Kopling Input dan Output

Untuk mengatasi tantangan dalam menciptakan tegangan bias DC yang diperlukan untuk sinyal input penguat tanpa menggunakan baterai secara seri dengan sumber sinyal AC, kami menggunakan pembagi tegangan yang terhubung ke sumber daya DC. Untuk membuat ini bekerja bersama dengan sinyal input AC, kami "menggabungkan" sumber sinyal ke pembagi melalui kapasitor, yang bertindak sebagai filter high-pass. Dengan penyaringan itu, impedansi rendah dari sumber sinyal AC tidak dapat "menghubungkan" tegangan DC yang turun melintasi resistor bawah dari pembagi tegangan. Solusi sederhana, tetapi bukan tanpa kerugian.

Yang paling jelas adalah kenyataan bahwa menggunakan kapasitor filter high-pass untuk memasangkan sumber sinyal ke amplifier berarti bahwa amplifier hanya dapat memperkuat sinyal AC. Tegangan DC stabil yang diterapkan ke input akan diblokir oleh kapasitor kopling sama seperti tegangan bias pembagi tegangan diblokir dari sumber input. Selanjutnya, karena reaktansi kapasitif bergantung pada frekuensi, sinyal AC frekuensi rendah tidak akan diperkuat sebanyak sinyal frekuensi tinggi. Sinyal non-sinusoidal akan cenderung terdistorsi, karena kapasitor merespons secara berbeda untuk setiap harmonik penyusun sinyal.

Contoh ekstremnya adalah sinyal gelombang persegi frekuensi rendah pada gambar di bawah.

Gelombang persegi frekuensi rendah yang digabungkan secara kapasitif menunjukkan distorsi.

Kebetulan, masalah yang sama ini terjadi ketika input osiloskop disetel ke mode “AC coupling” seperti pada gambar di bawah ini.

Dalam mode ini, kapasitor kopling dimasukkan secara seri dengan sinyal tegangan terukur untuk menghilangkan offset vertikal dari bentuk gelombang yang ditampilkan karena tegangan DC yang digabungkan dengan sinyal. Ini bekerja dengan baik ketika komponen AC dari sinyal yang diukur memiliki frekuensi yang cukup tinggi, dan kapasitor memberikan sedikit impedansi pada sinyal. Namun, jika sinyal berfrekuensi rendah, atau mengandung tingkat harmonik yang cukup besar pada rentang frekuensi yang lebar, tampilan bentuk gelombang osiloskop tidak akan akurat.

Sinyal frekuensi rendah dapat dilihat dengan menyetel osiloskop ke “DC coupling” pada gambar di bawah.

Dengan kopling DC, osiloskop dengan benar menunjukkan bentuk gelombang persegi yang berasal dari generator sinyal.

Frekuensi rendah:Dengan kopling AC, penyaringan high-pass kapasitor kopling mendistorsi bentuk gelombang persegi sehingga apa yang terlihat bukanlah representasi akurat dari sinyal sebenarnya.

Kopling Langsung

Dalam aplikasi di mana keterbatasan kopling kapasitif (mengingat gambar di atas) tidak dapat ditoleransi, solusi lain dapat digunakan: penghubung langsung . Kopling langsung menghindari penggunaan kapasitor atau komponen kopling bergantung frekuensi lainnya yang mendukung resistor. Rangkaian penguat direct-coupled ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Penguat sambungan langsung:sambungan langsung ke speaker.

Tanpa kapasitor untuk menyaring sinyal input, bentuk kopling ini tidak menunjukkan ketergantungan frekuensi. Sinyal DC dan AC sama-sama akan diperkuat oleh transistor dengan penguatan yang sama (transistor itu sendiri mungkin cenderung memperkuat beberapa frekuensi lebih baik daripada yang lain, tetapi itu adalah subjek lain sepenuhnya!).

Jika sambungan langsung berfungsi untuk sinyal DC serta AC, lalu mengapa menggunakan sambungan kapasitif untuk apa saja aplikasi? Salah satu alasannya mungkin untuk menghindari yang tidak diinginkan Tegangan bias DC secara alami hadir dalam sinyal yang akan diperkuat. Beberapa sinyal AC dapat ditumpangkan pada tegangan DC yang tidak terkontrol langsung dari sumbernya, dan tegangan DC yang tidak terkontrol akan membuat bias transistor yang andal menjadi tidak mungkin. Pemfilteran high-pass yang ditawarkan oleh kapasitor kopling akan bekerja dengan baik di sini untuk menghindari masalah bias.

