入力と出力の結合
AC信号源と直列にバッテリーを挿入することなく、アンプの入力信号に必要なDCバイアス電圧を生成するという課題を克服するために、DC電源の両端に接続された分圧器を使用しました。これをAC入力信号と組み合わせて機能させるために、ハイパスフィルターとして機能するコンデンサーを介して信号源を分周器に「結合」しました。そのフィルタリングが適切に行われていると、AC信号源の低インピーダンスは、分圧器の下部抵抗の両端で降下したDC電圧を「短絡」させることができませんでした。シンプルな解決策ですが、欠点がないわけではありません。
最も明白なのは、信号源を増幅器に結合するためにハイパスフィルタコンデンサを使用することは、増幅器がAC信号しか増幅できないことを意味するという事実です。入力に印加される安定したDC電圧は、分圧器のバイアス電圧が入力ソースからブロックされるのと同じように、カップリングコンデンサによってブロックされます。さらに、容量性リアクタンスは周波数に依存するため、低周波数のAC信号は高周波数の信号ほど増幅されません。非正弦波信号は、コンデンサが信号の構成高調波のそれぞれに対して異なる応答をするため、歪む傾向があります。
この極端な例は、下の図の低周波方形波信号です。
容量結合された低周波方形波は歪みを示します。
ちなみに、これと同じ問題は、下の図のようにオシロスコープの入力が「AC結合」モードに設定されている場合に発生します。
このモードでは、カップリングコンデンサが測定された電圧信号と直列に挿入され、信号と組み合わされたDC電圧による表示された波形の垂直オフセットを排除します。これは、測定信号のAC成分がかなり高い周波数であり、コンデンサが信号に対してほとんどインピーダンスを提供しない場合に正常に機能します。ただし、信号の周波数が低い場合、または広い周波数範囲でかなりのレベルの高調波が含まれている場合、波形のオシロスコープ表示は正確ではありません。
下の図でオシロスコープを「DC結合」に設定すると、低周波信号を表示できます。
DC結合を使用すると、オシロスコープは信号発生器からの方形波の形状を適切に示します。
低周波数：AC結合では、結合コンデンサのハイパスフィルタリングにより方形波の形状が歪むため、実際の信号を正確に表現することはできません。
直接結合
容量結合の制限（上の図を考慮）が耐えられないアプリケーションでは、別のソリューションを使用できます： 直接結合 。直接結合は、コンデンサやその他の周波数依存の結合コンポーネントの使用を避け、抵抗を優先します。直結増幅器回路を下図に示します。
直接結合アンプ：スピーカーへの直接結合。
入力信号をフィルタリングするコンデンサがないため、この形式の結合は周波数依存性を示しません。 DC信号とAC信号は、同じゲインのトランジスタによって同様に増幅されます（トランジスタ自体は、他の周波数よりも一部の周波数を増幅する傾向がある場合がありますが、それはまったく別の問題です！）。
直接結合がAC信号だけでなくDC信号でも機能する場合は、任意のに容量結合を使用する必要があります。 応用？理由の1つは、不要なを回避することです。 増幅される信号に自然に存在するDCバイアス電圧。一部のAC信号は、ソースからの制御されていないDC電圧に重畳される可能性があり、制御されていないDC電圧は、信頼性の高いトランジスタバイアスを不可能にします。カップリングコンデンサによって提供されるハイパスフィルタリングは、バイアスの問題を回避するためにここでうまく機能します。
直接ではなく容量結合を使用するもう1つの理由は、信号の減衰が比較的少ないことです。抵抗を介した直接結合には、入力信号を減衰させて、その一部だけがトランジスタのベースに到達するという欠点があります。多くのアプリケーションでは、信号レベルがトランジスタをカットオフと飽和に「オーバードライブ」するのを防ぐために、とにかくある程度の減衰が必要です。したがって、結合ネットワークに固有の減衰はとにかく有用です。ただし、一部のアプリケーションでは、 がないことが必要です。 最大の電圧利得を得るための入力接続からトランジスタのベースへの信号損失、およびバイアス用の分圧器を備えた直接結合方式では、単純に十分ではありません。
これまで、入力を結合するためのいくつかの方法について説明してきました。 アンプに信号を送りますが、アンプの出力の結合の問題には対処していません。 負荷に。入力結合を説明するために使用される回路例は、出力結合に関連する問題を説明するのに役立ちます。
