放大器的輸入阻抗定義及模型計(jì)算公式方程的增益摘要

放大器的輸入阻抗定義其輸入特性，關(guān)于放大器輸入端子的電流和電壓

輸入阻抗， Z <通常稱為sub> IN 或輸入電阻是晶體管放大器設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)，因此可以根據(jù)放大器的有效性對(duì)放大器進(jìn)行表征輸入和輸出阻抗以及它們的功率和電流額定值。

放大器阻抗值對(duì)于分析尤其重要，特別是在將各個(gè)放大器級(jí)一個(gè)接一個(gè)地級(jí)聯(lián)在一起時(shí)，可以最大限度地減少信號(hào)失真。

放大器的輸入阻抗是驅(qū)動(dòng)放大器輸入的源“看到”的輸入阻抗。如果它太低，它可能對(duì)前一級(jí)產(chǎn)生不利的負(fù)載效應(yīng)，并可能影響該級(jí)的頻率響應(yīng)和輸出信號(hào)電平。但在大多數(shù)應(yīng)用中，共發(fā)射極和共集電極放大器電路通常具有較高的輸入阻抗。

某些類型的放大器設(shè)計(jì)，如共集電極放大器電路，自動(dòng)具有高輸入阻抗和低輸出阻抗。他們的設(shè)計(jì)本質(zhì)。放大器可以具有高輸入阻抗，低輸出阻抗和幾乎任意增益，但是放大器輸入阻抗低于預(yù)期，前一級(jí)的輸出阻抗可以調(diào)整以補(bǔ)償，或者如果不可能，那么緩沖放大器級(jí)可能需要。

除電壓放大（ Av ）外，放大器電路還必須具有電流放大（ Ai ）。放大器電路也可以預(yù)期功率放大（ Ap ）。但除了具有這三個(gè)重要特性外，放大器電路還必須具有其他特性，如高輸入阻抗（ Z IN ），低輸出阻抗（ Z OUT ）和一定程度的帶寬，（ Bw ）。無(wú)論哪種方式，“完美”放大器將具有無(wú)限輸入阻抗和零輸出阻抗。

輸入和輸出阻抗

在許多方面，放大器可以被認(rèn)為是一種“黑盒子”，其具有兩個(gè)輸入端子和兩個(gè)輸出端子，如圖所示。這個(gè)想法提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的 h參數(shù)模型晶體管，我們可以用它來(lái)找到放大器的直流設(shè)定點(diǎn)和工作參數(shù)。實(shí)際上，其中一個(gè)端子在表示接地或零電壓的輸入和輸出之間是通用的。

當(dāng)從外部看時(shí)，這些端子具有輸入阻抗， Z IN 和輸出阻抗 Z OUT 。放大器的輸入和輸出阻抗是流入或流出這些端子的電壓與電流之比。輸入阻抗可能取決于饋送放大器的源電源，而輸出阻抗也可能根據(jù)輸出端子上的負(fù)載阻抗 R L 而變化。

被放大的輸入信號(hào)通常是交流電（AC），放大器電路代表負(fù)載， Z 到源。對(duì)于基于雙極性的晶體管電路，放大器的輸入阻抗可以是幾十歐姆（歐姆Ω）到幾千歐姆（千歐姆kΩ），高達(dá)數(shù)百萬(wàn)對(duì)于基于FET的晶體管電路，歐姆，（兆歐姆MΩ）。

當(dāng)信號(hào)源和負(fù)載連接到放大器時(shí)，放大器電路的相應(yīng)電氣特性可以如圖所示建模。

輸出和輸入阻抗模型

其中， V S 是信號(hào)電壓， R S 是信號(hào)源的內(nèi)阻， R L 是連接在輸出端的負(fù)載電阻。我們可以通過(guò)觀察放大器如何連接到源和負(fù)載來(lái)進(jìn)一步擴(kuò)展這個(gè)想法。

