Acoplamiento de entrada y salida

Para superar el desafío de crear el voltaje de polarización de CC necesario para la señal de entrada de un amplificador sin recurrir a la inserción de una batería en serie con la fuente de señal de CA, utilizamos un divisor de voltaje conectado a través de la fuente de alimentación de CC. Para que esto funcione en conjunto con una señal de entrada de CA, “acoplamos” la fuente de señal al divisor a través de un capacitor, que actuó como un filtro de paso alto. Con ese filtrado en su lugar, la baja impedancia de la fuente de señal de CA no podría "cortocircuitar" el voltaje de CC que cae a través de la resistencia inferior del divisor de voltaje. Una solución simple, pero no exenta de desventajas.

Lo más obvio es el hecho de que el uso de un condensador de filtro de paso alto para acoplar la fuente de señal al amplificador significa que el amplificador solo puede amplificar señales de CA. Un voltaje de CC constante aplicado a la entrada sería bloqueado por el condensador de acoplamiento tanto como el voltaje de polarización del divisor de voltaje se bloquea en la fuente de entrada. Además, dado que la reactancia capacitiva depende de la frecuencia, las señales de CA de baja frecuencia no se amplificarán tanto como las señales de alta frecuencia. Las señales no sinusoidales tenderán a distorsionarse, ya que el capacitor responde de manera diferente a cada uno de los armónicos constituyentes de la señal.

Un ejemplo extremo de esto sería una señal de onda cuadrada de baja frecuencia en la siguiente figura.

La onda cuadrada de baja frecuencia acoplada capacitivamente muestra distorsión.

Por cierto, este mismo problema ocurre cuando las entradas del osciloscopio están configuradas en el modo de "acoplamiento de CA" como se muestra en la siguiente figura.

En este modo, se inserta un condensador de acoplamiento en serie con la señal de voltaje medida para eliminar cualquier desplazamiento vertical de la forma de onda mostrada debido al voltaje de CC combinado con la señal. Esto funciona bien cuando el componente de CA de la señal medida es de una frecuencia bastante alta y el capacitor ofrece poca impedancia a la señal. Sin embargo, si la señal es de baja frecuencia o contiene niveles considerables de armónicos en un amplio rango de frecuencia, las pantallas del osciloscopio de la forma de onda no serán precisas.

Las señales de baja frecuencia se pueden ver configurando el osciloscopio en "acoplamiento CC" en la figura siguiente.

Con acoplamiento de CC, el osciloscopio indica correctamente la forma de la onda cuadrada procedente del generador de señal.

Baja frecuencia:con el acoplamiento de CA, el filtrado de paso alto del condensador de acoplamiento distorsiona la forma de la onda cuadrada de modo que lo que se ve no es una representación precisa de la señal real.

Acoplamiento directo

En aplicaciones donde las limitaciones del acoplamiento capacitivo (considerando la figura anterior) serían intolerables, se puede usar otra solución: acoplamiento directo . El acoplamiento directo evita el uso de condensadores o cualquier otro componente de acoplamiento dependiente de la frecuencia en favor de resistencias. En la siguiente figura se muestra un circuito amplificador de acoplamiento directo.

Amplificador de acoplamiento directo:acoplamiento directo al altavoz.

Sin condensador para filtrar la señal de entrada, esta forma de acoplamiento no presenta dependencia de la frecuencia. Las señales de CC y CA serán amplificadas por el transistor con la misma ganancia (el transistor mismo puede tender a amplificar algunas frecuencias mejor que otras, ¡pero ese es otro tema!).

Si el acoplamiento directo funciona tanto para CC como para señales de CA, entonces ¿por qué utilizar el acoplamiento capacitivo para cualquiera ¿solicitud? Una razón podría ser evitar cualquier no deseado Voltaje de polarización de CC presente de forma natural en la señal que se va a amplificar. Algunas señales de CA pueden superponerse a un voltaje de CC no controlado directamente desde la fuente, y un voltaje de CC no controlado haría imposible una polarización confiable del transistor. El filtrado de paso alto que ofrece un condensador de acoplamiento funcionaría bien aquí para evitar problemas de polarización.

