Couplage d'entrée et de sortie

Pour surmonter le défi de créer la tension de polarisation CC nécessaire pour le signal d'entrée d'un amplificateur sans recourir à l'insertion d'une batterie en série avec la source de signal CA, nous avons utilisé un diviseur de tension connecté à travers la source d'alimentation CC. Pour que cela fonctionne en conjonction avec un signal d'entrée CA, nous avons « couplé » la source de signal au diviseur via un condensateur, qui agissait comme un filtre passe-haut. Avec ce filtrage en place, la faible impédance de la source de signal CA ne pouvait pas "court-circuiter" la tension CC tombée à travers la résistance inférieure du diviseur de tension. Une solution simple, mais non sans inconvénients.

Le plus évident est le fait que l'utilisation d'un condensateur de filtre passe-haut pour coupler la source de signal à l'amplificateur signifie que l'amplificateur ne peut amplifier que les signaux alternatifs. Une tension continue continue appliquée à l'entrée serait bloquée par le condensateur de couplage tout comme la tension de polarisation du diviseur de tension est bloquée à partir de la source d'entrée. De plus, étant donné que la réactance capacitive dépend de la fréquence, les signaux alternatifs à basse fréquence ne seront pas amplifiés autant que les signaux à haute fréquence. Les signaux non sinusoïdaux auront tendance à être déformés, car le condensateur réagit différemment à chacune des harmoniques constitutives du signal.

Un exemple extrême de ceci serait un signal carré à basse fréquence dans la figure ci-dessous.

L'onde carrée basse fréquence couplée de manière capacitive montre une distorsion.

Incidemment, ce même problème se produit lorsque les entrées de l'oscilloscope sont réglées sur le mode « couplage AC » comme dans la figure ci-dessous.

Dans ce mode, un condensateur de couplage est inséré en série avec le signal de tension mesuré pour éliminer tout décalage vertical de la forme d'onde affichée en raison de la tension continue combinée au signal. Cela fonctionne bien lorsque la composante alternative du signal mesuré est d'une fréquence assez élevée et que le condensateur offre peu d'impédance au signal. Cependant, si le signal est de basse fréquence ou contient des niveaux considérables d'harmoniques sur une large plage de fréquences, les affichages de l'oscilloscope de la forme d'onde ne seront pas précis.

Les signaux basse fréquence peuvent être visualisés en réglant l'oscilloscope sur « couplage CC » dans la figure ci-dessous.

Avec le couplage CC, l'oscilloscope indique correctement la forme de l'onde carrée provenant du générateur de signal.

Basse fréquence :avec le couplage CA, le filtrage passe-haut du condensateur de couplage déforme la forme de l'onde carrée de sorte que ce qui est vu n'est pas une représentation précise du signal réel.

Couplage Direct

Dans les applications où les limitations du couplage capacitif (compte tenu de la figure ci-dessus) seraient intolérables, une autre solution peut être utilisée : couplage direct . Le couplage direct évite l'utilisation de condensateurs ou de tout autre composant de couplage dépendant de la fréquence au profit de résistances. Un circuit amplificateur à couplage direct est illustré dans la figure ci-dessous.

Amplificateur à couplage direct :couplage direct au haut-parleur.

Sans condensateur pour filtrer le signal d'entrée, cette forme de couplage ne présente aucune dépendance en fréquence. Les signaux CC et CA seront amplifiés par le transistor avec le même gain (le transistor lui-même peut avoir tendance à amplifier certaines fréquences mieux que d'autres, mais c'est un tout autre sujet !).

Si le couplage direct fonctionne aussi bien pour les signaux CC que CA, alors pourquoi utiliser le couplage capacitif pour tout application? Une raison pourrait être d'éviter tout indésirable Tension de polarisation continue naturellement présente dans le signal à amplifier. Certains signaux alternatifs peuvent être superposés à une tension continue non contrôlée directement à partir de la source, et une tension continue non contrôlée rendrait impossible une polarisation fiable du transistor. Le filtrage passe-haut offert par un condensateur de couplage fonctionnerait bien ici pour éviter les problèmes de polarisation.

