输入输出耦合

为了克服为放大器的输入信号创建必要的直流偏置电压而无需插入与交流信号源串联的电池的挑战，我们使用了跨直流电源连接的分压器。为了与交流输入信号结合使用，我们通过一个电容器将信号源“耦合”到分压器，该电容器充当高通滤波器。有了这种过滤，交流信号源的低阻抗就无法“短路”分压器底部电阻上下降的直流电压。一个简单的解决方案，但并非没有任何缺点。

最明显的是，使用高通滤波电容将信号源耦合到放大器意味着放大器只能放大交流信号。施加到输入端的稳定直流电压会被耦合电容器阻挡，就像分压器偏置电压被输入源阻挡一样。此外，由于容抗与频率有关，因此低频交流信号不会像高频信号那样放大。非正弦信号往往会失真，因为电容器对信号的每个组成谐波的响应不同。

一个极端的例子是下图中的低频方波信号。

电容耦合低频方波失真。

顺便说一下，当示波器输入设置为“交流耦合”模式时，也会出现同样的问题，如下图所示。

在这种模式下，耦合电容器与测量的电压信号串联插入，以消除由于直流电压与信号组合而导致的显示波形的任何垂直偏移。当被测信号的交流分量具有相当高的频率并且电容器对信号提供很小的阻抗时，这可以正常工作。但是，如果信号为低频信号，或者在很宽的频率范围内包含大量谐波，示波器显示的波形将不准确。

下图中将示波器设置为“直流耦合”可以查看低频信号。

通过直流耦合，示波器可以正确指示信号发生器发出的方波形状。

低频：交流耦合时，耦合电容的高通滤波会扭曲方波的形状，从而导致所看到的不是真实信号的准确表示。

直接耦合

在电容耦合的限制（考虑上图）无法忍受的应用中，可以使用另一种解决方案： 直接耦合 .直接耦合避免使用电容器或任何其他依赖于频率的耦合组件而有利于电阻器。直接耦合放大电路如下图所示。

直接耦合放大器：直接耦合到扬声器。

由于没有电容器来过滤输入信号，这种耦合形式不表现出频率相关性。 DC 和 AC 信号都将被具有相同增益的晶体管放大（晶体管本身可能会比其他频率放大一些频率更好，但这完全是另一回事！）。

如果直接耦合既适用于直流信号也适用于交流信号，那么为什么要对任何使用电容耦合 应用？一个原因可能是避免任何不需要的 直流偏置电压自然存在于要放大的信号中。一些交流信号可能直接叠加在来自电源的不受控制的直流电压上，不受控制的直流电压会使可靠的晶体管偏置变得不可能。耦合电容器提供的高通滤波在这里可以很好地避免偏置问题。

使用电容耦合而不是直接耦合的另一个原因是它相对没有信号衰减。通过电阻直接耦合的缺点是会衰减输入信号，因此只有一小部分到达晶体管的基极。在许多应用中，无论如何都需要一些衰减来防止信号电平“过度驱动”晶体管进入截止和饱和状态，因此耦合网络固有的任何衰减无论如何都是有用的。但是，某些应用程序要求没有 从输入连接到晶体管基极的信号损失以获得最大电压增益，并且带有用于偏置的分压器的直接耦合方案根本不够。

到目前为止，我们已经讨论了几种耦合输入的方法 信号到放大器，但尚未解决耦合放大器输出的问题 到负载。用于说明输入耦合的示例电路将很好地说明与输出耦合有关的问题。

在我们的示例电路中，负载是扬声器。大多数扬声器在设计上都是电磁式的：也就是说，它们利用悬挂在强永磁场中的轻型电磁线圈产生的力来移动薄纸或塑料锥体，在空气中产生振动，我们的耳朵将其解读为声音。施加一个极性的电压会使锥体向外移动，而相反极性的电压会使锥体向内移动。为了充分利用锥体的运动自由度，扬声器必须接收真正的（无偏的）交流电压。施加到扬声器线圈的直流偏置使锥体偏离其自然中心位置，这限制了它可以通过施加的交流电压维持的来回运动而不会过度移动。然而，我们的示例电路只应用了一个的变化电压 扬声器的极性，因为扬声器与只能以一种方式传导电流的晶体管串联。这对于任何高功率音频放大器来说都是不可接受的。

我们需要以某种方式将扬声器与集电极电流的直流偏置隔离，使其仅接收交流电压。实现这一目标的一种方法是通过下图中的变压器将晶体管集电极电路耦合到扬声器。

变压器耦合将直流与负载（扬声器）隔离。

变压器次级（扬声器侧）的感应电压将严格由于变化 在集电极电流中，因为变压器的互感只对变化起作用 在绕组电流。换句话说，只有集电极电流信号的交流部分会耦合到次级侧来为扬声器供电。扬声器将在其端子上“看到”真正的交流电，没有任何直流偏置。

变压器输出耦合工作并具有额外的好处，即能够在晶体管电路和具有自定义绕组比的扬声器线圈之间提供阻抗匹配。然而，变压器往往又大又重，特别是对于大功率应用。此外，很难设计一个变压器来处理很宽频率范围内的信号，而这几乎总是音频应用所需要的。更糟糕的是，通过初级绕组的直流电流仅在一个极性中增加了磁芯的磁化强度，这往往会使变压器磁芯在一个 AC 极性周期中比另一个更容易饱和。这个问题让人想起将扬声器直接与晶体管串联：直流偏置电流往往会限制系统可以在不失真的情况下处理多少输出信号幅度。不过，一般来说，变压器可以设计为比扬声器处理更多的直流偏置电流而不会遇到问题，因此在大多数情况下变压器耦合仍然是一个可行的解决方案。参见 Q4 和扬声器之间的耦合变压器 Regency TR1, Ch 9 作为变压器耦合的示例。