Otra razón para utilizar el acoplamiento capacitivo en lugar del directo es su relativa falta de atenuación de la señal. El acoplamiento directo a través de una resistencia tiene la desventaja de atenuar la señal de entrada de modo que solo una fracción de ella llega a la base del transistor. En muchas aplicaciones, es necesaria cierta atenuación de todos modos para evitar que los niveles de señal "sobrecarguen" el transistor en el corte y la saturación, por lo que cualquier atenuación inherente a la red de acoplamiento es útil de todos modos. Sin embargo, algunas aplicaciones requieren que haya no pérdida de señal de la conexión de entrada a la base del transistor para una ganancia de voltaje máxima, y ​​un esquema de acoplamiento directo con un divisor de voltaje para polarización simplemente no será suficiente.

Hasta ahora, hemos discutido un par de métodos para acoplar una entrada señal a un amplificador, pero no hemos abordado el problema de acoplar la salida de un amplificador a una carga. El circuito de ejemplo utilizado para ilustrar el acoplamiento de entrada servirá bien para ilustrar los problemas relacionados con el acoplamiento de salida.

En nuestro circuito de ejemplo, la carga es un altavoz. La mayoría de los altavoces son de diseño electromagnético:es decir, utilizan la fuerza generada por una bobina electromagnética ligera suspendida dentro de un fuerte campo de imán permanente para mover un papel delgado o un cono de plástico, produciendo vibraciones en el aire que nuestros oídos interpretan como sonido. Un voltaje aplicado de una polaridad mueve el cono hacia afuera, mientras que un voltaje de polaridad opuesta moverá el cono hacia adentro. Para aprovechar la total libertad de movimiento del cono, el altavoz debe recibir voltaje de CA verdadero (imparcial). La polarización de CC aplicada a la bobina del altavoz desplaza el cono de su posición central natural, y esto limita el movimiento hacia adelante y hacia atrás que puede sostener desde el voltaje de CA aplicado sin sobrecargar. Sin embargo, nuestro circuito de ejemplo aplica un voltaje variable de solo uno polaridad a través del altavoz, porque el altavoz está conectado en serie con el transistor que solo puede conducir la corriente en una dirección. Esto sería inaceptable para cualquier amplificador de audio de alta potencia.

De alguna manera necesitamos aislar el altavoz de la polarización de CC de la corriente del colector para que solo reciba voltaje de CA. Una forma de lograr este objetivo es acoplar el circuito colector del transistor al altavoz a través de un transformador en la Figura siguiente.

El acoplamiento del transformador aísla la CC de la carga (altavoz).

El voltaje inducido en el secundario (lado del altavoz) del transformador se debe estrictamente a variaciones en corriente de colector porque la inductancia mutua de un transformador solo funciona en cambios en corriente sinuosa. En otras palabras, solo la parte de CA de la señal de corriente del colector se acoplará al lado secundario para alimentar el altavoz. El altavoz "verá" corriente alterna verdadera en sus terminales, sin polarización de CC.

El acoplamiento de salida del transformador funciona y tiene el beneficio adicional de poder proporcionar una adaptación de impedancia entre el circuito del transistor y la bobina del altavoz con relaciones de bobinado personalizadas. Sin embargo, los transformadores tienden a ser grandes y pesados, especialmente para aplicaciones de alta potencia. Además, es difícil diseñar un transformador para manejar señales en una amplia gama de frecuencias, que casi siempre se requiere para aplicaciones de audio. Para empeorar las cosas, la corriente CC a través del devanado primario se suma a la magnetización del núcleo en una sola polaridad, lo que tiende a hacer que el núcleo del transformador se sature más fácilmente en un ciclo de polaridad CA que en el otro. Este problema recuerda a tener el altavoz conectado directamente en serie con el transistor:una corriente de polarización de CC tiende a limitar la amplitud de la señal de salida que el sistema puede manejar sin distorsión. Sin embargo, en general, un transformador puede diseñarse para manejar mucha más corriente de polarización de CC que un altavoz sin tener problemas, por lo que el acoplamiento del transformador sigue siendo una solución viable en la mayoría de los casos. Vea el transformador de acoplamiento entre Q4 y el altavoz, Regency TR1, Ch 9 como un ejemplo de acoplamiento de transformador.