當(dāng)放大器連接到信號(hào)源時(shí)，源“看到”輸入阻抗， Zin 放大器作為負(fù)載。同樣，輸入電壓 Vin 是放大器在輸入阻抗 Zin 上看到的電壓。然后放大器輸入可以建模為簡(jiǎn)單的分壓電路，如圖所示。

放大器輸入電路模型

同樣的想法適用于放大器的輸出阻抗。當(dāng)負(fù)載電阻 R L 連接到放大器的輸出時(shí)，放大器成為饋電負(fù)載的源。因此，輸出電壓和阻抗自動(dòng)成為負(fù)載的源電壓和源阻抗，如圖所示。

放大器輸出電路模型

然后我們可以看到放大器的輸入和輸出特性都可以建模為簡(jiǎn)單的分壓器網(wǎng)絡(luò)。放大器本身可以連接在 Common Emitter （發(fā)射極接地）， Common Collector （射極跟隨器）或 Common Base 配置中。在本教程中，我們將看看以前面所見(jiàn)的共發(fā)射極配置連接的雙極晶體管。

公共發(fā)射極放大器

所謂的經(jīng)典共射極配置使用潛在的分壓器網(wǎng)絡(luò)來(lái)偏置晶體管Base。電源 Vcc 和偏置電阻將晶體管工作點(diǎn)設(shè)置為在正向激活模式下導(dǎo)通。沒(méi)有信號(hào)電流流入基極，沒(méi)有集電極電流流過(guò)（晶體管截止），集電極上的電壓與電源電壓 Vcc 相同。進(jìn)入基極的信號(hào)電流導(dǎo)致電流流入集電極電阻， Rc 會(huì)在其上產(chǎn)生電壓降，導(dǎo)致集電極電壓下降。

然后改變方向收集器電壓與基極上的變化方向相反，換句話說(shuō)，極性反轉(zhuǎn)。因此，共發(fā)射極配置通過(guò)從集電極兩端獲取輸出電壓來(lái)產(chǎn)生大電壓放大和良好定義的直流電壓電平，如電阻 R L 所示，表示負(fù)載輸出。

單級(jí)公共發(fā)射極放大器

希望現(xiàn)在我們能夠計(jì)算晶體管在其線性有源區(qū)域中間工作所需的電阻值，稱為靜態(tài)點(diǎn)或Q點(diǎn)，但快速?gòu)?fù)習(xí)將有助于我們更好地了解放大器值的獲得方式，以便我們可以使用上面的電路找到放大器的輸入阻抗。

首先讓我們首先對(duì)上面的單級(jí)共射極放大器電路做一些簡(jiǎn)單的假設(shè)，以定義晶體管的工作點(diǎn)。發(fā)射極電阻上的壓降 V RE = 1.5V ，靜態(tài)電流 I Q = 1mA ，NPN晶體管的電流增益（Beta）為100（β= 100 ），放大器的拐點(diǎn)或斷點(diǎn)頻率為：? -3dB =40Hz.

由于沒(méi)有輸入信號(hào)的靜態(tài)電流流過(guò)晶體管的集電極和發(fā)射極，我們可以說(shuō)： I C = I 電子 = I Q =1毫安 。因此，通過(guò)使用歐姆定律：

晶體管完全導(dǎo)通（飽和），電壓降低集電極電阻 Rc 將是 Vcc-V RE 的一半，以允許最大輸出信號(hào)從中心周圍的峰峰值擺動(dòng)沒(méi)有剪切輸出信號(hào)的點(diǎn)。

注意放大器的DC無(wú)信號(hào)電壓增益可以是發(fā)現(xiàn)于 -R C / R E 。另外請(qǐng)注意，由于輸出信號(hào)相對(duì)于原始輸入信號(hào)反轉(zhuǎn)，電壓增益值為負(fù)。

