결합된 DC 전압으로 인해 표시된 파형의 수직 오프셋을 제거합니다. 이것은 측정된 신호의 AC 구성 요소가 상당히 높은 주파수이고 커패시터가 신호에 거의 임피던스를 제공하지 않을 때 잘 작동합니다. 그러나 신호가 저주파이거나 넓은 주파수 범위에 걸쳐 상당한 수준의 고조파를 포함하는 경우 파형의 오실로스코프 표시가 정확하지 않습니다.

아래 그림에서 오실로스코프를 "DC 커플링"으로 설정하면 저주파 신호를 볼 수 있습니다.

DC 커플링을 사용하면 오실로스코프가 신호 발생기에서 나오는 구형파의 모양을 적절하게 표시합니다.

저주파:AC 커플링을 사용하면 커플링 커패시터의 고역 통과 필터링이 구형파의 모양을 왜곡하여 보이는 것이 실제 신호의 정확한 표현이 아닙니다.

직접 결합

용량성 결합의 한계(위 그림 고려)가 견딜 수 없는 애플리케이션에서는 다른 솔루션을 사용할 수 있습니다. 직접 결합 . 직접 커플링은 커패시터나 다른 주파수 종속 커플링 부품을 사용하지 않고 저항을 사용합니다. 직접 결합 증폭기 회로는 아래 그림과 같습니다.

직접 결합 증폭기:스피커에 직접 결합.

입력 신호를 필터링하는 커패시터가 없기 때문에 이러한 형태의 커플링은 주파수 의존성을 나타내지 않습니다. DC 및 AC 신호는 모두 동일한 이득으로 트랜지스터에 의해 증폭됩니다(트랜지스터 자체가 일부 주파수를 다른 주파수보다 더 잘 증폭하는 경향이 있을 수 있지만 이는 완전히 다른 주제입니다!).

DC 및 AC 신호에 대해 직접 커플링이 작동한다면 모든 에 용량성 커플링을 사용하는 이유는 무엇입니까? 애플리케이션? 한 가지 이유는 원치 않는 증폭할 신호에 자연적으로 존재하는 DC 바이어스 전압. 일부 AC 신호는 소스에서 바로 제어되지 않은 DC ​​전압에 중첩될 수 있으며 제어되지 않은 DC ​​전압은 안정적인 트랜지스터 바이어싱을 불가능하게 만듭니다. 커플링 커패시터가 제공하는 고역 통과 필터링은 바이어스 문제를 피하기 위해 여기에서 잘 작동합니다.

직접보다 용량성 결합을 사용하는 또 다른 이유는 상대적으로 신호 감쇠가 부족하기 때문입니다. 저항을 통한 직접 결합은 입력 신호를 감쇠시켜 일부만 트랜지스터의 베이스에 도달하도록 하는 단점이 있습니다. 많은 응용 분야에서 신호 레벨이 트랜지스터를 차단 및 포화 상태로 "과도하게 구동"하는 것을 방지하기 위해 어느 정도 감쇠가 필요하므로 결합 네트워크에 내재된 감쇠는 어쨌든 유용합니다. 그러나 일부 응용 프로그램에서는 아니요 최대 전압 이득을 위해 입력 연결에서 트랜지스터 베이스로의 신호 손실과 바이어스를 위한 분압기가 있는 직접 결합 방식으로는 충분하지 않습니다.

지금까지 입력을 결합하는 몇 가지 방법에 대해 논의했습니다. 신호를 증폭기에 연결하지만 증폭기의 출력 연결 문제를 해결하지 않음 부하에. 입력 커플링을 설명하는 데 사용되는 예제 회로는 출력 커플링과 관련된 문제를 잘 설명합니다.

