Acoplamento de entrada e saída

Para superar o desafio de criar a tensão de polarização DC necessária para o sinal de entrada de um amplificador sem recorrer à inserção de uma bateria em série com a fonte de sinal AC, usamos um divisor de tensão conectado à fonte de alimentação DC. Para fazer isso funcionar em conjunto com um sinal de entrada CA, “acoplamos” a fonte do sinal ao divisor por meio de um capacitor, que agia como um filtro passa-altas. Com essa filtragem no lugar, a baixa impedância da fonte do sinal CA não poderia causar um "curto" na tensão CC que caiu no resistor inferior do divisor de tensão. Uma solução simples, mas não sem desvantagens.

O mais óbvio é o fato de que usar um capacitor de filtro passa-alta para acoplar a fonte do sinal ao amplificador significa que o amplificador só pode amplificar sinais CA. Uma tensão contínua contínua aplicada à entrada seria bloqueada pelo capacitor de acoplamento tanto quanto a tensão de polarização do divisor de tensão é bloqueada da fonte de entrada. Além disso, como a reatância capacitiva depende da frequência, os sinais de CA de baixa frequência não serão amplificados tanto quanto os de alta frequência. Os sinais não senoidais tendem a ser distorcidos, pois o capacitor responde de maneira diferente a cada um dos harmônicos constituintes do sinal.

Um exemplo extremo disso seria um sinal de onda quadrada de baixa frequência na figura abaixo.



Onda quadrada de baixa frequência capacitivamente acoplada mostra distorção.

A propósito, este mesmo problema ocorre quando as entradas do osciloscópio são configuradas para o modo “AC coupling” como na figura abaixo.

Neste modo, um capacitor de acoplamento é inserido em série com o sinal de tensão medido para eliminar qualquer deslocamento vertical da forma de onda exibida devido à tensão CC combinada com o sinal. Isso funciona bem quando o componente CA do sinal medido é de uma frequência razoavelmente alta e o capacitor oferece pouca impedância ao sinal. No entanto, se o sinal for de baixa frequência ou contiver níveis consideráveis ​​de harmônicos em uma ampla faixa de frequência, as exibições do osciloscópio da forma de onda não serão precisas.

Os sinais de baixa frequência podem ser visualizados configurando o osciloscópio para “acoplamento CC” na figura abaixo.



Com o acoplamento DC, o osciloscópio indica corretamente a forma da onda quadrada proveniente do gerador de sinal.



Baixa frequência:Com o acoplamento AC, a filtragem passa-alta do capacitor de acoplamento distorce a forma da onda quadrada de modo que o que é visto não é uma representação precisa do sinal real.

Acoplamento direto

Em aplicações onde as limitações do acoplamento capacitivo (considerando a figura acima) seriam intoleráveis, outra solução pode ser usada: acoplamento direto . O acoplamento direto evita o uso de capacitores ou qualquer outro componente de acoplamento dependente da frequência em favor de resistores. Um circuito amplificador de acoplamento direto é mostrado na figura abaixo.



Amplificador acoplado direto:acoplamento direto ao alto-falante.

Sem capacitor para filtrar o sinal de entrada, esta forma de acoplamento não apresenta dependência de frequência. Os sinais DC e AC semelhantes serão amplificados pelo transistor com o mesmo ganho (o próprio transistor pode tender a amplificar algumas frequências melhor do que outras, mas esse é um assunto totalmente diferente!).

Se o acoplamento direto funciona para DC, bem como para sinais AC, então por que usar acoplamento capacitivo para qualquer aplicativo? Uma razão pode ser evitar qualquer indesejada Tensão de polarização DC naturalmente presente no sinal a ser amplificado. Alguns sinais CA podem ser sobrepostos a uma tensão CC não controlada diretamente da fonte, e uma tensão CC não controlada tornaria a polarização confiável do transistor impossível. A filtragem passa-alta oferecida por um capacitor de acoplamento funcionaria bem aqui para evitar problemas de polarização.

