第11节 输入输出耦合 (修订中)
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为了克服为放大器的输入信号创建必要的直流偏置电压的挑战，而无需使用与交流信号源串联的电池，我们使用了一个跨接直流电源的[分压器。](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/direct- (opens new window)
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将被耦合电容器阻断，就像分压器偏置电压被阻断来自输入源一样。此外，由于容抗与频率有关，低频交流信号不会像高频信号那样被放大。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。
电容耦合低频方波显示失真。
顺便说一下，当示波器输入设置为“AC 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，耦合电容与测量的电压信号串联，以消除由于与信号结合的直流电压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的阻抗很小时，这可以正常工作。但是，如果信号是低频的，或者在很宽的频率范围内包含相当多的谐波，则示波器显示的波形将不准确。
将示波器设置为下图中的“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来自信号发生器的方波的形状。
低频：对于交流耦合，耦合电容的高通滤波会扭曲方波的形状，因此所看到的并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）无法容忍的应用中，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有利于电阻器的频率相关耦合组件。一个直接耦合放大器电路如下图所示。
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，这种形式的耦合没有频率依赖性。直流和交流信号都将被具有相同增益的晶体管放大（晶体管本身可能倾向于比其他频率更好地放大某些频率，但这完全是另一个主题！）。
如果直接耦合既适用于直流信号也适用于交流信号，那么为什么要在_任何_应用中使用电容耦合呢？一个原因可能是避免在要放大的信号中自然存在任何_不需要的直流偏置电压。_一些交流信号可能会直接叠加在来自源的不受控制的直流电压上，而不受控制的直流电压会使可靠的晶体管偏置 (opens new window)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工作，以避免偏置问题。
使用电容耦合而不是直接耦合的另一个原因是它相对缺乏信号衰减。通过电阻器直接耦合的缺点是会衰减输入信号，使其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。然而，一些应用要求从输入连接到晶体管基极_没有_信号损失，以实现最大电压增益，而使用分压器进行偏置的直接耦合方案根本不够用。
到目前为止，我们已经讨论了几种将_输入_信号耦合到放大器的方法，但还没有解决将放大器的_输出_耦合到负载的问题。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质电磁线圈产生的力来移动薄纸或塑料锥体，从而在空气中产生振动，我们的耳朵会将其解读为声音。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，扬声器必须接收真实（无偏）交流电压。施加到扬声器线圈的直流偏置会使锥体偏离其自然中心位置，这限制了它可以在施加的交流电压下维持的来回运动而不会过度移动。但是，我们的示例电路仅施加一个变化的_电压_扬声器两端的极性，因为扬声器与只能以一种方式传导电流的晶体管串联。这对于任何大功率音频放大器来说都是不可接受的。
不知何故，我们需要将扬声器与集电极电流的直流偏置隔离，以便它只接收交流电压。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）隔离开来。
变压器次级（扬声器侧）感应的电压将严格归因于集电极电流的_变化_，因为变压器的互感仅对绕组电流的_变化起作用。_换言之，只有集电极电流信号的交流部分会耦合到次级侧，为扬声器供电。扬声器将在其终端“看到”真正的交流电，没有任何直流偏置。
变压器输出耦合起作用并且具有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的额外好处。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上增加了磁芯的磁化，这往往使变压器磁芯在一个交流极性周期中比另一个更容易饱和。这个问题让人想起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，一般而言，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麻烦，因此在大多数情况下，变压器耦合仍然是一种可行的解决方案。看Q4和扬声器之间的耦合变压器，Regency TR1, Ch 9 (opens new window)作为变压器耦合的例子。
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，并以类似于将输入信号（下图）耦合到放大器的方式使用耦合电容器。
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射极放大器形式，晶体管集电极通过一个电阻器连接到电池。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，选择该耦合电容器的值，使其在预期信号频率下的阻抗任意低。
通过变压器 (opens new window)或电容器阻断来自放大器输出的直流电压不仅可用于将放大器耦合到负载，而且可用于将一个放大器耦合到另一个放大器。“分级”放大器通常用于实现比使用单个晶体管更高的功率增益，如下图所示。
电容耦合三级共射放大器。
虽然可以将每一级直接耦合到下一级（通过电阻而不是电容器），但这使得整个放大器对第一级直流偏置电压的变化_非常_敏感，因为直流电压将随着交流信号直到最后阶段。也就是说，第一级的偏置会影响第二级的偏置，以此类推。但是，如果上图所示的级是电容耦合的，则一个级的偏置不会影响下一个级的偏置，因为直流电压被阻止传递到下一个级。
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，这种情况很少见。该规则的一个值得注意的例外是射频放大器（下图），带有小型耦合变压器，具有空芯（使其不受饱和效应影响），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。谐振电路的使用假设信号频率保持恒定，这是无线电电路的典型特征。此外，LC 储能电路 (opens new window)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了变压器耦合。
请注意晶体管 Q1、Q2、Q3 和 Q4、Regency TR1、Ch 9 (opens new window)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，必须提到的_是_可以在多级晶体管放大器电路中使用直接耦合。在期望放大器处理直流信号的情况下，这是唯一的选择。
电子学更广泛使用集成电路的趋势鼓励使用变压器或电容器耦合上的直接耦合。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。只有几十个 pF 的集成电容器是可能的。大电容不可积分。如有必要，这些可以是外部组件。变压器也是如此。由于集成晶体管价格低廉，因此尽可能多地用晶体管代替有问题的电容器和变压器。尽可能多的直接耦合增益被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。[Ch 9](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt- Ch 9 (opens new window)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，公共集电极（发射极跟随器）配置可以阻抗匹配扬声器等低输出阻抗。也可以用晶体管电路代替大型耦合电容器。
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](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt- 所示，下图中的晶体管都没有 (opens new window)(a) 将对低于 0.7 Vpeak 的输入进行。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，以偏置两个晶体管以实现真正的 B 类。
(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）中的电路是用晶体管代替变压器功能的现代版本。晶体管 Q1 和 Q2 是共发射极放大器，将具有增益的信号从基极反相到集电极。晶体管 Q3 和 Q4 被称为_互补对_因为这些 NPN 和 PNP 晶体管放大了波形的交替一半（分别为正和负）。底座的并联允许在 (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消除了 (a) 处的中心抽头输出变压器。因此，廉价的晶体管取代了变压器。有关完整电路，请参见“直接耦合互补对称 3 w 音频放大器”，[第](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt- 9 章 (opens new window)
# 1. 总结
- 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较低的信号频率下降低。电容耦合放大器对直流输入信号几乎没有反应。
- 与串联电阻而不是串联电容器直接耦合避免了与频率相关的增益问题，但具有通过衰减输入信号来降低所有信号频率的放大器增益的缺点。
- 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个级的偏置影响另一级偏置的问题。
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