當(dāng)NPN晶體管正向偏置時(shí)，基極 - 發(fā)射極結(jié)會(huì)起作用像正向偏置二極管一樣，Base的電壓比發(fā)射極電壓（Ve + 0.7V）高0.7伏，因此基極電阻 R2 上的電壓將為：

如果已經(jīng)給出了兩個(gè)偏置電阻，我們還可以使用以下標(biāo)準(zhǔn)分壓器公式來(lái)查找基極電壓 Vb 跨 R2 。

所提供的信息表明靜止電流為1mA。因此，晶體管偏置為12 V電源的集電極電流為1mA， Vcc 。該集電極電流與基極電流成比例為 Ic =β* Ib 。晶體管的直流電流增益β（β）為100，流入晶體管的基極電流為：

由 R1 和 R2 <的分壓網(wǎng)形成的直流偏置電路/ span>設(shè)置直流工作點(diǎn)。基準(zhǔn)電壓先前計(jì)算為2.2伏，然后我們需要建立適當(dāng)?shù)?R1 與 R2 之比，以在12伏電源上產(chǎn)生此電壓值， Vcc 。

通常，對(duì)于共發(fā)射極放大器電路的標(biāo)準(zhǔn)分壓器直流偏置網(wǎng)絡(luò)，流過(guò)下部電阻的電流 R2 是電阻的十倍。流入基極的直流電流。然后電阻值 R2 可以計(jì)算為：

電壓電阻 R1 下降將是電源電壓減去基極偏置電壓。此外，如果電阻 R2 承載基極電流的10倍，則串聯(lián)鏈的上電阻 R1 必須通過(guò) R2 的電流加上晶體管實(shí)際的基極當(dāng)前， Ib 。換句話說(shuō)，如圖所示，是基極電流的11倍。

對(duì)于共用發(fā)射極放大器，電抗<發(fā)射極旁路電容的span> Xc 通常是截止頻率下發(fā)射極電阻值的十分之一（1/10）， R E 點(diǎn)。放大器規(guī)格給出了 -3dB 轉(zhuǎn)角頻率為40Hz，然后電容 C E 的值計(jì)算如下：

現(xiàn)在我們已經(jīng)為上面的共射極放大器電路建立了值，我們現(xiàn)在可以看看它的放大器輸入和輸出阻抗的計(jì)算以及耦合電容的值 C1 和 C2 。

基本發(fā)射極放大器模型

該通用公式任何電路的輸入阻抗 Z IN = V IN / I IN 。直流偏置電路設(shè)置晶體管的直流工作“Q”點(diǎn)，并且作為輸入電容， C1 充當(dāng)開(kāi)路并阻止任何直流電壓，DC（0Hz）輸入阻抗（ Z IN ）電路將非常高。然而，當(dāng)AC信號(hào)施加到輸入時(shí)，電路的特性會(huì)隨著電容器在高頻下作為短路而傳遞AC信號(hào)而改變。

放大器的AC輸入阻抗的通用公式進(jìn)入基數(shù)的是 Z IN = R EQ ||β（R E + re）。其中 R EQ 是基極上偏置網(wǎng)絡(luò)的等效接地電阻（0v）， re 是內(nèi)部信號(hào)電阻。正向偏置的發(fā)射極層。然后，如果我們將12伏電源短路， Vcc 接地，因?yàn)?Vcc 顯示為AC信號(hào)的短路，我們可以重新繪制上面的公共發(fā)射極電路，如下所示： / p>

放大器電路模型

然后我們可以看到電源電壓短路時(shí)，那里是多個(gè)并聯(lián)連接在晶體管上的電阻器。通過(guò)僅采用晶體管放大器的輸入側(cè)并將電容器 C1 作為交流信號(hào)的短路，我們可以重新繪制上述電路，將放大器的輸入阻抗定義為：