Outra razão para usar acoplamento capacitivo em vez de direto é sua relativa falta de atenuação de sinal. O acoplamento direto por meio de um resistor tem a desvantagem de atenuar o sinal de entrada de forma que apenas uma fração dele alcance a base do transistor. Em muitas aplicações, alguma atenuação é necessária de qualquer maneira para evitar que os níveis de sinal “sobrecarreguem” o transistor em corte e saturação, portanto, qualquer atenuação inerente à rede de acoplamento é útil de qualquer maneira. No entanto, alguns aplicativos exigem que nenhum perda de sinal da conexão de entrada para a base do transistor para ganho de tensão máximo e um esquema de acoplamento direto com um divisor de tensão para polarização simplesmente não é suficiente.

Até agora, discutimos alguns métodos para acoplar uma entrada sinal para um amplificador, mas não abordou o problema de acoplar a saída de um amplificador para uma carga. O circuito de exemplo usado para ilustrar o acoplamento de entrada servirá bem para ilustrar os problemas envolvidos com o acoplamento de saída.

Em nosso circuito de exemplo, a carga é um alto-falante. A maioria dos alto-falantes tem design eletromagnético:isto é, eles usam a força gerada por uma bobina eletromagnética leve suspensa dentro de um campo de ímã permanente forte para mover um papel fino ou cone de plástico, produzindo vibrações no ar que nossos ouvidos interpretam como som. Uma voltagem aplicada de uma polaridade move o cone para fora, enquanto uma voltagem de polaridade oposta move o cone para dentro. Para explorar a liberdade total de movimento do cone, o alto-falante deve receber tensão CA verdadeira (imparcial). A polarização DC aplicada à bobina do alto-falante desloca o cone de sua posição central natural, e isso limita o movimento para frente e para trás que ele pode sustentar da tensão AC aplicada sem viajar demais. No entanto, nosso circuito de exemplo aplica uma tensão variável de apenas um polaridade através do alto-falante, porque o alto-falante é conectado em série com o transistor, que só pode conduzir corrente em uma direção. Isso seria inaceitável para qualquer amplificador de áudio de alta potência.

De alguma forma, precisamos isolar o alto-falante da polarização CC da corrente do coletor para que ele receba apenas tensão CA. Uma maneira de atingir esse objetivo é acoplar o circuito coletor do transistor ao alto-falante por meio de um transformador na Figura abaixo.



O acoplamento do transformador isola a CC da carga (alto-falante).

A tensão induzida no secundário (lado do alto-falante) do transformador será estritamente devido a variações na corrente do coletor porque a indutância mútua de um transformador só funciona em mudanças na corrente de enrolamento. Em outras palavras, apenas a parte CA do sinal de corrente do coletor será acoplada ao lado secundário para alimentar o alto-falante. O alto-falante “verá” a verdadeira corrente alternada em seus terminais, sem qualquer polarização DC.

O acoplamento de saída do transformador funciona e tem o benefício adicional de ser capaz de fornecer correspondência de impedância entre o circuito do transistor e a bobina do alto-falante com relações de enrolamento personalizadas. No entanto, os transformadores tendem a ser grandes e pesados, especialmente para aplicações de alta potência. Além disso, é difícil projetar um transformador para lidar com sinais em uma ampla faixa de frequências, o que quase sempre é necessário para aplicações de áudio. Para piorar as coisas, a corrente CC através do enrolamento primário aumenta a magnetização do núcleo em apenas uma polaridade, o que tende a fazer o núcleo do transformador saturar mais facilmente em um ciclo de polaridade CA do que no outro. Este problema é uma reminiscência de ter o alto-falante conectado diretamente em série com o transistor:uma corrente de polarização CC tende a limitar a amplitude do sinal de saída que o sistema pode controlar sem distorção. Geralmente, porém, um transformador pode ser projetado para lidar com muito mais corrente de polarização CC do que um alto-falante sem ter problemas, então o acoplamento do transformador ainda é uma solução viável na maioria dos casos. Veja o transformador de acoplamento entre Q4 e o alto-falante, Regency TR1, Ch 9 como um exemplo de acoplamento de transformador.