Otro método para aislar el altavoz de la polarización de CC en la señal de salida es alterar un poco el circuito y usar un condensador de acoplamiento de una manera similar a acoplar la señal de entrada (Figura siguiente) al amplificador.

El acoplamiento de condensadores aísla la CC de la carga.

Este circuito en la Figura anterior se asemeja a la forma más convencional de un amplificador de emisor común, con el colector de transistores conectado a la batería a través de una resistencia. El condensador actúa como un filtro de paso alto, pasando la mayor parte del voltaje de CA al altavoz mientras bloquea todo el voltaje de CC. Nuevamente, el valor de este condensador de acoplamiento se elige de modo que su impedancia a la frecuencia de señal esperada sea arbitrariamente baja.

El bloqueo del voltaje de CC de la salida de un amplificador, ya sea a través de un transformador o un condensador, es útil no solo para acoplar un amplificador a una carga, sino también para acoplar un amplificador a otro amplificador. Los amplificadores "escalonados" se utilizan a menudo para lograr ganancias de potencia más altas de lo que sería posible con un solo transistor, como se muestra en la Figura siguiente.

Amplificador de emisor común de tres etapas acoplado por condensador.

Si bien es posible acoplar directamente cada etapa a la siguiente (a través de una resistencia en lugar de un condensador), esto hace que todo el amplificador sea muy sensible a las variaciones en el voltaje de polarización de CC de la primera etapa, ya que ese voltaje de CC se amplificará junto con la señal de CA hasta la última etapa. En otras palabras, el sesgo de la primera etapa afectará al sesgo de la segunda etapa, y así sucesivamente. Sin embargo, si las etapas están acopladas capacitivamente como se muestra en la ilustración anterior, la polarización de una etapa no afecta la polarización de la siguiente, porque el voltaje de CC no puede pasar a la siguiente etapa.

El acoplamiento de transformadores entre etapas de amplificador también es una posibilidad, pero se ve con menos frecuencia debido a algunos de los problemas inherentes a los transformadores mencionados anteriormente. Una excepción notable a esta regla son los amplificadores de radiofrecuencia (Figura siguiente) con pequeños transformadores de acoplamiento, que tienen núcleos de aire (lo que los hace inmunes a los efectos de saturación), que forman parte de un circuito resonante para bloquear el paso de frecuencias armónicas no deseadas a las siguientes. etapas. El uso de circuitos resonantes supone que la frecuencia de la señal permanece constante, lo cual es típico de los circuitos de radio. Además, el efecto de "volante" de los circuitos del tanque LC permite una operación de clase C para una alta eficiencia.

El amplificador de RF sintonizado de tres etapas ilustra el acoplamiento del transformador.

Observe el acoplamiento del transformador entre los transistores Q1, Q2, Q3 y Q4, Regency TR1, Ch 9. Los tres transformadores de frecuencia intermedia (IF) dentro de los cuadros discontinuos acoplan la señal IF del colector a la base de los siguientes amplificadores IF del transistor. La frecuencia intermedia Los amplificadores son amplificadores de RF, sin embargo, a una frecuencia diferente a la entrada de RF de la antena.

Dicho todo esto, cabe mencionar que es posible utilizar acoplamiento directo dentro de un circuito amplificador de transistor de múltiples etapas. En los casos en los que se espera que el amplificador maneje señales de CC, esta es la única alternativa.

La tendencia de la electrónica al uso más generalizado de circuitos integrados ha fomentado el uso del acoplamiento directo sobre el acoplamiento de transformadores o condensadores. El único componente de circuito integrado de fácil fabricación es el transistor. También se pueden producir resistencias de calidad moderada. Sin embargo, se prefieren los transistores. Son posibles los condensadores integrados a solo unas pocas decenas de pF. Los condensadores grandes no son integrables. Si es necesario, estos pueden ser componentes externos. Lo mismo ocurre con los transformadores. Dado que los transistores integrados son económicos, se sustituyen tantos transistores como sea posible por los condensadores y transformadores perjudiciales. Se diseña tanta ganancia de acoplamiento directo como sea posible en los circuitos integrados entre los componentes de acoplamiento externos. Si bien se utilizan condensadores y transformadores externos, estos incluso se están diseñando si es posible. El resultado es que una radio IC moderna (consulte "Radio IC", capítulo 9) no se parece en nada a la radio original de 4 transistores Regency TR1, capítulo 9.