Alasan lain untuk menggunakan kopling kapasitif daripada langsung adalah relatif kurangnya redaman sinyal. Kopling langsung melalui resistor memiliki kelemahan melemahkan sinyal input sehingga hanya sebagian kecil yang mencapai basis transistor. Dalam banyak aplikasi, beberapa atenuasi tetap diperlukan untuk mencegah level sinyal dari "overdriving" transistor menjadi cutoff dan saturasi, jadi atenuasi apa pun yang melekat pada jaringan kopling tetap berguna. Namun, beberapa aplikasi mengharuskan ada tidak kehilangan sinyal dari koneksi input ke basis transistor untuk mendapatkan tegangan maksimum, dan skema kopling langsung dengan pembagi tegangan untuk bias tidak akan cukup.

Sejauh ini, kita telah membahas beberapa metode untuk menggabungkan input sinyal ke amplifier, tetapi belum membahas masalah penyambungan output amplifier untuk sebuah beban. Rangkaian contoh yang digunakan untuk mengilustrasikan kopling input akan berfungsi dengan baik untuk mengilustrasikan masalah yang terkait dengan kopling output.

Dalam rangkaian contoh kami, bebannya adalah speaker. Kebanyakan speaker memiliki desain elektromagnetik:yaitu, mereka menggunakan gaya yang dihasilkan oleh kumparan elektromagnet ringan yang digantung di dalam medan magnet permanen yang kuat untuk menggerakkan kertas tipis atau kerucut plastik, menghasilkan getaran di udara yang ditafsirkan telinga kita sebagai suara. Tegangan yang diberikan dari satu polaritas menggerakkan kerucut ke luar, sedangkan tegangan dari polaritas yang berlawanan akan menggerakkan kerucut ke dalam. Untuk memanfaatkan kebebasan gerak penuh kerucut, speaker harus menerima tegangan AC yang benar (tidak bias). Bias DC yang diterapkan pada koil speaker mengimbangi kerucut dari posisi tengah alaminya, dan ini membatasi gerakan maju-mundur yang dapat dipertahankan dari tegangan AC yang diterapkan tanpa bergerak berlebihan. Namun, rangkaian contoh kami menerapkan tegangan yang bervariasi hanya satu polaritas di speaker, karena speaker dihubungkan secara seri dengan transistor yang hanya dapat mengalirkan arus satu arah. Ini tidak dapat diterima untuk amplifier audio berdaya tinggi mana pun.

Entah bagaimana kita perlu mengisolasi speaker dari bias DC arus kolektor sehingga hanya menerima tegangan AC. Salah satu cara untuk mencapai tujuan ini adalah dengan memasangkan rangkaian kolektor transistor ke speaker melalui transformator pada Gambar di bawah.

Kopling transformator mengisolasi DC dari beban (speaker).

Tegangan yang diinduksi pada sisi sekunder (sisi speaker) transformator akan benar-benar disebabkan oleh variasi pada arus kolektor karena induktansi timbal balik dari sebuah transformator hanya bekerja pada perubahan dalam arus belitan. Dengan kata lain, hanya bagian AC dari sinyal arus kolektor yang akan digabungkan ke sisi sekunder untuk memberi daya pada speaker. Speaker akan “melihat” arus bolak-balik yang sebenarnya di terminalnya, tanpa bias DC.

Kopling keluaran transformator berfungsi dan memiliki manfaat tambahan karena dapat memberikan pencocokan impedansi antara rangkaian transistor dan koil speaker dengan rasio belitan khusus. Namun, transformator cenderung besar dan berat, terutama untuk aplikasi daya tinggi. Selain itu, sulit untuk merancang transformator untuk menangani sinyal pada rentang frekuensi yang luas, yang hampir selalu diperlukan untuk aplikasi audio. Lebih buruk lagi, arus DC melalui belitan primer menambah magnetisasi inti hanya dalam satu polaritas, yang cenderung membuat inti transformator lebih mudah jenuh dalam satu siklus polaritas AC daripada yang lain. Masalah ini mengingatkan pada speaker yang terhubung langsung secara seri dengan transistor:arus bias DC cenderung membatasi berapa banyak amplitudo sinyal keluaran yang dapat ditangani sistem tanpa distorsi. Namun, secara umum, transformator dapat dirancang untuk menangani lebih banyak arus bias DC daripada speaker tanpa mengalami masalah, jadi kopling transformator masih merupakan solusi yang layak dalam banyak kasus. Lihat trafo kopling antara Q4 dan speaker, Regency TR1, Ch 9 sebagai contoh kopling trafo.