另一种将扬声器与输出信号中的直流偏置隔离的方法是稍微改变电路并使用耦合电容器，其方式类似于将输入信号（下图）耦合到放大器。

电容耦合将直流与负载隔离。

上图中的这个电路类似于更传统的共发射极放大器形式，晶体管集电极通过电阻连接到电池。电容器充当高通滤波器，将大部分交流电压传递到扬声器，同时阻止所有直流电压。再次选择耦合电容的值，使其在预期信号频率下的阻抗任意低。

通过变压器或电容器阻止放大器输出的直流电压不仅在将放大器耦合到负载时有用，而且在将一个放大器耦合到另一个放大器时也很有用。 “分级”放大器通常用于实现比使用单个晶体管可能获得的功率增益更高的功率增益，如下图所示。

电容耦合三级共发射极放大器。

虽然可以将每一级直接耦合到下一级（通过电阻器而不是电容器），但这使得整个放大器非常 对第一级直流偏置电压的变化敏感，因为直流电压将与交流信号一起放大，直到最后一级。换句话说，第一阶段的偏置会影响第二阶段的偏置，依此类推。但是，如果上图所示的级是电容耦合的，则一级的偏置不会影响下一级的偏置，因为直流电压被阻止传递到下一级。

放大器级之间的变压器耦合也是一种可能性，但由于前面提到的变压器固有的一些问题，很少见。这一规则的一个显着例外是在带有小型耦合变压器的射频放大器（下图）中，具有空气芯（使其不受饱和效应的影响），它们是谐振电路的一部分，用于阻止不需要的谐波频率传递到后续阶段。谐振电路的使用假定信号频率保持恒定，这是无线电电路的典型特征。此外，LC 谐振电路的“飞轮”效应允许 C 类操作以实现高效率。

三级调谐射频放大器说明变压器耦合。

请注意晶体管 Q1、Q2、Q3 和 Q4、Regency TR1、Ch 9 之间的变压器耦合。虚线框中的三个中频 (IF) 变压器将 IF 信号从集电极耦合到后续晶体管 IF 放大器的基极。 中频 放大器是射频放大器，但频率与天线射频输入不同。

说了这么多，必须要提到的是它是 可以在多级晶体管放大器电路中使用直接耦合。在放大器需要处理直流信号的情况下，这是唯一的选择。

集成电路更广泛使用的电子学趋势鼓励使用直接耦合而不是变压器或电容器耦合。唯一容易制造的集成电路元件是晶体管。也可以生产中等质量的电阻器。不过，晶体管受到青睐。集成电容器只有几十 pF 是可能的。大电容器不可集成。如有必要，这些可以是外部组件。变压器也是同样的道理。由于集成晶体管价格低廉，因此使用尽可能多的晶体管来代替有问题的电容器和变压器。将尽可能多的直接耦合增益设计到外部耦合组件之间的 IC 中。虽然使用了外部电容器和变压器，但如果可能的话，它们甚至会被设计出来。结果是现代 IC 收音机（参见“IC 收音机”，第 9 章）看起来与最初的 4 晶体管收音机 Regency TR1，第 9 章完全不同。

与变压器相比，即使是分立晶体管也很便宜。笨重的音频变压器可以用晶体管代替。例如，共集电极（发射极跟随器）配置可以像扬声器一样阻抗匹配低输出阻抗。也可以用晶体管电路代替大耦合电容。

我们仍然喜欢用变压器耦合音频放大器来说明文本。电路很简单。组件数量少。而且，这些都是很好的介绍性电路 - 易于理解。

下图（a）中的电路是一个简化的变压器耦合推挽 音频放大器。在推挽中，一对晶体管交替放大输入信号的正负部分。没有信号输入时，两个晶体管都不导通。变压器次级顶部的正输入信号将为正，导致顶部晶体管导通。负输入将在次级底部产生正信号，驱动底部晶体管导通。因此，晶体管放大信号的交替一半。如图所示，下图 (a) 中的晶体管都不会在低于 0.7 Vpeak 的输入下导通。一个实用的电路将次级中心抽头连接到一个 0.7 V（或更大）的电阻分压器而不是接地，以便为真正的 B 类偏置两个晶体管。

(a) 变压器耦合推挽放大器。 (b) 直接耦合互补对放大器用晶体管代替变压器。

上图 (b) 中的电路是现代版本，用晶体管取代了变压器功能。晶体管 Q1 和 Q2 是共发射极放大器，将信号从基极到集电极的增益反相。晶体管 Q3 和 Q4 被称为互补对 因为这些 NPN 和 PNP 晶体管放大波形的交替一半（分别为正和负）。底座的并联连接允许在 (a) 处没有输入变压器的情况下进行分相。扬声器是 Q3 和 Q4 的发射器负载。 NPN 和 PNP 晶体管发射极的并联连接消除了 (a) 处的中心抽头输出变压器。射极跟随器的低输出阻抗用于将扬声器的 8 Ω 低阻抗与前面的共发射极级相匹配。因此，廉价的晶体管取代了变压器。完整电路参见“直接耦合互补对称 3 w 音频放大器”，第 9 章

评论：

• 电容耦合就像放大器输入端的高通滤波器一样。这往往会使放大器的电压增益在信号频率较低时降低。电容耦合放大器几乎对直流输入信号无响应。
• 与串联电阻器而不是串联电容器直接耦合可避免频率相关增益的问题，但缺点是通过衰减输入信号来降低所有信号频率的放大器增益。
• 变压器和电容器可用于将放大器的输出耦合到负载，以消除直流电压到达负载。
• 多级放大器通常利用级之间的电容耦合来消除一级偏置影响另一级偏置的问题。

相关工作表：

• 双极晶体管偏置电路工作表