Rolle von Kondensatoren im Verstärker

Um dies richtig zu beantworten, müssen wir zunächst definieren, wovon wir eigentlich sprechen. Nur "gemeinsamer Emitterverstärker" ist zu viel Handbewegung. Wir verwenden dieses Beispiel:

Aus dem Verhältnis von R2 zu R1 können Sie ersehen, dass dies eine Spannungsverstärkung von fast 10 hat. Berücksichtigen Sie jedoch auch die DC-Eigenschaften. Der Transistor bleibt ausgeschaltet, bis der Eingang beispielsweise etwa 700 mV erreicht. In erster Näherung folgt die Spannung an R1 danach IN minus dem Abfall von 700 mV BE. Der größte Teil des R1-Stroms fließt auch durch R2. Da R2 10x höher ist, erscheint die Spannung, die über R1 erscheint, um 10 verstärkt über R2.

Nehmen wir an, wir wollen die CE-Spannung auf mindestens 1 V halten, damit der Transistor gut in seinem linearen Bereich bleibt. Das Ende des nutzbaren Bereichs ist daher 1 V an Q1, was 9 V für R2 und R1 übrig lässt. Wenn wir mit dem Ohmschen Gesetz arbeiten, sagt uns dies, dass 820 mV auf R1 und 8,2 V auf R2 liegen. Der nützliche Eingangsbereich dieses Verstärkers beträgt daher 700 mV bis 1,5 V, mit einem entsprechenden Ausgangsbereich von 10 V bis 1,8 V.

Kann jeder Schaltkreis, der IN erzeugt, so arrangieren, dass er immer 700 mV bis 1,5 V beträgt? Vielleicht, aber das könnte unangenehm sein. Was, wenn das Signal von woanders kam? Wenn Sie keine hochspezialisierte Anwendung haben, ist es unvernünftig, einen Verstärker zu bauen und dem Benutzer zu sagen, dass der Eingang 700 mV bis 1,5 V betragen muss.

Dies könnte ein kniffliges Problem sein, wenn diese Schaltung etwas verstärkt, wo der DC-Pegel wichtig ist. Aber was wäre, wenn dies zum Beispiel für Audio wäre. Alles unter 20 Hz kann verworfen werden, da wir das sowieso nicht hören können. Das bedeutet, dass der DC-Pegel für Audiosignale irrelevant ist (DC liegt deutlich unter 20 Hz).

Wenn wir diesen Verstärker nur benötigen, um mit Audiosignalen zu arbeiten, können wir ihn so einrichten, dass er sich selbst "vorspannt". Biasing bezieht sich auf die Einstellung des statischen DC-Arbeitspunkts. In diesem Fall möchten wir, dass sich der Ausgang ungefähr in der Mitte seines verfügbaren Bereichs befindet, damit er von dort ungefähr gleichmäßig zu beiden Grenzen schwingen kann. Der Ruheausgang sollte daher etwa 6 V betragen, was bedeutet, dass der Eingang etwa 1,1 V betragen muss. Diese Schaltung enthält einige zusätzliche Komponenten, um sich selbst vorzuspannen:

Beachten Sie, wie dies die Verstärkung des Verstärkers verwendet, um ihn auf einem vernünftigen Vorspannungspunkt zu halten. Wenn OUT zu hoch wird, wird IN erhöht, wodurch OUT wieder nach unten geht. Dies wird als negative Rückkopplung bezeichnet und ist nützlich, um Schaltungen wie diese vorzuspannen und zu stabilisieren.

Da sich der Verstärker nun selbst vorspannt und wir uns nur um Abweichungen vom Vorspannungspunkt über 20 Hz kümmern, möchten wir nicht, dass die Eingangsspannung den Vorspannungspunkt ändern kann. Was wir brauchen, ist eine Möglichkeit, DC zu blockieren, aber AC durchzulassen. Das macht ein Kondensator.

Um den richtigen Wert des Kondensators zu finden, müssen Sie die Impedanz kennen, die er treiben wird, und die Frequenz, unterhalb der es in Ordnung ist, mit der Dämpfung zu beginnen. Wir haben bereits gesagt, dass unsere interessierende untere Frequenz 20 Hz ist. Die auf IN blickende Impedanz ist die parallele Kombination von R4, R1, die zurück zur Basis von Q1 projiziert wird, und die scheinbare Impedanz, die von IN auf R3 blickt. Der R4-Beitrag beträgt 10 kΩ aus der Inspektion. R1, gesehen durch den Transistor, wird grob mit seiner Verstärkung multipliziert. Nehmen wir an, die minimale Verstärkung beträgt 50, aber das Maximum könnte viel höher sein. Dies sind also 50 kΩ bis zu 100 kΩ. Ja, Transistoren sind sehr unterschiedlich, und ein Teil der Aufgabe beim Entwerfen von Transistorschaltungen besteht darin, diese Variation so zu gestalten, dass sie über einen gewissen plausiblen Bereich hinweg irrelevant ist.