この例の回路では、負荷はスピーカーです。ほとんどのスピーカーは電磁設計です。つまり、強力な永久磁石フィールド内に吊るされた軽量の電磁石コイルによって生成される力を使用して、薄い紙やプラスチックコーンを動かし、空気中に振動を発生させ、耳が音と解釈します。ある極性の印加電圧はコーンを外側に動かし、反対の極性の電圧はコーンを内側に動かします。コーンの完全な動きの自由を利用するには、スピーカーは真の（バイアスのない）AC電圧を受け取る必要があります。スピーカーコイルに適用されたDCバイアスは、コーンをその自然な中心位置からオフセットします。これにより、コーンが過移動することなく、適用されたAC電圧から維持できる前後の動きが制限されます。ただし、この例の回路は、1つだけの変動電圧を印加します スピーカーは一方向にしか電流を流せないトランジスタと直列に接続されているため、スピーカーの両端の極性。これは、ハイパワーオーディオアンプには受け入れられません。
どういうわけか、スピーカーをコレクター電流のDCバイアスから分離して、AC電圧のみを受け取るようにする必要があります。この目標を達成する1つの方法は、下の図のトランスを介してトランジスタコレクタ回路をスピーカーに結合することです。
トランスカップリングは、DCを負荷（スピーカー）から分離します。
変圧器の2次側（スピーカー側）に誘導される電圧は、厳密には変動によるものです。 変圧器の相互インダクタンスは変化でのみ機能するため、コレクタ電流の変化 巻線電流で。言い換えると、コレクタ電流信号のAC部分のみが、スピーカーに電力を供給するために2次側に結合されます。スピーカーは、DCバイアスなしで、端子で真の交流電流を「見る」ことができます。
トランス出力カップリングは機能し、カスタム巻線比でトランジスタ回路とスピーカーコイル間のインピーダンス整合を提供できるという追加の利点があります。ただし、特に高電力アプリケーションの場合、変圧器は大きくて重い傾向があります。また、オーディオアプリケーションでほとんどの場合必要となる広範囲の周波数の信号を処理するようにトランスを設計することは困難です。さらに悪いことに、一次巻線を流れるDC電流は、一方の極性でのみコアの磁化を増加させます。これにより、一方のAC極性サイクルでトランスコアがもう一方の極性サイクルよりも飽和しやすくなります。この問題は、スピーカーをトランジスタと直接直列に接続することを連想させます。DCバイアス電流は、システムが歪みなしで処理できる出力信号の振幅を制限する傾向があります。ただし、一般的に、トランスはスピーカーよりもはるかに多くのDCバイアス電流を問題なく処理できるように設計できるため、ほとんどの場合、トランス結合は依然として実行可能なソリューションです。変圧器の結合の例として、Q4とスピーカーの間の結合変圧器であるRegency TR1、Ch9を参照してください。
出力信号のDCバイアスからスピーカーを分離する別の方法は、回路を少し変更し、入力信号（下の図）をアンプに結合するのと同様の方法で結合コンデンサを使用することです。
コンデンサ結合はDCを負荷から分離します。
上の図のこの回路は、トランジスタコレクタが抵抗を介してバッテリに接続されている、より従来型のエミッタ接地増幅器に似ています。コンデンサはハイパスフィルターとして機能し、すべてのDC電圧をブロックしながら、AC電圧の大部分をスピーカーに渡します。この場合も、この結合コンデンサの値は、予想される信号周波数でのインピーダンスが任意に低くなるように選択されます。
変圧器またはコンデンサを介した増幅器の出力からのDC電圧の遮断は、増幅器を負荷に結合するだけでなく、ある増幅器を別の増幅器に結合する場合にも役立ちます。 「段階的」増幅器は、下の図のように、単一のトランジスタを使用した場合よりも高い電力利得を達成するためによく使用されます。
コンデンサ結合の3段エミッタ接地増幅器。
各ステージを（コンデンサではなく抵抗を介して）次のステージに直接結合することは可能ですが、これによりアンプ全体が非常に そのDC電圧は、最後のステージまでAC信号とともに増幅されるため、最初のステージのDCバイアス電圧の変動に敏感です。つまり、第1ステージのバイアスは、第2ステージのバイアスに影響を与えます。ただし、上の図に示すように、ステージが容量結合されている場合、DC電圧が次のステージに渡らないようにブロックされるため、あるステージのバイアスは次のステージのバイアスに影響しません。
アンプ段間のトランス結合も可能ですが、前述のトランスに固有の問題のいくつかのため、あまり見られません。この規則の1つの注目すべき例外は、不要な高調波周波数が後続に伝わるのをブロックする共振回路の一部である空芯（飽和効果の影響を受けないようにする）を備えた小さな結合トランスを備えた無線周波数増幅器（下図）です。ステージ。共振回路の使用は、信号周波数が一定のままであることを前提としています。これは、無線回路に典型的なことです。また、LCタンク回路の「フライホイール」効果により、クラスCの動作が可能になり、高効率が実現します。
3ステージの同調RFアンプは、トランスの結合を示しています。