Metode lain untuk mengisolasi speaker dari bias DC pada sinyal output adalah dengan mengubah sedikit rangkaian dan menggunakan kapasitor kopling dengan cara yang mirip dengan menghubungkan sinyal input (Gambar di bawah) ke amplifier.

Kopling kapasitor mengisolasi DC dari beban.

Rangkaian pada Gambar di atas menyerupai bentuk penguat common-emitter yang lebih konvensional, dengan kolektor transistor terhubung ke baterai melalui resistor. Kapasitor bertindak sebagai filter high-pass, melewatkan sebagian besar tegangan AC ke speaker sambil memblokir semua tegangan DC. Sekali lagi, nilai kapasitor kopling ini dipilih sehingga impedansinya pada frekuensi sinyal yang diharapkan akan sewenang-wenang rendah.

Pemblokiran tegangan DC dari output penguat, baik itu melalui transformator atau kapasitor, berguna tidak hanya dalam menghubungkan penguat ke beban tetapi juga dalam menghubungkan satu penguat ke penguat lain. Amplifier “Bertahap” sering digunakan untuk mencapai penguatan daya yang lebih tinggi daripada yang mungkin dilakukan dengan menggunakan transistor tunggal seperti pada Gambar di bawah.

Kapasitor digabungkan dengan penguat emitor tiga tahap.

Meskipun dimungkinkan untuk secara langsung memasangkan setiap tahap ke tahap berikutnya (melalui resistor daripada kapasitor), ini membuat seluruh penguat sangat sensitif terhadap variasi tegangan bias DC tahap pertama, karena tegangan DC itu akan diperkuat bersama dengan sinyal AC hingga tahap terakhir. Dengan kata lain, bias tahap pertama akan mempengaruhi bias tahap kedua, dan seterusnya. Namun, jika tahapan digabungkan secara kapasitif yang ditunjukkan pada ilustrasi di atas, bias satu tahap tidak mempengaruhi bias berikutnya, karena tegangan DC terhalang untuk diteruskan ke tahap berikutnya.

Kopling trafo antara tahap penguat juga dimungkinkan, tetapi lebih jarang terlihat karena beberapa masalah yang melekat pada trafo yang disebutkan sebelumnya. Satu pengecualian penting untuk aturan ini adalah pada penguat frekuensi radio (Gambar di bawah) dengan trafo kopling kecil, memiliki inti udara (membuatnya kebal terhadap efek saturasi), yang merupakan bagian dari rangkaian resonansi untuk memblokir frekuensi harmonik yang tidak diinginkan agar tidak diteruskan ke frekuensi berikutnya. tahapan. Penggunaan sirkuit resonansi mengasumsikan bahwa frekuensi sinyal tetap konstan, yang merupakan tipikal sirkuit radio. Selain itu, efek "roda gila" dari sirkuit tangki LC memungkinkan pengoperasian kelas C untuk efisiensi tinggi.

Penguat RF yang disetel tiga tahap menggambarkan kopling transformator.

Perhatikan kopling transformator antara transistor Q1, Q2, Q3, dan Q4, Regency TR1, Ch 9. Tiga transformator frekuensi menengah (IF) di dalam kotak putus-putus memasangkan sinyal IF dari kolektor ke basis penguat IF transistor berikut. Frekuensi menengah amplifier adalah amplifier RF, meskipun, pada frekuensi yang berbeda dari input RF antena.

Setelah mengatakan semua ini, harus disebutkan bahwa itu adalah mungkin untuk menggunakan kopling langsung dalam rangkaian penguat transistor multi-tahap. Dalam kasus di mana amplifier diharapkan menangani sinyal DC, ini adalah satu-satunya alternatif.