Outro método para isolar o alto-falante da polarização DC no sinal de saída é alterar um pouco o circuito e usar um capacitor de acoplamento de maneira semelhante ao acoplamento do sinal de entrada (Figura abaixo) ao amplificador.



O acoplamento do capacitor isola a CC da carga.

Este circuito na Figura acima se assemelha à forma mais convencional de um amplificador emissor comum, com o coletor de transistor conectado à bateria por meio de um resistor. O capacitor atua como um filtro passa-alta, passando a maior parte da tensão CA para o alto-falante enquanto bloqueia toda a tensão CC. Novamente, o valor desse capacitor de acoplamento é escolhido de forma que sua impedância na frequência de sinal esperada seja arbitrariamente baixa.

O bloqueio da tensão DC da saída de um amplificador, seja por meio de um transformador ou um capacitor, é útil não apenas para acoplar um amplificador a uma carga, mas também para acoplar um amplificador a outro amplificador. Amplificadores “escalonados” são freqüentemente usados ​​para obter ganhos de potência maiores do que seria possível usando um único transistor, como na Figura abaixo.



Capacitor acoplado ao amplificador emissor comum de três estágios.

Embora seja possível acoplar diretamente cada estágio ao seguinte (por meio de um resistor em vez de um capacitor), isso torna todo o amplificador muito sensível às variações da tensão de polarização CC do primeiro estágio, uma vez que essa tensão CC será amplificada junto com o sinal CA até o último estágio. Em outras palavras, a polarização do primeiro estágio afetará a polarização do segundo estágio e assim por diante. No entanto, se os estágios forem capacitivamente acoplados mostrados na ilustração acima, a polarização de um estágio não afeta a polarização do próximo, porque a tensão CC é impedida de passar para o próximo estágio.

O acoplamento do transformador entre os estágios do amplificador também é uma possibilidade, mas visto com menos frequência devido a alguns dos problemas inerentes aos transformadores mencionados anteriormente. Uma exceção notável a esta regra são os amplificadores de radiofrequência (Figura abaixo) com pequenos transformadores de acoplamento, tendo núcleos de ar (tornando-os imunes aos efeitos de saturação), que fazem parte de um circuito ressonante para bloquear frequências harmônicas indesejadas de passar para os subseqüentes estágios. O uso de circuitos ressonantes pressupõe que a frequência do sinal permaneça constante, o que é típico dos circuitos de rádio. Além disso, o efeito “volante” dos circuitos de tanque LC permite operação de classe C para alta eficiência.



O amplificador de RF sintonizado de três estágios ilustra o acoplamento do transformador.

Observe o acoplamento do transformador entre os transistores Q1, Q2, Q3 e Q4, Regency TR1, Ch 9. Os três transformadores de frequência intermediária (IF) dentro das caixas tracejadas acoplam o sinal IF do coletor à base dos seguintes amplificadores IF do transistor. A frequência intermediária amplificadores são amplificadores de RF, porém, em uma frequência diferente da entrada de RF da antena.

Tendo dito tudo isso, deve ser mencionado que é possível usar o acoplamento direto dentro de um circuito amplificador de transistor de múltiplos estágios. Nos casos em que se espera que o amplificador lide com sinais DC, esta é a única alternativa.

A tendência da eletrônica para o uso mais difundido de circuitos integrados encorajou o uso de acoplamento direto ao invés de acoplamento de transformador ou capacitor. O único componente do circuito integrado facilmente fabricado é o transistor. Resistores de qualidade moderada também podem ser produzidos. Porém, os transistores são favorecidos. Capacitores integrados para apenas alguns 10s de pF são possíveis. Capacitores grandes não são integráveis. Se necessário, podem ser componentes externos. O mesmo é verdade para transformadores. Como os transistores integrados são baratos, tantos transistores quanto possível são substituídos pelos capacitores e transformadores problemáticos. Tanto o ganho de acoplamento direto quanto possível é projetado nos CIs entre os componentes de acoplamento externos. Embora capacitores e transformadores externos sejam usados, eles estão sendo projetados, se possível. O resultado é que um rádio IC moderno (consulte “Rádio IC”, Capítulo 9) não se parece em nada com o rádio original de 4 transistores Regency TR1, Ch 9.