トランジスタQ1、Q2、Q3、およびQ4、Regency TR1、Ch 9間のトランス結合に注意してください。破線のボックス内の3つの中間周波数（IF）トランスは、コレクタからのIF信号を後続のトランジスタIF増幅器のベースに結合します。 中間周波数 ただし、増幅器はアンテナのRF入力とは異なる周波数のRF増幅器です。
以上のことをすべて述べましたが、 であることに言及する必要があります。 多段トランジスタ増幅回路内で直接結合を使用することが可能です。アンプがDC信号を処理することが期待される場合、これが唯一の代替手段です。
集積回路のより広範な使用への電子機器の傾向は、変圧器またはコンデンサー結合よりも直接結合の使用を奨励している。簡単に製造できる集積回路部品はトランジスタだけです。中程度の品質の抵抗器も製造できます。ただし、トランジスタが好まれます。わずか数十pFまでの統合コンデンサが可能です。大きなコンデンサは統合できません。必要に応じて、これらを外部コンポーネントにすることができます。同じことが変圧器にも当てはまります。集積トランジスタは安価であるため、問題のあるコンデンサとトランスの代わりにできるだけ多くのトランジスタを使用します。可能な限り多くの直接結合ゲインが、外部結合コンポーネント間のICに設計されています。外部コンデンサとトランスが使用されていますが、これらは可能であれば設計されています。その結果、最新のICラジオ（「ICラジオ」、第9章を参照）は、元の4トランジスタラジオのリージェンシーTR1、第9章とはまったく異なります。
ディスクリートトランジスタでさえ、トランスに比べて安価です。かさばるオーディオトランスはトランジスタに置き換えることができます。たとえば、コレクタ接地（エミッタフォロワ）構成では、スピーカーのように低出力インピーダンスとインピーダンス整合させることができます。大きなカップリングコンデンサをトランジスタ回路に置き換えることも可能です。
トランス結合されたオーディオアンプを使ってテキストを説明したいと思います。回路はシンプルです。部品点数が少ない。そして、これらは優れた入門回路であり、理解しやすいものです。
下の図（a）の回路は、単純化されたトランス結合のプッシュプルです。 オーディオアンプ。プッシュプルでは、トランジスタのペアが入力信号の正と負の部分を交互に増幅します。どちらのトランジスタも、信号入力がない場合は導通しません。正の入力信号は、トランスの2次側の上部で正になり、上部のトランジスタを導通させます。負の入力は、2次側の下部に正の信号を生成し、下部のトランジスタを導通状態にします。したがって、トランジスタは信号の半分を交互に増幅します。描かれているように、下の図（a）のどちらのトランジスタも0.7Vpeak未満の入力に対して導通しません。実際の回路では、2次センタータップをグランドではなく0.7 V（またはそれ以上）の抵抗分割器に接続して、両方のトランジスタを真のクラスBにバイアスします。
（a）トランス結合プッシュプルアンプ。 （b）直接結合された相補対増幅器は、変圧器をトランジスタに置き換えます。
上の図（b）の回路は、トランスの機能をトランジスタに置き換えた最新バージョンです。トランジスタQ1とQ2はエミッタ接地増幅器であり、ベースからコレクタへのゲインで信号を反転します。トランジスタQ3とQ4は、相補ペアとして知られています。 これらのNPNトランジスタとPNPトランジスタは、波形の半分（それぞれ正と負）を増幅するためです。ベースの並列接続により、（a）で入力トランスなしで位相分割が可能になります。スピーカーはQ3とQ4のエミッター負荷です。 NPNトランジスタとPNPトランジスタのエミッタを並列接続すると、（a）のセンタータップ出力トランスが不要になります。エミッタフォロワの低出力インピーダンスは、スピーカーの低8Ωインピーダンスを先行するエミッタ接地段に一致させるのに役立ちます。したがって、安価なトランジスタが変圧器に取って代わります。完全な回路については、「直接結合相補対称3wオーディオアンプ」Ch9
を参照してください。レビュー：
- 容量結合は、増幅器の入力のハイパスフィルターのように機能します。これにより、信号周波数が低くなるとアンプの電圧ゲインが低下する傾向があります。容量結合アンプは、DC入力信号にほとんど反応しません。
- 直列コンデンサの代わりに直列抵抗を直接結合すると、周波数に依存するゲインの問題を回避できますが、入力信号を減衰させることにより、すべての信号周波数の増幅器のゲインを下げるという欠点があります。
- 変圧器とコンデンサを使用して、増幅器の出力を負荷に結合し、DC電圧が負荷に到達するのを防ぐことができます。
- 多段増幅器は、多くの場合、ステージ間の容量結合を利用して、あるステージからのバイアスが別のステージのバイアスに影響を与える問題を排除します。
関連するワークシート：
- バイポーラトランジスタバイアス回路ワークシート
産業技術