이 예제 회로에서 부하는 스피커입니다. 대부분의 스피커는 설계상 전자기적입니다. 즉, 강한 영구 자석 장 안에 매달린 가벼운 전자석 코일에 의해 생성된 힘을 사용하여 얇은 종이나 플라스틱 원뿔을 움직여 공기 중에 진동을 생성하여 우리의 귀가 소리로 해석하는 것입니다. 한 극성의 전압이 인가되면 원뿔이 바깥쪽으로 이동하고 반대 극성의 전압은 원뿔이 안쪽으로 이동합니다. 콘의 완전한 움직임을 활용하려면 스피커가 실제(편향되지 않은) AC 전압을 수신해야 합니다. 스피커 코일에 적용된 DC 바이어스는 원뿔의 자연스러운 중앙 위치를 오프셋하고, 이는 과도한 이동 없이 적용된 AC 전압에서 유지할 수 있는 앞뒤 움직임을 제한합니다. 그러나 예제 회로는 하나의 다양한 전압만 적용합니다. 스피커는 한 방향으로만 전류를 전도할 수 있는 트랜지스터와 직렬로 연결되어 있기 때문에 스피커 양단의 극성. 이것은 어떤 고출력 오디오 증폭기에도 허용되지 않습니다.

어떻게든 스피커가 AC 전압만 수신하도록 컬렉터 전류의 DC 바이어스에서 스피커를 분리해야 합니다. 이 목표를 달성하는 한 가지 방법은 아래 그림의 변압기를 통해 트랜지스터 컬렉터 회로를 스피커에 연결하는 것입니다.

변압기 커플링은 DC를 부하(스피커)에서 분리합니다.

변압기의 2차(스피커 측)에 유도된 전압은 엄격하게 변동으로 인해 발생합니다. 변압기의 상호 인덕턴스가 변경에서만 작동하기 때문에 컬렉터 전류에서 권선 전류에서. 즉, 컬렉터 전류 신호의 AC 부분만 스피커에 전원을 공급하기 위해 2차측에 결합됩니다. 스피커는 DC 바이어스 없이 단자에서 실제 교류 전류를 "볼" 것입니다.

트랜스포머 출력 커플링은 작동하며 맞춤형 권선 비율로 트랜지스터 회로와 스피커 코일 사이에 임피던스 매칭을 제공할 수 있다는 추가 이점이 있습니다. 그러나 변압기는 특히 고전력 애플리케이션의 경우 크고 무거운 경향이 있습니다. 또한 오디오 애플리케이션에 거의 항상 필요한 광범위한 주파수에서 신호를 처리하도록 트랜스포머를 설계하는 것은 어렵습니다. 설상가상으로 1차 권선을 통한 DC 전류는 한 극성에서만 코어의 자화를 추가하므로 변압기 코어가 다른 AC 극성 사이클보다 한 AC 극성 사이클에서 더 쉽게 포화되는 경향이 있습니다. 이 문제는 스피커를 트랜지스터와 직렬로 직접 연결하는 것과 유사합니다. DC 바이어스 전류는 시스템이 왜곡 없이 처리할 수 있는 출력 신호 진폭을 제한하는 경향이 있습니다. 그러나 일반적으로 변압기는 문제 없이 스피커보다 훨씬 더 많은 DC 바이어스 전류를 처리하도록 설계할 수 있으므로 대부분의 경우 변압기 커플링이 여전히 실행 가능한 솔루션입니다. 트랜스포머 커플링의 예로 Q4와 스피커 사이의 커플링 트랜스포머, Regency TR1, Ch 9를 참조하십시오.

스피커를 출력 신호의 DC 바이어스로부터 분리하는 또 다른 방법은 회로를 약간 변경하고 입력 신호(아래 그림)를 증폭기에 결합하는 것과 유사한 방식으로 결합 커패시터를 사용하는 것입니다.

커패시터 커플링은 DC를 부하에서 분리합니다.

위의 그림에서 이 회로는 저항을 통해 배터리에 연결된 트랜지스터 컬렉터가 있는 보다 일반적인 형태의 공통 이미 터 증폭기와 유사합니다. 커패시터는 모든 DC 전압을 차단하면서 대부분의 AC 전압을 스피커로 전달하는 고역 통과 필터 역할을 합니다. 다시 말하지만, 이 결합 커패시터의 값은 예상 신호 주파수에서 임피던스가 임의로 낮도록 선택됩니다.

