4.11: Acoplamiento de entrada y salida

Para superar el desafío de crear el voltaje de polarización de CC necesario para la señal de entrada de un amplificador sin recurrir a la inserción de una batería en serie con la fuente de señal de CA, utilizamos un divisor de voltaje conectado a través de la fuente de alimentación de CC. Para que esto funcione en conjunto con una señal de entrada de CA, “acoplamos” la fuente de señal al divisor a través de un condensador, que actuó como un filtro de paso alto. Con ese filtrado en su lugar, la baja impedancia de la fuente de señal de CA no pudo “cortocircuitar” el voltaje de CC caído a través de la resistencia inferior del divisor de voltaje. Una solución sencilla, pero no exenta de desventajas.

Lo más obvio es el hecho de que usar un condensador de filtro de paso alto para acoplar la fuente de señal al amplificador significa que el amplificador solo puede amplificar las señales de CA. Un voltaje constante de CC aplicado a la entrada sería bloqueado por el condensador de acoplamiento tanto como el voltaje de polarización del divisor de voltaje está bloqueado de la fuente de entrada. Además, dado que la reactancia capacitiva depende de la frecuencia, las señales de CA de menor frecuencia no se amplificarán tanto como las señales de frecuencia más alta. Las señales no sinusoidales tenderán a distorsionarse, ya que el condensador responde de manera diferente a cada uno de los armónicos constituyentes de la señal. Un ejemplo extremo de esto sería una señal de onda cuadrada de baja frecuencia en la Figura a continuación.

La onda cuadrada de baja frecuencia acoplada capacitivamente muestra distorsión.

Por cierto, este mismo problema ocurre cuando las entradas del osciloscopio se ajustan al modo de “acoplamiento de CA” como en la Figura siguiente. En este modo, se inserta un condensador de acoplamiento en serie con la señal de voltaje medida para eliminar cualquier desplazamiento vertical de la forma de onda mostrada debido a la tensión de CC combinada con la señal. Esto funciona bien cuando el componente de CA de la señal medida es de una frecuencia bastante alta, y el condensador ofrece poca impedancia a la señal. Sin embargo, si la señal es de baja frecuencia, o contiene niveles considerables de armónicos en un amplio rango de frecuencias, la visualización de la forma de onda del osciloscopio no será precisa. (Figura abajo) Las señales de baja frecuencia se pueden ver configurando el osciloscopio en “acoplamiento de CC” en la Figura siguiente.

Con acoplamiento de CC, el osciloscopio indica correctamente la forma de la onda cuadrada proveniente del generador de señal.

Baja frecuencia: Con el acoplamiento de CA, el filtrado paso alto del condensador de acoplamiento distorsiona la forma de la onda cuadrada de manera que lo que se ve no es una representación precisa de la señal real.

En aplicaciones donde las limitaciones del acoplamiento capacitivo (Figura anterior) serían intolerables, se puede utilizar otra solución: acoplamiento directo. El acoplamiento directo evita el uso de condensadores o cualquier otro componente de acoplamiento dependiente de la frecuencia a favor de las resistencias. Un circuito amplificador de acoplamiento directo se muestra en la figura a continuación.

Amplificador de acoplamiento directo: acoplamiento directo al altavoz.

Sin condensador para filtrar la señal de entrada, esta forma de acoplamiento no exhibe dependencia de frecuencia. Las señales de CC y CA por igual serán amplificadas por el transistor con la misma ganancia (el transistor en sí puede tender a amplificar algunas frecuencias mejor que otras, ¡pero ese es otro tema completamente!).

Si el acoplamiento directo funciona tanto para CC como para señales de CA, ¿por qué usar acoplamiento capacitivo para cualquier aplicación? Una razón podría ser evitar cualquier voltaje de polarización de CC no deseado naturalmente presente en la señal a amplificar. Algunas señales de CA pueden superponerse a una tensión de CC no controlada directamente desde la fuente, y una tensión de CC incontrolada haría imposible la polarización confiable del transistor. El filtrado paso alto ofrecido por un condensador de acoplamiento funcionaría bien aquí para evitar problemas de polarización.