Incluso los transistores discretos son económicos en comparación con los transformadores. Los transformadores de audio voluminosos se pueden reemplazar por transistores. Por ejemplo, una configuración de colector común (seguidor de emisor) puede igualar la impedancia con una impedancia de salida baja como un altavoz. También es posible reemplazar condensadores de acoplamiento grandes con circuitos de transistores.

Todavía nos gusta ilustrar textos con amplificadores de audio acoplados por transformador. Los circuitos son sencillos. El recuento de componentes es bajo. Y estos son buenos circuitos introductorios, fáciles de entender.

El circuito de la Figura siguiente (a) es un push-pull acoplado por transformador simplificado amplificador de audio. En push-pull, un par de transistores amplifican alternativamente las porciones positivas y negativas de la señal de entrada. Ninguno de los transistores conduce sin entrada de señal. Una señal de entrada positiva será positiva en la parte superior del secundario del transformador, lo que provocará que el transistor superior conduzca. Una entrada negativa producirá una señal positiva en la parte inferior del secundario, impulsando el transistor inferior a la conducción. Por tanto, los transistores amplifican mitades alternas de una señal. Como se muestra, ninguno de los transistores de la Figura siguiente (a) conducirá para una entrada por debajo de 0,7 Vpico. Un circuito práctico conecta la toma central secundaria a un divisor de resistencia de 0.7 V (o más) en lugar de tierra para polarizar ambos transistores para la clase B verdadera.

(a) Amplificador push-pull acoplado a transformador. (b) El amplificador de par complementario de acoplamiento directo reemplaza los transformadores con transistores.

El circuito de la Figura anterior (b) es la versión moderna que reemplaza las funciones del transformador con transistores. Los transistores Q1 y Q2 son amplificadores de emisor común, que invierten la señal con ganancia desde la base al colector. Los transistores Q3 y Q4 se conocen como par complementario porque estos transistores NPN y PNP amplifican mitades alternas (positiva y negativa, respectivamente) de la forma de onda. La conexión en paralelo de las bases permite la división de fases sin un transformador de entrada en (a). El altavoz es la carga del emisor para Q3 y Q4. La conexión en paralelo de los emisores de los transistores NPN y PNP elimina el transformador de salida con toma central en (a) La baja impedancia de salida del seguidor del emisor sirve para hacer coincidir la impedancia baja de 8 Ω del altavoz con la etapa de emisor común anterior. Por lo tanto, los transistores económicos reemplazan a los transformadores. Para ver el circuito completo, consulte "Amplificador de audio de 3 w con simetría complementaria de acoplamiento directo", capítulo 9

REVISAR:

• El acoplamiento capacitivo actúa como un filtro de paso alto en la entrada de un amplificador. Esto tiende a hacer que la ganancia de voltaje del amplificador disminuya a frecuencias de señal más bajas. Los amplificadores de acoplamiento capacitivo prácticamente no responden a las señales de entrada de CC.
• El acoplamiento directo con una resistencia en serie en lugar de un condensador en serie evita el problema de la ganancia dependiente de la frecuencia, pero tiene la desventaja de reducir la ganancia del amplificador para todas las frecuencias de señal al atenuar la señal de entrada.
• Se pueden usar transformadores y capacitores para acoplar la salida de un amplificador a una carga, para evitar que el voltaje de CC llegue a la carga.
• Los amplificadores de múltiples etapas a menudo hacen uso de acoplamiento capacitivo entre etapas para eliminar problemas con el sesgo de una etapa que afecta el sesgo de otra.

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Hoja de trabajo de circuitos de polarización de transistores bipolares