변압기 또는 커패시터를 통한 증폭기 출력의 DC 전압 차단은 증폭기를 부하에 연결하는 것뿐만 아니라 한 증폭기를 다른 증폭기에 연결하는 데에도 유용합니다. "스테이지" 증폭기는 종종 아래 그림과 같이 단일 트랜지스터를 사용하여 가능한 것보다 더 높은 전력 이득을 달성하는 데 사용됩니다.

커패시터 결합 3단 공통 이미미터 증폭기.

각 단계를 다음 단계에 직접 연결하는 것이 가능하지만(커패시터가 아닌 저항을 통해) 이렇게 하면 전체 증폭기가 매우 DC 전압은 마지막 단계까지 AC 신호와 함께 증폭되기 때문에 첫 번째 단계의 DC 바이어스 전압의 변화에 ​​민감합니다. 즉, 첫 번째 단계의 바이어싱은 두 번째 단계의 바이어스에 영향을 주는 식으로 계속됩니다. 그러나 위의 그림과 같이 스테이지를 용량 결합하면 DC 전압이 다음 스테이지로 전달되는 것을 차단하기 때문에 한 스테이지의 바이어스가 다음 스테이지의 바이어스에 영향을 미치지 않습니다.

증폭기 단 사이의 변압기 커플링도 가능하지만 앞서 언급한 변압기 고유의 문제로 인해 덜 자주 나타납니다. 이 규칙의 한 가지 주목할만한 예외는 공진 회로의 일부인 공진 회로의 일부인 공진 회로의 일부인 공진 회로의 일부인 공기 코어가 있는 소형 커플링 변압기가 있는 무선 주파수 증폭기(아래 그림)입니다. 단계. 공진 회로의 사용은 신호 주파수가 일정하게 유지되는 것으로 가정하며, 이는 무선 회로의 전형입니다. 또한 LC 탱크 회로의 "플라이휠" 효과로 C급 작동이 가능해 효율성이 높습니다.

3단계로 튜닝된 RF 증폭기는 변압기 결합을 보여줍니다.

트랜지스터 Q1, Q2, Q3 및 Q4, Regency TR1, Ch 9 사이의 변압기 결합에 유의하십시오. 점선 상자 안에 있는 3개의 중간 주파수(IF) 변압기는 컬렉터에서 다음 트랜지스터 IF 증폭기의 베이스로 IF 신호를 결합합니다. 중간 빈도 증폭기는 안테나 RF 입력과 다른 주파수의 RF 증폭기입니다.

이 모든 것을 말했지만 이다 다단 트랜지스터 증폭기 회로 내에서 직접 결합을 사용할 수 있습니다. 증폭기가 DC 신호를 처리할 것으로 예상되는 경우 이것이 유일한 대안입니다.

집적 회로의 보다 광범위한 사용에 대한 전자 장치의 경향은 변압기 또는 커패시터 결합보다 직접 결합의 사용을 장려했습니다. 쉽게 제조할 수 있는 집적 회로 부품은 트랜지스터뿐입니다. 적당한 품질의 저항기도 생산할 수 있습니다. 그러나 트랜지스터가 선호됩니다. 몇 10pF의 통합 커패시터가 가능합니다. 큰 커패시터는 통합할 수 없습니다. 필요한 경우 외부 구성 요소가 될 수 있습니다. 트랜스포머도 마찬가지입니다. 통합 트랜지스터는 저렴하기 때문에 문제가 되는 커패시터와 변압기를 가능한 한 많은 트랜지스터로 대체합니다. 가능한 한 많은 직접 결합 이득이 외부 결합 부품 사이의 IC에 설계됩니다. 외부 캐패시터와 트랜스포머를 사용하면서도 가능하면 설계도 하고 있다. 그 결과 최신 IC 라디오("IC 라디오", Ch 9 참조)가 원래의 4-트랜지스터 라디오 Regency TR1, Ch 9와 전혀 달라 보이지 않습니다.