Otra razón para usar acoplamiento capacitivo en lugar de directo es su relativa falta de atenuación de señal. El acoplamiento directo a través de una resistencia tiene la desventaja de disminuir o atenuar, la señal de entrada para que solo una fracción de ella llegue a la base del transistor. En muchas aplicaciones, alguna atenuación es necesaria de todos modos para evitar que los niveles de señal “sobrepasen” el transistor a corte y saturación, por lo que cualquier atenuación inherente a la red de acoplamiento es útil de todos modos. Sin embargo, algunas aplicaciones requieren que no haya pérdida de señal desde la conexión de entrada a la base del transistor para obtener la máxima ganancia de voltaje, y un esquema de acoplamiento directo con un divisor de voltaje para polarización simplemente no será suficiente.

Hasta ahora, hemos discutido un par de métodos para acoplar una señal de entrada a un amplificador, pero no hemos abordado el tema de acoplar la salida de un amplificador a una carga. El circuito de ejemplo utilizado para ilustrar el acoplamiento de entrada servirá bien para ilustrar los problemas involucrados con el acoplamiento de salida.

En nuestro circuito de ejemplo, la carga es un altavoz. La mayoría de los altavoces son de diseño electromagnético: es decir, utilizan la fuerza generada por una bobina ligera de electroimán suspendida dentro de un fuerte campo de imán permanente para mover un cono delgado de papel o plástico, produciendo vibraciones en el aire que nuestros oídos interpretan como sonido. Un voltaje aplicado de una polaridad mueve el cono hacia afuera, mientras que un voltaje de polaridad opuesta moverá el cono hacia adentro. Para aprovechar la total libertad de movimiento del cono, el altavoz debe recibir voltaje de CA verdadero (imparcial). La polarización de CC aplicada a la bobina del altavoz compensa el cono de su posición central natural, y esto limita el movimiento de ida y vuelta que puede sostener del voltaje de CA aplicado sin sobreviajar. Sin embargo, nuestro circuito de ejemplo (Figura anterior) aplica un voltaje variable de solo una polaridad a través del altavoz, ya que el altavoz está conectado en serie con el transistor que solo puede conducir la corriente de una manera. Esto sería inaceptable para cualquier amplificador de audio de alta potencia.

De alguna manera necesitamos aislar el altavoz de la polarización de CC de la corriente del colector para que solo reciba voltaje de CA. Una forma de lograr este objetivo es acoplar el circuito colector de transistores al altavoz a través de un transformador en la Figura siguiente)

El acoplamiento del transformador aísla la CC de la carga (altavoz).

El voltaje inducido en el secundario (lado del altavoz) del transformador se debe estrictamente a variaciones en la corriente del colector porque la inductancia mutua de un transformador solo funciona con cambios en la corriente del devanado. En otras palabras, solo la porción de CA de la señal de corriente del colector se acoplará al lado secundario para alimentar el altavoz. El altavoz “verá” la verdadera corriente alterna en sus terminales, sin ningún sesgo de CC.

El acoplamiento de salida del transformador funciona y tiene el beneficio adicional de poder proporcionar una adaptación de impedancia entre el circuito del transistor y la bobina del altavoz con relaciones de bobinado personalizadas. Sin embargo, los transformadores tienden a ser grandes y pesados, especialmente para aplicaciones de alta potencia. Además, es difícil diseñar un transformador para manejar señales en un amplio rango de frecuencias, lo que casi siempre se requiere para aplicaciones de audio. Para empeorar las cosas, la corriente CC a través del devanado primario se suma a la magnetización del núcleo en una sola polaridad, lo que tiende a hacer que el núcleo del transformador se sature más fácilmente en un ciclo de polaridad de CA que en el otro. Este problema es una reminiscencia de tener el altavoz conectado directamente en serie con el transistor: una corriente de polarización de CC tiende a limitar cuánta amplitud de señal de salida puede manejar el sistema sin distorsión. Sin embargo, en general, un transformador puede diseñarse para manejar mucha más corriente de polarización de CC que un altavoz sin tener problemas, por lo que el acoplamiento del transformador sigue siendo una solución viable en la mayoría de los casos. Vea el transformador de acoplamiento entre Q4 y el altavoz, Regency TR1, Ch 9 como ejemplo de acoplamiento de transformador.