放大器的輸入阻抗

我們?cè)谥暗腃ommon Emitter Amplifier教程中說(shuō)過(guò)內(nèi)部信號(hào)電阻發(fā)射極層等于 25mV÷Ie 的乘積，此 25mV 值為內(nèi)部電壓降， I E = I <子> Q 。然后，對(duì)于我們的放大器電路，發(fā)射二極管的等效交流電阻值 re 給出如下：

發(fā)射極腿信號(hào)電阻

其中 re 表示與發(fā)射器串聯(lián)的小型內(nèi)部電阻。由于 Ic / Ib =β，因此晶體管Base阻抗的值將等于β* re 。請(qǐng)注意，如果放大器設(shè)計(jì)中不包括旁路電容 C E ，則該值變?yōu)椋害拢≧ E + re ）顯著增加放大器的輸入阻抗。

在我們的示例旁路電容中，包括 C E ，因此輸入阻抗公共發(fā)射極放大器的Z IN 是驅(qū)動(dòng)放大器的交流電源“看到”的輸入阻抗，計(jì)算公式為：

輸入阻抗公式

2.2kΩ是指向放大器輸入端的輸入阻抗。如果源信號(hào)的阻抗值是已知的，并且在上面的簡(jiǎn)單示例中，它以1kΩ給出，則可以將此值與 Z IN 如果需要。

但我們假設(shè)我們的電路沒(méi)有旁路電容， C E 連接一分鐘。沒(méi)有它的放大器的輸入阻抗是多少？除了在β（R E + re） R E 之外，該等式仍然是相同的>等式的一部分，因?yàn)殡娮柙诟哳l時(shí)不再短路。然后，沒(méi)有 C E 的放大器電路的未被旁路的輸入阻抗將是：

沒(méi)有旁路電容的輸入阻抗

然后我們可以看到，隨著阻抗下降，包含發(fā)射極支路旁路電容對(duì)電路的輸入阻抗產(chǎn)生巨大影響在我們的示例電路中，15.8kΩ沒(méi)有它2.2kΩ。我們稍后會(huì)看到增加這個(gè)旁路電容 C E 也會(huì)增加放大器的增益。

在我們的計(jì)算中找到輸入阻抗在放大器中，我們假設(shè)電路中的電容器對(duì)于交流信號(hào)電流具有零阻抗（ Xc = 0 ），以及無(wú)限阻抗（ Xc =∞）直流偏置電流。現(xiàn)在我們知道放大器電路的旁路輸入阻抗，我們可以使用2.2kΩ的值來(lái)查找指定的輸入耦合電容的值 C1 截止頻率點(diǎn)，先前給出為40Hz。因此：

輸入耦合電容方程

現(xiàn)在我們有了一個(gè)值我們的單級(jí)公共發(fā)射極放大器電路的輸入阻抗，我們也可以用類似的方式得到放大器輸出阻抗的表達(dá)式。

放大器的輸出阻抗

放大器的輸出阻抗可以被認(rèn)為是當(dāng)輸入為零時(shí)負(fù)載“回頭”進(jìn)入放大器的阻抗（或電阻）。使用與輸入阻抗相同的原理，輸出阻抗的廣義公式可以給出： Z OUT = V CE / I C 。

但在集電極電阻中流過(guò)的信號(hào)電流 R C 也會(huì)流入負(fù)載電阻， R L ，因?yàn)閮烧叽?lián)在 Vcc 上。然后再次，僅通過(guò)晶體管放大器的輸出側(cè)并將輸出耦合電容 C2 視為交流信號(hào)的短路，我們可以重新繪制上述電路，將放大器的輸出阻抗定義為：

放大器的輸出阻抗

然后我們可以看到輸出信號(hào)電阻等于 R C 與 R L 并行，給出輸出電阻：

輸出阻抗公式

請(qǐng)注意，833Ω的值來(lái)自事實(shí)上，負(fù)載電阻連接在晶體管兩端。如果省略 R L ，則放大器的輸出阻抗將等于集電極電阻， R C 只。