개별 트랜지스터조차도 변압기에 비해 저렴합니다. 부피가 큰 오디오 트랜스포머는 트랜지스터로 대체될 수 있습니다. 예를 들어 공통 컬렉터(이미터 팔로워) 구성은 스피커와 같이 임피던스가 낮은 출력 임피던스와 일치할 수 있습니다. 대형 커플링 커패시터를 트랜지스터 회로로 교체하는 것도 가능합니다.

우리는 여전히 변압기 결합 오디오 증폭기로 텍스트를 설명하는 것을 좋아합니다. 회로는 간단합니다. 구성품 수가 적습니다. 그리고 이것은 이해하기 쉬운 좋은 소개 회로입니다.

아래 그림(a)의 회로는 단순화된 변압기 결합 푸시-풀입니다. 오디오 증폭기. 푸시풀에서는 한 쌍의 트랜지스터가 입력 신호의 양수 부분과 음수 부분을 교대로 증폭합니다. 어떤 트랜지스터도 신호 입력이 없을 때 전도하지 않습니다. 포지티브 입력 신호는 트랜스포머 2차측 상단에서 포지티브가 되어 상단 트랜지스터가 전도됩니다. 음의 입력은 2차측 하단에서 양의 신호를 생성하여 하단 트랜지스터를 전도 상태로 만듭니다. 따라서 트랜지스터는 신호의 반쪽을 번갈아 증폭합니다. 그림에서 알 수 있듯이 아래 그림(a)의 어느 트랜지스터도 0.7Vpeak 미만의 입력에 대해 전도하지 않습니다. 실제 회로는 2차 센터 탭을 접지 대신 0.7V(또는 그 이상) 저항 분배기에 연결하여 실제 클래스 B에 대해 두 트랜지스터를 모두 바이어스합니다.

(a) 변압기 결합 푸시풀 증폭기. (b) 직접 결합된 보완 쌍 증폭기는 변압기를 트랜지스터로 대체합니다.

위 그림(b)의 회로는 변압기 기능을 트랜지스터로 대체한 최신 버전입니다. 트랜지스터 Q1 및 Q2는 베이스에서 콜렉터로 이득이 있는 신호를 반전시키는 공통 이미 터 증폭기입니다. 트랜지스터 Q3 및 Q4는 상보 쌍으로 알려져 있습니다. 이러한 NPN 및 PNP 트랜지스터는 파형의 교대로 반쪽(각각 양수 및 음수)을 증폭하기 때문입니다. 베이스의 병렬 연결은 (a)에서 입력 변압기 없이 위상 분할을 허용합니다. 스피커는 Q3 및 Q4의 이미터 부하입니다. NPN 및 PNP 트랜지스터의 이미 터를 병렬로 연결하면 (a)에서 중앙 탭 출력 변압기가 제거됩니다. 이미 터 팔로워의 낮은 출력 임피던스는 스피커의 낮은 8Ω 임피던스를 이전 공통 이미 터 스테이지와 일치시키는 역할을합니다. 따라서 저렴한 트랜지스터가 변압기를 대체합니다. 전체 회로는 "직접 결합된 상보 대칭 3 w 오디오 증폭기", Ch 9

를 참조하십시오.

검토:

<울>

용량 결합은 증폭기 입력에서 고역 통과 필터와 같은 역할을 합니다. 이것은 더 낮은 신호 주파수에서 증폭기의 전압 이득을 감소시키는 경향이 있습니다. 용량 결합 증폭기는 DC 입력 신호에 거의 반응하지 않습니다.

직렬 커패시터 대신 직렬 저항을 사용하여 직접 결합하면 주파수 종속 이득 문제를 피할 수 있지만 입력 신호를 감쇠하여 모든 신호 주파수에 대한 증폭기 이득을 줄이는 단점이 있습니다.

변압기와 커패시터를 사용하여 증폭기의 출력을 부하에 연결하여 부하에 도달하는 DC 전압을 제거할 수 있습니다.

다단계 증폭기는 종종 한 단계의 바이어스가 다른 단계의 바이어스에 영향을 미치는 문제를 제거하기 위해 단계 간의 용량성 결합을 사용합니다.

관련 워크시트:

<울>

바이폴라 트랜지스터 바이어스 회로 워크시트