Une autre raison d'utiliser le couplage capacitif plutôt que direct est son manque relatif d'atténuation du signal. Le couplage direct à travers une résistance a l'inconvénient d'atténuer le signal d'entrée de sorte que seule une fraction de celui-ci atteint la base du transistor. Dans de nombreuses applications, une certaine atténuation est de toute façon nécessaire pour empêcher les niveaux de signal de « surcharger » le transistor en coupure et en saturation, de sorte que toute atténuation inhérente au réseau de couplage est de toute façon utile. Cependant, certaines applications nécessitent qu'il y ait non perte de signal de la connexion d'entrée à la base du transistor pour un gain de tension maximal, et un schéma de couplage direct avec un diviseur de tension pour la polarisation ne suffira tout simplement pas.

Jusqu'à présent, nous avons discuté de quelques méthodes pour coupler une entrée signal à un amplificateur, mais n'ont pas résolu le problème du couplage de la sortie d'un amplificateur à une charge. L'exemple de circuit utilisé pour illustrer le couplage d'entrée servira bien à illustrer les problèmes liés au couplage de sortie.

Dans notre exemple de circuit, la charge est un haut-parleur. La plupart des haut-parleurs sont de conception électromagnétique :c'est-à-dire qu'ils utilisent la force générée par une bobine d'électro-aimant légère suspendue dans un champ magnétique permanent puissant pour déplacer un mince cône en papier ou en plastique, produisant des vibrations dans l'air que nos oreilles interprètent comme du son. Une tension appliquée d'une polarité déplace le cône vers l'extérieur, tandis qu'une tension de polarité opposée déplace le cône vers l'intérieur. Pour exploiter la pleine liberté de mouvement du cône, le haut-parleur doit recevoir une véritable tension alternative (non biaisée). La polarisation CC appliquée à la bobine du haut-parleur décale le cône de sa position centrale naturelle, ce qui limite le mouvement de va-et-vient qu'il peut supporter à partir de la tension CA appliquée sans déplacement excessif. Cependant, notre exemple de circuit applique une tension variable de seulement un polarité à travers le haut-parleur, car le haut-parleur est connecté en série avec le transistor qui ne peut conduire le courant que dans un sens. Ce serait inacceptable pour tout amplificateur audio haute puissance.

D'une manière ou d'une autre, nous devons isoler le haut-parleur de la polarisation continue du courant du collecteur afin qu'il ne reçoive que la tension alternative. Une façon d'atteindre cet objectif est de coupler le circuit collecteur du transistor au haut-parleur via un transformateur dans la figure ci-dessous.

Le couplage du transformateur isole le courant continu de la charge (haut-parleur).

La tension induite dans le secondaire (côté haut-parleur) du transformateur sera strictement due aux variations en courant collecteur car l'inductance mutuelle d'un transformateur ne fonctionne que sur changements en courant d'enroulement. En d'autres termes, seule la partie CA du signal de courant de collecteur sera couplée au côté secondaire pour alimenter le haut-parleur. Le haut-parleur « voit » un véritable courant alternatif à ses bornes, sans aucune polarisation continue.

Le couplage de sortie du transformateur fonctionne et présente l'avantage supplémentaire de pouvoir fournir une adaptation d'impédance entre le circuit du transistor et la bobine du haut-parleur avec des rapports d'enroulement personnalisés. Cependant, les transformateurs ont tendance à être volumineux et lourds, en particulier pour les applications à haute puissance. En outre, il est difficile de concevoir un transformateur pour gérer des signaux sur une large gamme de fréquences, ce qui est presque toujours nécessaire pour les applications audio. Pour aggraver les choses, le courant continu à travers l'enroulement primaire s'ajoute à la magnétisation du noyau dans une seule polarité, ce qui a tendance à faire saturer le noyau du transformateur plus facilement dans un cycle de polarité CA que dans l'autre. Ce problème rappelle le fait que le haut-parleur soit directement connecté en série avec le transistor :un courant de polarisation continu a tendance à limiter l'amplitude du signal de sortie que le système peut gérer sans distorsion. En général, cependant, un transformateur peut être conçu pour gérer beaucoup plus de courant de polarisation CC qu'un haut-parleur sans rencontrer de problèmes, de sorte que le couplage par transformateur reste une solution viable dans la plupart des cas. Voir le transformateur de couplage entre Q4 et le haut-parleur, Regency TR1, Ch 9 comme exemple de couplage de transformateur.

