放大器输入输出耦合技术：电容、直接与变压器耦合

概述

设计放大器时，挑战往往在于在不将电池串联在交流源串的情况下为输入信号提供必要的直流偏置。常见方案是跨直流电源使用分压器，并用电容将交流输入耦合到分压器，形成高通滤波器。该技术在允许交流信号通过的同时保持晶体管的偏置电压，但引入了必须理解的几个权衡。

电容耦合是简单音频和信号处理电路中最广泛使用的方法。然而，它有两个关键限制：

例如，低频方波通过耦合电容后严重失真，如附图所示。在示波器测量中，设置为“交流耦合”也会观察到相同效果。切换到“直流耦合”可恢复真实波形。

直接耦合仅使用电阻元件为晶体管偏置，消除频率依赖。电路简单：分压器提供基极偏置，输入信号直接施加到基极。因无电容，交流和直流分量均等幅放大。

当输入信号可能包含不可控的直流偏移而破坏偏置，或需要最大电压增益且无衰减时，直接耦合是理想选择。但在多级级联时，可能对第一级偏置变化敏感，因为直流偏置会沿整条链传播。

许多放大器设计中，输出必须驱动扬声器等负载，需要纯交流电压。隔离负载直流偏置的两种主要策略：

变压器耦合：集电极与扬声器间的变压器确保仅传递集电极电流的交流变化。次级绕组为扬声器提供真正的交流电压。变压器还提供阻抗匹配，但体积庞大且难以设计宽频音频信号。若初级绕组承载直流偏置可能饱和，限制输出摆幅。
电容耦合：与扬声器串联的耦合电容阻隔直流而通交流。电容值选取使其在所需信号频率下抗性可忽略，确保音频信号最小衰减。

两种方法也用于级间耦合。多级共发射极放大器中，级间电容耦合防止一级偏置影响下一级，简化偏置稳定性。

射频（RF）应用中，级间常用小型空芯变压器。其谐振电路阻隔不需要谐波并实现 C 类工作以获高效。与音频变压器不同，这些射频变压器针对窄带信号设计，避免了音频功率变压器常见的饱和问题。

随着集成电路（IC）普及，设计师越来越多地依赖直接耦合和晶体管网络替代笨重变压器和大耦合电容。例如 IC 收音机用紧凑的晶体管架构取代经典 4 晶体管 Regency TR1，内部集成偏置和阻抗匹配。

变压器耦合推挽放大器使用互补 NPN/PNP 对驱动中心抽头变压器的扬声器。现代设计用互补晶体管对替代变压器，实现相同的 B 类或 AB 类工作，同时消除变压器体积和成本。