Die effektive Impedanz mit Blick auf R3 ist schwieriger. Wenn das andere Ende von R3 auf AC-Masse wäre, wären es einfach 43 kΩ. Wenn IN jedoch etwas ansteigt, geht das andere Ende von R3 um etwa das 10-fache nach unten. Für jede kleine Änderung an IN ist die Änderung des Stroms durch R3 daher etwa 11x größer als wenn das andere Ende von R3 fixiert wäre. Am Ende beträgt die scheinbare Impedanz von R3 auf In etwa 3,9 kΩ. Wenn wir das alles zusammenzählen, erhalten wir etwa 2,7 kΩ. Beachten Sie, dass der Beitrag von R1 selbst für seinen gesamten Bereich von 50 kΩ bis unendlich gering ist.

Jetzt können wir also endlich einen Kondensatorwert auswählen. Die Rolloff-Frequenz eines RC-Filters ist

  F = 1 / (2πRC)

Wenn R in Ohm, C in Farad ist, dann ist F in Hertz. Die endgültige Audioverstärkerschaltung ist daher:

C1 dämpft Komponenten des Eingangssignals von etwa 20 Hz nach unten und blockiert Gleichstrom vollständig. Vielleicht möchten Sie etwas Ähnliches am Ausgang des Verstärkers. Was auch immer nachgeschaltet ist, möchte möglicherweise nicht mit dem DC-Offset von etwa 6 V umgehen, den dieser Verstärker auf das Signal legt, und hat möglicherweise seine eigenen Vorspannungsanforderungen. In einem Audioverstärker oder irgendetwas anderem, das nicht mit Gleichstrom arbeiten muss, ist es üblich, Kondensatoren zwischen den Stufen zu haben, um Gleichstrom zu blockieren und jeder Stufe ihren eigenen Gleichstromarbeitspunkt zu ermöglichen.

EINE SEHR KURZE DISKUSSION

In jedem elektronischen System, das Informationen verarbeitet, gibt es verschiedene Stufen ( Einheiten ) wie: Modulation (Codierung), Signalverstärkung ; Leistungsverstärkung usw. Jede dieser Stufen sind unabhängige elektronische Schaltungen, die ihre Arbeit erledigen, und das Signal geht dann zur nächsten Stufe für die nächste Verarbeitungsstufe.

Jeder der unabhängigen Stromkreise benötigt seine eigenen Gleichspannungen, damit sie optimal funktionieren, und es ist entscheidend, dass sie konstant gehalten werden (sie bestimmen den sogenannten Betriebspunkt der Einheit). Um zu verhindern, dass die Gleichspannungen von einer Einheit durchgehen auf den nächsten legen und damit dessen Arbeitspunkt verschieben, setzen wir die RC-Schaltung.

Der Kondensator ist ein offener Stromkreis für die DC-Spannung/den DC-Strom von der vorherigen Stufe, aber er lässt das höherfrequente AC-Signal zur nächsten Stufe passieren. Wenn Sie den Eingangskondensator zu einer neuen Stufe entfernen, verschiebt die Gleichspannung der vorherigen Stufe den Arbeitspunkt der neuen Stufe, die nicht ordnungsgemäß funktioniert. Sie werden wahrscheinlich Rauschen am Ausgang bekommen; dh die Einheit (neue Stufe) arbeitet nicht wie gewünscht, sie versagt in ihrer Funktion.

Ich hoffe, dies hilft Ihnen, die Bedeutung der Kondensatoren bei dieser Verwendung zu verstehen.

Die Antworten enthalten bisher jede Menge Informationen, daher werde ich versuchen, sie so einfach wie möglich zu beantworten, um langweilige Leute zu vermeiden, indem ich die vorherigen Antworten wiederhole.

Die Bedeutung jeder Komponente in einem Verstärker ist normalerweise entscheidend für die Funktion oder für eine anständige Leistung. Ja, es wird Entwürfe geben, die viele von uns gemacht/gesehen haben und die ein paar Komponenten haben, die zweifelhaftere Vorteile haben, aber das ist ein anderer Punkt.

Ein Kopplungskondensator kann viele Dinge bedeuten, daher werde ich mich nur auf eine Signalkopplungskappe und ihre Bedeutung konzentrieren. An einem Eingang verhindert es beispielsweise, dass Mikrofone und Gitarren die Vorspannungspegel des Verstärkers ruinieren - es funktioniert nicht, wenn Sie den Kondensator nicht haben. An einem Ausgang macht es so ziemlich dasselbe - jede ohmsche Last stört den DC-Ruhepunkt und verursacht höchstwahrscheinlich Verzerrungen oder einen Komponentenausfall.