Mesmo transistores discretos são baratos em comparação com transformadores. Transformadores de áudio volumosos podem ser substituídos por transistores. Por exemplo, uma configuração de coletor comum (seguidor de emissor) pode corresponder à impedância de uma impedância de saída baixa, como um alto-falante. Também é possível substituir grandes capacitores de acoplamento por circuitos de transistor.

Ainda gostamos de ilustrar textos com amplificadores de áudio acoplados a transformador. Os circuitos são simples. A contagem de componentes é baixa. E esses são bons circuitos introdutórios - fáceis de entender.

O circuito na Figura abaixo (a) é um push-pull simplificado acoplado a transformador Amplificador de áudio. No push-pull, o par de transistores amplifica alternadamente as porções positiva e negativa do sinal de entrada. Nenhum transistor conduz para nenhuma entrada de sinal. Um sinal de entrada positivo será positivo na parte superior do secundário do transformador, fazendo com que o transistor superior conduza. Uma entrada negativa produzirá um sinal positivo na parte inferior do secundário, levando o transistor inferior à condução. Assim, os transistores amplificam metades alternadas de um sinal. Conforme desenhado, nenhum dos transistores na Figura abaixo (a) conduzirá para uma entrada abaixo de 0,7 Vpico. Um circuito prático conecta a derivação central secundária a um divisor de resistor de 0,7 V (ou superior) em vez de aterrar para polarizar ambos os transistores para a verdadeira classe B.



(a) Amplificador push-pull acoplado a transformador. (b) O amplificador de par complementar com acoplamento direto substitui os transformadores por transistores.

O circuito da Figura acima (b) é a versão moderna que substitui as funções do transformador por transistores. Os transistores Q1 e Q2 são amplificadores emissores comuns, invertendo o sinal com ganho da base para o coletor. Os transistores Q3 e Q4 são conhecidos como um par complementar porque esses transistores NPN e PNP amplificam metades alternativas (positiva e negativa, respectivamente) da forma de onda. A conexão paralela das bases permite a divisão de fase sem um transformador de entrada em (a). O alto-falante é a carga do emissor para Q3 e Q4. A conexão paralela dos emissores dos transistores NPN e PNP elimina o transformador de saída com derivação central em (a) A baixa impedância de saída do seguidor de emissor serve para combinar a baixa impedância de 8 Ω do alto-falante com o estágio de emissor comum anterior. Assim, transistores baratos substituem os transformadores. Para o circuito completo, consulte "Amplificador de áudio de 3 w de simetria complementar de acoplamento direto", Capítulo 9

REVER:

• O acoplamento capacitivo atua como um filtro passa-alta na entrada de um amplificador. Isso tende a fazer o ganho de tensão do amplificador diminuir em frequências de sinal mais baixas. Os amplificadores capacitivos acoplados quase não respondem aos sinais de entrada DC.
• O acoplamento direto com um resistor em série em vez de um capacitor em série evita o problema de ganho dependente da frequência, mas tem a desvantagem de reduzir o ganho do amplificador para todas as frequências de sinal atenuando o sinal de entrada.
• Transformadores e capacitores podem ser usados ​​para acoplar a saída de um amplificador a uma carga, para evitar que a tensão DC chegue à carga.
• Os amplificadores de vários estágios costumam fazer uso de acoplamento capacitivo entre os estágios para eliminar problemas com a polarização de um estágio que afeta a polarização de outro.

PLANILHAS RELACIONADAS:

• Planilha de circuitos de polarização de transistor bipolar