Kecenderungan elektronika ke penggunaan sirkuit terpadu yang lebih luas telah mendorong penggunaan kopling langsung di atas kopling transformator atau kapasitor. Satu-satunya komponen sirkuit terpadu yang mudah dibuat adalah transistor. Resistor kualitas sedang juga dapat diproduksi. Padahal, transistor disukai. Kapasitor terintegrasi dengan hanya beberapa 10-an pF dimungkinkan. Kapasitor besar tidak terintegrasi. Jika perlu, ini bisa berupa komponen eksternal. Hal yang sama berlaku untuk transformator. Karena transistor terintegrasi tidak mahal, sebanyak mungkin transistor menggantikan kapasitor dan trafo yang mengganggu. Sebanyak mungkin gain yang digabungkan langsung dirancang ke dalam IC di antara komponen kopling eksternal. Sementara kapasitor dan transformator eksternal digunakan, ini bahkan dirancang jika memungkinkan. Hasilnya adalah radio IC modern (Lihat “radio IC”, Bab 9 ) tidak terlihat seperti radio 4-transistor asli Regency TR1, Bab 9.

Bahkan transistor diskrit tidak mahal dibandingkan dengan transformator. Transformator audio besar dapat diganti dengan transistor. Misalnya, konfigurasi common-collector (pengikut emitor) dapat impedansi sesuai dengan impedansi keluaran rendah seperti speaker. Dimungkinkan juga untuk mengganti kapasitor kopling besar dengan sirkuit transistor.

Kami masih suka mengilustrasikan teks dengan amplifier audio yang digabungkan dengan transformator. Sirkuitnya sederhana. Jumlah komponennya rendah. Dan, ini adalah rangkaian pengantar yang bagus— mudah dimengerti.

Rangkaian pada Gambar di bawah (a) adalah push-pull . yang disederhanakan dengan kopel transformator penguat audio. Dalam push-pull, sepasang transistor secara bergantian memperkuat bagian positif dan negatif dari sinyal input. Tidak ada transistor yang bekerja tanpa input sinyal. Sinyal input positif akan menjadi positif di bagian atas sekunder transformator yang menyebabkan transistor bagian atas konduksi. Input negatif akan menghasilkan sinyal positif di bagian bawah sekunder, mendorong transistor bawah menjadi konduksi. Jadi transistor memperkuat bagian sinyal yang bergantian. Seperti yang digambar, tidak satu pun transistor pada Gambar di bawah (a) akan berjalan untuk input di bawah 0,7 Vpeak. Sirkuit praktis menghubungkan tap pusat sekunder ke pembagi resistor 0,7 V (atau lebih besar) alih-alih ground untuk membiaskan kedua transistor untuk kelas B yang sebenarnya.

(a) Penguat dorong-tarik yang digabungkan dengan trafo. (b) Penguat pasangan komplementer yang digabungkan langsung menggantikan transformator dengan transistor.

Rangkaian pada Gambar (b) di atas merupakan versi modern yang menggantikan fungsi trafo dengan transistor. Transistor Q1 dan Q2 adalah penguat emitor umum, membalikkan sinyal dengan penguatan dari basis ke kolektor. Transistor Q3 dan Q4 dikenal sebagai pasangan komplementer karena transistor NPN dan PNP ini memperkuat bagian alternatif (masing-masing positif dan negatif) dari bentuk gelombang. Sambungan paralel dari basis memungkinkan pemisahan fasa tanpa transformator input pada (a). Speaker adalah beban emitor untuk Q3 dan Q4. Sambungan paralel emitor transistor NPN dan PNP menghilangkan transformator keluaran sadap tengah pada (a) Impedansi keluaran rendah dari pengikut emitor berfungsi untuk mencocokkan impedansi rendah 8 dari speaker ke tahap emitor bersama sebelumnya. Dengan demikian, transistor murah menggantikan transformator. Untuk rangkaian lengkap lihat “Penguat audio 3 w simetri komplementer langsung digabungkan,” Bab 9

TINJAUAN:

• Kopling kapasitif bertindak seperti filter lolos tinggi pada input amplifier. Ini cenderung membuat penguatan tegangan penguat menurun pada frekuensi sinyal yang lebih rendah. Amplifier yang digabungkan secara kapasitif sama sekali tidak responsif terhadap sinyal input DC.
• Kopel langsung dengan resistor seri alih-alih kapasitor seri menghindari masalah penguatan yang bergantung pada frekuensi, tetapi memiliki kelemahan dalam mengurangi penguatan penguat untuk semua frekuensi sinyal dengan melemahkan sinyal input.
• Transformator dan kapasitor dapat digunakan untuk menyambungkan keluaran penguat ke beban, untuk menghilangkan tegangan DC agar tidak sampai ke beban.
• Amplifier multi-tahap sering menggunakan kopling kapasitif antar tahap untuk menghilangkan masalah dengan bias dari satu tahap yang mempengaruhi bias yang lain.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Rangkaian Bias Transistor Bipolar