現(xiàn)在我們得到了上面放大器電路的輸出阻抗值，我們可以像以前一樣在40Hz截止頻率點(diǎn)計(jì)算輸出耦合電容的值 C2 。 / p>

輸出耦合電容公式

耦合電容器的同樣的值<跨度> C2 可以具有或不具有包含負(fù)載電阻器的<跨度> - [R <子>→

共發(fā)射極電壓增益

來(lái)計(jì)算共發(fā)射極電路的電壓增益為 Av = R OUT / R EMITTER 其中 R OUT 表示為出現(xiàn)在收集器腿和輸出阻抗<跨度> - [R <子> EMITTER 等于中相應(yīng)的發(fā)射器腿的等效電阻具有或不旁路電容連接。

未連接旁路電容 C E ，（ R E + re ）。

并使用旁路電容tor C E 僅連接，（ re ）。

然后我們可以看到在放大器設(shè)計(jì)中包含旁路電容會(huì)使我們的共發(fā)射極電路的電壓增益 Av 發(fā)生顯著變化，從0.5到33.它還表明，當(dāng)外部發(fā)射極電阻在高頻時(shí)由旁路電容短路時(shí)，共發(fā)射極增益不會(huì)變?yōu)闊o(wú)窮大，而是增益達(dá)到 R OUT / re 。

我們還看到，當(dāng)增益上升時(shí)，輸入阻抗從15.8kΩ下降到?jīng)]有2.2kΩ 與它。在電壓增益的增加可以以較低的輸入阻抗為代價(jià)來(lái)考慮的優(yōu)點(diǎn)最放大器電路。

輸入阻抗摘要

在本文，我們已經(jīng)看到，輸入阻抗通過(guò)將供電電壓短路并將分壓器偏置電路并聯(lián)處理為電阻器，可以找到共發(fā)射極放大器的一部分。看到分壓器網(wǎng)絡(luò)（ R1 || R2 ）的“看到”的阻抗通常遠(yuǎn)小于直接看到晶體管Base的阻抗，β（R E + re）因?yàn)锳C輸入信號(hào)改變了控制流過(guò)晶體管的電流的晶體管基極上的偏壓。

有很多方法可以偏置晶體管。因此，有許多實(shí)際的單晶體管放大器電路，每個(gè)電路都有自己的輸入阻抗方程和值。如果您需要整個(gè)級(jí)的輸入阻抗加上源阻抗，那么您還需要考慮與基極偏置電阻串聯(lián)的 Rs ，（ Rs + R1 || R2 ）。

共發(fā)射極級(jí)的輸出阻抗恰好等于與負(fù)載電阻并聯(lián)的集電極電阻（ R C || R L ）如果連接，則只需 R C 。放大器的電壓增益 Av 取決于 R C / R E 。

發(fā)射極旁路電容 C E 可為發(fā)射極提供交流接地路徑，使發(fā)射極電阻短路， R E 僅在發(fā)射器支路中留下信號(hào)發(fā)射極電阻 re 。這樣做的結(jié)果是在高頻時(shí)放大器的增益（從0.5到33）增加，但放大器輸入阻抗值（從18.5kΩ到2.2kΩ）也會(huì)減小。

隨著去掉該旁路電容后，放大器電壓增益 Av 降低， Z IN 增加。保持固定增益和輸入阻抗的一種方法是包括一個(gè)與 C E 串聯(lián)的附加電阻，以創(chuàng)建所謂的“分離發(fā)射極”放大器電路這是在未旁路和完全旁路放大器電路之間的權(quán)衡。請(qǐng)注意，添加或移除此旁路電容對(duì)放大器輸出阻抗沒(méi)有影響。

然后我們可以看到放大器的輸入和輸出阻抗在定義傳輸特性方面起著重要作用。關(guān)于輸出電流 Ic 與輸入電流 Ib 之間關(guān)系的放大器。了解放大器輸入阻抗有助于以圖形方式構(gòu)建放大器的一組輸出特性曲線。