Une autre méthode pour isoler le haut-parleur de la polarisation CC dans le signal de sortie consiste à modifier un peu le circuit et à utiliser un condensateur de couplage d'une manière similaire au couplage du signal d'entrée (figure ci-dessous) à l'amplificateur.

Le couplage par condensateur isole le courant continu de la charge.

Ce circuit de la figure ci-dessus ressemble à la forme plus conventionnelle d'un amplificateur à émetteur commun, avec le collecteur du transistor connecté à la batterie via une résistance. Le condensateur agit comme un filtre passe-haut, transmettant la majeure partie de la tension alternative au haut-parleur tout en bloquant toute tension continue. Encore une fois, la valeur de ce condensateur de couplage est choisie de manière à ce que son impédance à la fréquence de signal attendue soit arbitrairement basse.

Le blocage de la tension continue de la sortie d'un amplificateur, que ce soit via un transformateur ou un condensateur, est utile non seulement pour coupler un amplificateur à une charge, mais également pour coupler un amplificateur à un autre amplificateur. Les amplificateurs « étagés » sont souvent utilisés pour obtenir des gains de puissance plus élevés que ce qui serait possible en utilisant un seul transistor, comme dans la figure ci-dessous.

Amplificateur à émetteur commun à trois étages couplé à un condensateur.

S'il est possible de coupler directement chaque étage au suivant (via une résistance plutôt qu'un condensateur), cela rend l'ensemble de l'amplificateur très sensible aux variations de la tension continue de polarisation du premier étage, car cette tension continue sera amplifiée avec le signal alternatif jusqu'au dernier étage. En d'autres termes, la polarisation du premier étage affectera la polarisation du deuxième étage, et ainsi de suite. Cependant, si les étages sont couplés capacitivement comme indiqué dans l'illustration ci-dessus, la polarisation d'un étage n'affecte pas la polarisation du suivant, car la tension continue ne peut pas passer à l'étage suivant.

Le couplage de transformateurs entre les étages d'amplification est également une possibilité, mais moins souvent vu en raison de certains des problèmes inhérents aux transformateurs mentionnés précédemment. Une exception notable à cette règle est dans les amplificateurs radiofréquence (figure ci-dessous) avec de petits transformateurs de couplage, ayant des noyaux d'air (les rendant insensibles aux effets de saturation), qui font partie d'un circuit résonant pour empêcher les fréquences harmoniques indésirables de passer aux suivants. étapes. L'utilisation de circuits résonants suppose que la fréquence du signal reste constante, ce qui est typique des circuits radio. De plus, l'effet « volant d'inertie » des circuits de réservoir LC permet un fonctionnement en classe C pour un rendement élevé.

L'amplificateur RF accordé à trois étages illustre le couplage du transformateur.

Notez le couplage du transformateur entre les transistors Q1, Q2, Q3 et Q4, Regency TR1, Ch 9. Les trois transformateurs de fréquence intermédiaire (IF) dans les cases en pointillés couplent le signal FI du collecteur à la base des amplificateurs FI à transistors suivants. La fréquence intermédiaire les amplificateurs sont des amplificateurs RF, cependant, à une fréquence différente de celle de l'entrée RF de l'antenne.

Cela dit, il faut mentionner qu'il est possible d'utiliser le couplage direct dans un circuit amplificateur à transistors à plusieurs étages. Dans les cas où l'amplificateur est censé gérer des signaux CC, c'est la seule alternative.

La tendance de l'électronique à l'utilisation plus répandue des circuits intégrés a encouragé l'utilisation du couplage direct sur le couplage par transformateur ou condensateur. Le seul composant de circuit intégré facile à fabriquer est le transistor. Des résistances de qualité modérée peuvent également être produites. Cependant, les transistors sont favorisés. Des condensateurs intégrés à seulement quelques dizaines de pF sont possibles. Les gros condensateurs ne sont pas intégrables. Si nécessaire, il peut s'agir de composants externes. Il en est de même pour les transformateurs. Les transistors intégrés étant peu coûteux, autant de transistors que possible remplacent les condensateurs et les transformateurs incriminés. Autant de gain à couplage direct que possible est conçu dans les circuits intégrés entre les composants de couplage externes. Bien que des condensateurs et des transformateurs externes soient utilisés, ceux-ci sont même conçus si possible. Le résultat est qu'une radio IC moderne (Voir "IC radio", Ch 9 ) ne ressemble en rien à la radio originale à 4 transistors Regency TR1, Ch 9.

