交流耦合和直流耦合
一、定义与核心原理
1. 直流耦合
定义：传输信号时，允许信号的所有成分（包括直流分量和交流分量）无阻碍地通过。
核心原理：耦合路径是直通的，没有隔直元件。可以理解为一条完整的导线，信号的原样传输。
比喻：就像一条完整的河流，河水本身（直流分量）和上面的波浪（交流分量）一起向下游流动。
2. 交流耦合
定义：传输信号时，只允许信号的交流分量通过，而阻断其直流分量。
核心原理：通过在信号路径中串联一个电容（称为隔直电容或耦合电容），利用电容“隔直流、通交流”的特性。
比喻：就像在河流中安装了一个只允许波浪通过的水坝。水坝挡住了稳定的河水水位（直流分量），但水面的波动（交流分量）可以传递过去。
下图通过一个形象的类比，展示了两种耦合方式的核心区别：
二、两者之间的核心区别
| 特性 | 直流耦合 | 交流耦合 |
|---|---|---|
| 直流分量 | 保留 | 去除 |
| 信号基准点 | 以绝对地电平为基准 | 以信号自身的平均值（即0V）为基准 |
| 硬件实现 | 直接连接 | 串联一个电容 |
| 低频响应 | 可低至0Hz（直流） | 存在一个下限截止频率（f = 1/(2πRC)） |
| 常见应用场景 | 电源、传感器供电、低速数字信号（如I2C）、精密测量 | 音频信号、射频通信、高速串行总线（如PCIe, SATA）、视频信号 |
三、为什么要采用不同的耦合方式？（设计目的）
选择哪种耦合方式，是电子系统设计中至关重要的决策，主要基于以下几点考虑：
1. 去除不必要的直流偏置（交流耦合的主要目的）
场景：当一个信号带有直流偏置，但后续电路只需要其交流波动部分时。
实例：
音频放大：麦克风输出的信号可能有一个2.5V的直流偏置，上面叠加着几十毫伏的音频信号。如果直接送入扬声器，2.5V的直流电压会使喇叭音圈严重偏移，导致失真甚至损坏。使用交流耦合后，只将纯净的音频信号放大，驱动扬声器发出声音。
射频通信：在无线收发器中，直流分量会干扰混频器等关键模块的工作，必须去除。
2. 确保接收端的工作点兼容（交流耦合的关键优势）
场景：连接两个具有不同共模电平或电源电压的系统。
实例：
高速串行总线（PCIe, SATA, USB）：这是交流耦合最经典的应用。发送端和接收端可能使用不同的核心电压，它们的信号电平基准（共模电压）不同。通过串联电容（通常为75nF~200nF）进行交流耦合，可以实现电气隔离，允许双方使用各自独立的供电和地参考，只关注信号的跳变（0和1的变化），极大提高了系统的兼容性和可靠性。
3. 保留信号的绝对信息（直流耦合的主要目的）
场景：信号的直流分量本身就包含有价值的信息。
实例：
温度传感器（如热电偶）：其输出的电压绝对值直接对应被测温度。如果使用交流耦合，温度信息（直流分量）就完全丢失了。
电源电压监控：测量电池电压或电源纹波时，必须使用直流耦合才能看到真实的直流电压值和交流纹波叠加在一起的效果。
慢变信号：如光电二极管的输出，其变化非常缓慢，几乎可以看作是直流信号，必须用直流耦合测量。
4. 简化电路与成本（直流耦合的优势）
直流耦合无需额外的电容，电路更简单，成本更低。对于低频或直流信号，使用交流耦合需要非常大的电容才能获得良好的低频响应，这会增加成本和电路板面积。
四、实际应用示例
示波器的耦合选择开关
您可以在示波器通道上最直观地看到这两种耦合方式的应用：
选择DC耦合：您将看到信号的全部真相，包括其直流偏置。例如，测量一个在2.5V直流上叠加了100mV纹波的电源，您会看到一条在2.5V基准线上波动的波形。
选择AC耦合：示波器内部的一个电容会被接入。此时，波形会下移，使得其平均值变为0V。您只能看到那100mV的纹波，而看不到2.5V的直流电平。这对于观察小纹波淹没在大直流电压中的情况非常有用。
总结
| 耦合方式 | 何时使用 |
|---|---|
| 直流耦合 | 需要测量/处理信号的绝对电平时（如传感器输出、电源电压、低速数字逻辑）。 |
| 交流耦合 | 1. 只关心信号的变化部分时（如音频、视频）。 2. 需要隔离两个系统的直流电平时（如高速串行链路）。 3. 需要消除大的直流偏置以观察小的交流波动时。 |
简单来说，要“绝对值”，用直流耦合；要“相对变化”，用交流耦合。 这个选择是电子电路设计中实现功能、保证性能和提升兼容性的基础。