2013年9月9日 星期一

放大器耦合 (交連)Amplifier Coupling ( 搬家文 move from yahoo blog , Day 6 )

(本文譯自 Integrated Publishing AMPLIFIER COUPLING

早先曾提到,幾乎所有電子裝置都會有至少一級放大。許多裝置不只一級放大,含有許多放大器。當一級放大不敷所需時,會一級一級加上去。例如,假如一級放大能提供放大增益 100,而需求增益是 1000,那麼就需要兩級放大了。這兩級放大的增益可能是 10 10020 50 或者 25 40。(整體增益是個別增益的乘積 - 10 X 100 = 20 X 50 = 25 X 40 = 1000。)
1-8 顯示多級放大的效果。隨著放大級數增加,信號增強,最後輸出(從喇叭)也變大。


Figure 1-8. - Adding stages of amplification.



不管放大器是裝置中的一環,或是連接兩設備間的單獨放大器(圖 1-8 最上面),都必然有一些方法讓信號可以進、出放大器。電路之間移轉能量的過程稱之為「耦合(COUPLING)」(一說交連)。耦合信號進出放大器電路的方法有多種,下面是一些較常見的放大器耦合方法。


直接耦合(交連)  Direct Coupling

使用最少電路元件,以及(也許)最容易瞭解的耦合方法是直接耦合(direct coupling)。直接耦合是一級的輸出直接連到下一級的輸入。圖 1-9 顯示兩個直接耦合的電晶體放大器。

Figure 1-9. - Direct-coupled transistor amplifiers.



注意 Q1 的輸出(collector)直接連到 Q2 的輸入(base)。電路上的 R4R5、和 R6 是用來提供 Q1 Q2 偏壓和工作電壓的分壓器。整個電路提供了兩級放大。

因為沒有使用到對頻率敏感的元件(電感器和電容器),直接耦合提供了良好的頻率響應。直接耦合電路的頻率響應只和放大元件本身有關。

然而,直接耦合有一些不利的地方。最大的問題是放大器的電源供應。每一個接續的放大級都需要較高的電壓,負載和分壓電阻耗掉大量的功率,偏壓也會變得很複雜。此外,級與級之間的阻抗匹配也很困難。

直接耦合放大器的效率不高,損耗(losses)又隨著級數的增加而增加,因此,直接偶耦合並不那麼常被使用。


RC 耦合(交連)  RC Coupling

最常用的耦合方法是 RC 耦合(RC coupling)。如圖 1-10 所示。

Figure 1-10. - RC-coupled transistor amplifier.



虛線中的R1R2、和 C1 就是耦合電路。你可能發現 Q1Q2  的電路不完整,這是為了讓你可以專注在耦合電路而刻意呈現的。

R1 像是 Q1(第一級)的負載電阻,產生這一級的輸出信號。你還記得電容器對 ac dc 的反應嗎?電容器 C1,「阻擋」 Q1 集級的 dc,但是讓 ac 輸出信號「通過」。R2 將「通過」或者「耦合(交連)」的信號當作 Q2(第二級) 的輸入信號。這種安排可以讓信號耦合(交連),而讓每一級偏壓分開。也解決了因為直接耦合所產生的許多問題。

RC 耦合也有一些不利的地方。電阻器使用 dc 電力,因此放大器的效率低。電容器限制了放大器的低頻響應,而放大器本身限制了高頻響應。對音頻放大器而言,這通常不是問題;克服這些頻率限制的技術,在後面章節會提到。

在進入到下一個耦合型態之前,看一下 RC 耦合中的電容器。也許你還記得,電容抗的公式為:

XC = 1 / 2πfC

這解釋了為什麼低頻被電容器所限制。當頻率降低時,XC 增加,使得信號在電容器中流失更多。

公式同時也顯示電容值應該要相當高,以盡可能地保持低電容抗(XC)。所以當電容器被拿來當做耦合電路的元件時,電容值應該要相當大,確保整個信號被完好耦合,不至於導致信號減損或失真。


阻抗耦合  Impedance Coupling

阻抗耦合(Impedance coupling)與 RC 耦合很像,差別在使用了阻抗元件(一個線圈),替代第一級的負載電阻。圖 1-11 顯示兩級放大之間的阻抗耦合電路。L1 Q1 的負載,並產生第一級的輸出信號。因為線圈的 dc  電阻很小,放大器的效率得以提昇。所產生的輸出信號大小,與 L1 的電感抗有關。電感抗的公式:  XL = 2πfL

Figure 1-11. - Impedance-coupled transistor amplifier.



公式顯示,電感抗要大,電感值或者頻率就要高,或者兩者都高。因此,負載電感應該要有很大的電感值,而且在高頻時效率最好。這也說明了為什麼阻抗耦合很少用在音頻放大器上。

耦合電路中剩下的 C1 R1,作用就和在 RC 耦合中的 C1R2 一樣。C1 耦合級間信號,但是阻絕 dc,而 R1 則產生要送到第二級(Q2)的輸入信號。


變壓器耦合  Transformer Coupling

1-12,是一個兩級放大間的變壓器耦合(transformer-coupling)電路。T1 變壓器將信號從第一級耦合至第二級。圖中,T1 的初級線圈作用類似 Q1 的負載,次級線圈則生成與 Q2 相連所需的阻抗。不需要電容器,因為變壓器作用,在 T1 的初級與次級線圈中完成信號耦合。

Figure 1-12. - Transformer-coupled transistor amplifier.



做成變壓器初級與次級線圈的電感,其 dc 電阻非常小,所以放大器的效率非常高。因為變壓器阻抗匹配(impedance-matching 的品質,使變壓器耦合經常被用在最後一級(在放大器的最後一級,與輸出裝置之間)。變壓器耦合放大器的頻率響應,被變壓器的電感抗所限制,正如在阻抗耦合(impedance coupling)中受到的限制一般。

Q.12 What is the purpose of an amplifier-coupling network?   Answer
Q.13 What are four methods of coupling amplifier stages?
  Answer
Q.14 What is the most common form of coupling?
  Answer
Q.15 What type coupling is usually used to couple the output from a power amplifier?
  Answer
Q.16 What type coupling would be most useful for an audio amplifier
  Answer between the first and second stages?   Answer
Q.17 What type of coupling is most effective at high frequencies?
   Answer

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