Otro método para aislar el altavoz de la polarización de CC en la señal de salida es alterar un poco el circuito y usar un condensador de acoplamiento de manera similar a acoplar la señal de entrada (Figura a continuación) al amplificador.

El acoplamiento del condensador aísla la CC de la carga.

Este circuito en la Figura anterior se asemeja a la forma más convencional de amplificador de emisor común, con el colector de transistores conectado a la batería a través de una resistencia. El condensador actúa como un filtro de paso alto, pasando la mayor parte del voltaje de CA al altavoz mientras bloquea todo el voltaje de CC. Nuevamente, se elige el valor de este condensador de acoplamiento para que su impedancia a la frecuencia de señal esperada sea arbitrariamente baja.

El bloqueo de la tensión de CC desde la salida de un amplificador, ya sea a través de un transformador o un condensador, es útil no solo para acoplar un amplificador a una carga, sino también para acoplar un amplificador a otro amplificador. Los amplificadores “por etapas” a menudo se utilizan para lograr mayores ganancias de potencia de lo que sería posible usando un solo transistor como en la Figura siguiente.

Amplificador de emisor común de tres etapas acoplado por condensador.

Si bien es posible acoplar directamente cada etapa a la siguiente (a través de una resistencia en lugar de un condensador), esto hace que todo el amplificador sea muy sensible a las variaciones en la tensión de polarización de CC de la primera etapa, ya que esa tensión de CC se amplificará junto con la señal de CA hasta la última etapa. Es decir, el sesgo de la primera etapa afectará el sesgo de la segunda etapa, y así sucesivamente. Sin embargo, si las etapas están acopladas capacitivamente mostradas en la ilustración anterior, la polarización de una etapa no tiene ningún efecto sobre la polarización de la siguiente, porque el voltaje de CC está bloqueado para pasar a la siguiente etapa.

El acoplamiento de transformadores entre etapas de amplificador también es una posibilidad, pero se ve con menos frecuencia debido a algunos de los problemas inherentes a los transformadores mencionados anteriormente. Una excepción notable a esta regla es en los amplificadores de radiofrecuencia (Figura a continuación) con pequeños transformadores de acoplamiento, que tienen núcleos de aire (haciéndolos inmunes a los efectos de saturación), que forman parte de un circuito resonante para bloquear frecuencias armónicas no deseadas de pasar a etapas posteriores. El uso de circuitos resonantes supone que la frecuencia de la señal permanece constante, lo que es típico de los circuitos de radio. Además, el efecto “volante” de los circuitos de tanque LC permite un funcionamiento de clase C para una alta eficiencia.

El amplificador RF sintonizado de tres etapas ilustra el acoplamiento del transformador.

Observe el acoplamiento del transformador entre los transistores Q1, Q2, Q3 y Q4, Regency TR1, Ch 9. Los tres transformadores de frecuencia intermedia (IF) dentro de las cajas discontinuas acoplan la señal IF del colector a la base de los siguientes amplificadores IF del transistor. Los amplificadores de frecuencia intermedia son amplificadores de RF, aunque, a una frecuencia diferente a la entrada de RF de la antena.

Dicho todo esto, hay que mencionar que es posible utilizar acoplamiento directo dentro de un circuito amplificador de transistores multietapa. En los casos en que se espera que el amplificador maneje señales de CC, esta es la única alternativa.