Même les transistors discrets sont bon marché par rapport aux transformateurs. Les transformateurs audio encombrants peuvent être remplacés par des transistors. Par exemple, une configuration à collecteur commun (émetteur suiveur) peut correspondre à une impédance de sortie faible comme un haut-parleur. Il est également possible de remplacer les gros condensateurs de couplage par des circuits à transistors.

Nous aimons toujours illustrer des textes avec des amplificateurs audio couplés par transformateur. Les circuits sont simples. Le nombre de composants est faible. Et ce sont de bons circuits d'introduction, faciles à comprendre.

Le circuit de la figure ci-dessous (a) est un push-pull couplé par transformateur simplifié Amplificateur audio. En push-pull, une paire de transistors amplifie alternativement les parties positive et négative du signal d'entrée. Aucun des transistors ne conduit sans entrée de signal. Un signal d'entrée positif sera positif au sommet du secondaire du transformateur, provoquant la conduction du transistor supérieur. Une entrée négative produira un signal positif au bas du secondaire, entraînant le transistor inférieur en conduction. Ainsi, les transistors amplifient des moitiés alternées d'un signal. Tel qu'il est dessiné, aucun des transistors de la figure ci-dessous (a) ne conduira pour une entrée inférieure à 0,7 Vpeak. Un circuit pratique connecte la prise centrale secondaire à un diviseur de résistance de 0,7 V (ou plus) au lieu de la terre pour polariser les deux transistors pour une vraie classe B.

(a) Amplificateur push-pull couplé par transformateur. (b) L'amplificateur à paire complémentaire à couplage direct remplace les transformateurs par des transistors.

Le circuit de la figure ci-dessus (b) est la version moderne qui remplace les fonctions de transformateur par des transistors. Les transistors Q1 et Q2 sont des amplificateurs à émetteur commun, inversant le signal avec le gain de la base au collecteur. Les transistors Q3 et Q4 sont connus comme une paire complémentaire parce que ces transistors NPN et PNP amplifient les moitiés alternées (positives et négatives, respectivement) de la forme d'onde. La mise en parallèle des bases permet une séparation de phase sans transformateur d'entrée en (a). Le haut-parleur est la charge d'émetteur pour Q3 et Q4. La connexion en parallèle des émetteurs des transistors NPN et PNP élimine le transformateur de sortie à prise centrale en (a) La faible impédance de sortie de l'émetteur suiveur sert à faire correspondre la faible impédance de 8 du haut-parleur à l'étage d'émetteur commun précédent. Ainsi, des transistors bon marché remplacent les transformateurs. Pour le circuit complet, voir "Amplificateur audio 3 w à symétrie complémentaire à couplage direct", Ch 9

AVIS :

• Le couplage capacitif agit comme un filtre passe-haut sur l'entrée d'un amplificateur. Cela a tendance à faire diminuer le gain de tension de l'amplificateur à des fréquences de signal plus basses. Les amplificateurs à couplage capacitif ne répondent pratiquement pas aux signaux d'entrée CC.
• Le couplage direct avec une résistance série au lieu d'un condensateur série évite le problème du gain dépendant de la fréquence, mais présente l'inconvénient de réduire le gain de l'amplificateur pour toutes les fréquences de signal en atténuant le signal d'entrée.
• Des transformateurs et des condensateurs peuvent être utilisés pour coupler la sortie d'un amplificateur à une charge, afin d'empêcher la tension continue d'atteindre la charge.
• Les amplificateurs à plusieurs étages utilisent souvent un couplage capacitif entre les étages pour éliminer les problèmes de polarisation d'un étage affectant la polarisation d'un autre.

FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :

• Fiche de travail sur les circuits de polarisation des transistors bipolaires