放大器的輸入阻抗定義及模型計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計中的一個重要參數(shù)，因此可以根據(jù)放大器的有效性對放大器進行表征輸入和輸出阻抗以及它們的功率和電流額定值。

放大器阻抗值對于分析尤其重要，特別是在將各個放大器級一個接一個地級聯(lián)在一起時，可以最大限度地減少信號失真。

放大器的輸入阻抗是驅動放大器輸入的源“看到”的輸入阻抗。如果它太低，它可能對前一級產(chǎn)生不利的負載效應，并可能影響該級的頻率響應和輸出信號電平。但在大多數(shù)應用中，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計，如共集電極放大器電路，自動具有高輸入阻抗和低輸出阻抗。他們的設計本質。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期，前一級的輸出阻抗可以調整以補償，或者如果不可能，那么緩沖放大器級可能需要。

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期功率放大（ Ap ）。但除了具有這三個重要特性外，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 ）。無論哪種方式，“完美”放大器將具有無限輸入阻抗和零輸出阻抗。

輸入和輸出阻抗

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

當從外部看時，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)輸出端子上的負載阻抗 R L 而變化。

被放大的輸入信號通常是交流電（AC），放大器電路代表負載， Z 到源。對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），高達數(shù)百萬對于基于FET的晶體管電路，歐姆，（兆歐姆MΩ）。

當信號源和負載連接到放大器時，放大器電路的相應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 是信號電壓， R S 是信號源的內阻， R L 是連接在輸出端的負載電阻。我們可以通過觀察放大器如何連接到源和負載來進一步擴展這個想法。

當放大器連接到信號源時，源“看到”輸入阻抗， Zin 放大器作為負載。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。當負載電阻 R L 連接到放大器的輸出時，放大器成為饋電負載的源。因此，輸出電壓和阻抗自動成為負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單的分壓器網(wǎng)絡。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)絡來偏置晶體管Base。電源 Vcc 和偏置電阻將晶體管工作點設置為在正向激活模式下導通。沒有信號電流流入基極，沒有集電極電流流過（晶體管截止），集電極上的電壓與電源電壓 Vcc 相同。進入基極的信號電流導致電流流入集電極電阻， Rc 會在其上產(chǎn)生電壓降，導致集電極電壓下降。

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，極性反轉。因此，共發(fā)射極配置通過從集電極兩端獲取輸出電壓來產(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，表示負載輸出。

單級公共發(fā)射極放大器

希望現(xiàn)在我們能夠計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)點或Q點，但快速復習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。

首先讓我們首先對上面的單級共射極放大器電路做一些簡單的假設，以定義晶體管的工作點。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 ），放大器的拐點或斷點頻率為：? -3dB =40Hz.

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

晶體管完全導通（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從中心周圍的峰峰值擺動沒有剪切輸出信號的點。

注意放大器的DC無信號電壓增益可以是發(fā)現(xiàn)于 -R C / R E 。另外請注意，由于輸出信號相對于原始輸入信號反轉，電壓增益值為負。

當NPN晶體管正向偏置時，基極 - 發(fā)射極結會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)給出了兩個偏置電阻，我們還可以使用以下標準分壓器公式來查找基極電壓 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>設置直流工作點?；鶞孰妷合惹坝嬎銥?.2伏，然后我們需要建立適當?shù)?R1 與 R2 之比，以在12伏電源上產(chǎn)生此電壓值， Vcc 。

通常，對于共發(fā)射極放大器電路的標準分壓器直流偏置網(wǎng)絡，流過下部電阻的電流 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 R2 的電流加上晶體管實際的基極當前， Ib 。換句話說，如圖所示，是基極電流的11倍。

對于共用發(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。放大器規(guī)格給出了 -3dB 轉角頻率為40Hz，然后電容 C E 的值計算如下：

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 。直流偏置電路設置晶體管的直流工作“Q”點，并且作為輸入電容， C1 充當開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AC信號施加到輸入時，電路的特性會隨著電容器在高頻下作為短路而傳遞AC信號而改變。

放大器的AC輸入阻抗的通用公式進入基數(shù)的是 Z IN = R EQ ||β（R E + re）。其中 R EQ 是基極上偏置網(wǎng)絡的等效接地電阻（0v）， re 是內部信號電阻。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，因為 Vcc 顯示為AC信號的短路，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，那里是多個并聯(lián)連接在晶體管上的電阻器。通過僅采用晶體管放大器的輸入側并將電容器 C1 作為交流信號的短路，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

我們在之前的Common Emitter Amplifier教程中說過內部信號電阻發(fā)射極層等于 25mV÷Ie 的乘積，此 25mV 值為內部電壓降， I E = I <子> Q 。然后，對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)射極腿信號電阻

其中 re 表示與發(fā)射器串聯(lián)的小型內部電阻。由于 Ic / Ib =β，因此晶體管Base阻抗的值將等于β* re 。請注意，如果放大器設計中不包括旁路電容 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 是驅動放大器的交流電源“看到”的輸入阻抗，計算公式為：

輸入阻抗公式

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

但我們假設我們的電路沒有旁路電容， C E 連接一分鐘。沒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，因為電阻在高頻時不再短路。然后，沒有 C E 的放大器電路的未被旁路的輸入阻抗將是：

沒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沒有它2.2kΩ。我們稍后會看到增加這個旁路電容 C E 也會增加放大器的增益。

在我們的計算中找到輸入阻抗在放大器中，我們假設電路中的電容器對于交流信號電流具有零阻抗（ Xc = 0 ），以及無限阻抗（ Xc =∞）直流偏置電流?，F(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的值來查找指定的輸入耦合電容的值 C1 截止頻率點，先前給出為40Hz。因此：

輸入耦合電容方程

現(xiàn)在我們有了一個值我們的單級公共發(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式。

放大器的輸出阻抗

放大器的輸出阻抗可以被認為是當輸入為零時負載“回頭”進入放大器的阻抗（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的信號電流 R C 也會流入負載電阻， R L ，因為兩者串聯(lián)在 Vcc 上。然后再次，僅通過晶體管放大器的輸出側并將輸出耦合電容 C2 視為交流信號的短路，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電阻等于 R C 與 R L 并行，給出輸出電阻：

輸出阻抗公式

請注意，833Ω的值來自事實上，負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截止頻率點計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載電阻器的<跨度> - [R <子>→

共發(fā)射極電壓增益

來計算共發(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計中包含旁路電容會使我們的共發(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，當外部發(fā)射極電阻在高頻時由旁路電容短路時，共發(fā)射極增益不會變?yōu)闊o窮大，而是增益達到 R OUT / re 。

我們還看到，當增益上升時，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來考慮的優(yōu)點最放大器電路。

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?？吹椒謮浩骶W(wǎng)絡（ R1 || R2 ）的“看到”的阻抗通常遠小于直接看到晶體管Base的阻抗，β（R E + re）因為AC輸入信號改變了控制流過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，有許多實際的單晶體管放大器電路，每個電路都有自己的輸入阻抗方程和值。如果您需要整個級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)射極級的輸出阻抗恰好等于與負載電阻并聯(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發(fā)射極電阻 re 。這樣做的結果是在高頻時放大器的增益（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衡。請注意，添加或移除此旁路電容對放大器輸出阻抗沒有影響。

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。關于輸出電流 Ic 與輸入電流 Ib 之間關系的放大器。了解放大器輸入阻抗有助于以圖形方式構建放大器的一組輸出特性曲線。