La tendencia de la electrónica a un uso más generalizado de los circuitos integrados ha fomentado el uso del acoplamiento directo sobre el acoplamiento del transformador o del condensador. El único componente de circuito integrado de fácil fabricación es el transistor. También se pueden producir resistencias de calidad moderada. Sin embargo, los transistores son favorecidos. Capacitores integrados a solo unos pocos 10's de pF son posibles. Los capacitores grandes no son integrables. Si es necesario, estos pueden ser componentes externos. Lo mismo ocurre con los transformadores. Dado que los transistores integrados son económicos, se sustituyen tantos transistores como sea posible por los condensadores y transformadores ofensivos. La mayor ganancia de acoplamiento directo posible se diseña en CI entre los componentes de acoplamiento externos. Si bien se utilizan capacitores y transformadores externos, estos incluso se están diseñando si es posible. El resultado es que una radio IC moderna (Ver “Radio IC”, Ch 9) no se parece en nada a la radio original de 4 transistores Regency TR1, Ch 9.

Incluso los transistores discretos son económicos en comparación con los transformadores. Los transformadores de audio voluminosos pueden ser reemplazados por transistores. Por ejemplo, una configuración de colector común (seguidor de emisor) puede igualar la impedancia de una impedancia de salida baja como un altavoz. También es posible reemplazar condensadores de acoplamiento grandes con circuitos de transistores.

Todavía nos gusta ilustrar textos con amplificadores de audio acoplados a transformadores. Los circuitos son simples. El recuento de componentes es bajo. Y, estos son buenos circuitos introductorios, fáciles de entender.

El circuito en la figura siguiente (a) es un amplificador de audio push-pull acoplado a transformador simplificado. En push-pull, par de transistores amplifican alternativamente las porciones positiva y negativa de la señal de entrada. Ni el transistor ni el otro conduce para ninguna entrada de señal. Una señal de entrada positiva será positiva en la parte superior del transformador secundario haciendo que el transistor superior conduzca. Una entrada negativa producirá una señal positiva en la parte inferior del secundario, impulsando el transistor inferior a la conducción. Así, los transistores amplifican mitades alternas de una señal. Como se dibuja, ninguno de los transistores de la Figura siguiente (a) conducirá para una entrada por debajo de 0.7 Vpeak. Un circuito práctico conecta la toma central secundaria a un divisor de resistencia de 0.7 V (o mayor) en lugar de tierra para polarizar ambos transistores para la verdadera clase B..

(a) Amplificador push-pull acoplado a transformador. b) El amplificador de par complementario-acoplado directo reemplaza los transformadores con transistores.

El circuito de la Figura anterior (b) es la versión moderna que reemplaza las funciones del transformador con transistores. Los transistores Q ₁ y Q ₂ son amplificadores emisores comunes, invirtiendo la señal con ganancia de base a colector. Los transistores Q ₃ y Q ₄ son conocidos como un par complementario porque estos transistores NPN y PNP amplifican mitades alternas (positiva y negativa, respectivamente) de la forma de onda. La conexión paralela a las bases permite la división de fase sin un transformador de entrada en (a). El altavoz es la carga del emisor para Q ₃ y Q ₄. La conexión en paralelo de los emisores de los transistores NPN y PNP elimina el transformador de salida de toma central en (a) La baja impedancia de salida del seguidor de emisor sirve para hacer coincidir la impedancia baja de 8 Ω del altavoz con la etapa de emisor común precedente. Así, los transistores económicos reemplazan a los transformadores. Para ver el circuito completo, consulte “Amplificador de audio de 3 w de simetría complementaria acoplada directa”, Ch 9

Revisar

• El acoplamiento capacitivo actúa como un filtro de paso alto en la entrada de un amplificador. Esto tiende a hacer que la ganancia de voltaje del amplificador disminuya a frecuencias de señal más bajas. Los amplificadores de acoplamiento capacitivo no responden a las señales de entrada de CC.
• El acoplamiento directo con una resistencia en serie en lugar de un condensador en serie evita el problema de la ganancia dependiente de la frecuencia, pero tiene la desventaja de reducir la ganancia del amplificador para todas las frecuencias de señal al atenuar la señal de entrada.
• Los transformadores y condensadores se pueden utilizar para acoplar la salida de un amplificador a una carga, para eliminar el voltaje de CC de llegar a la carga.
• Los amplificadores multietapa a menudo hacen uso del acoplamiento capacitivo entre etapas para eliminar problemas con la polarización de una etapa que afecta la polarización de otra.