放大器的输入阻抗定义及模型计算公式方程的增益摘要

放大器的输入阻抗定义其输入特性，关于放大器输入端子的电流和电压

输入阻抗， Z <通常称为sub> IN 或输入电阻是晶体管放大器设计中的一个重要参数，因此可以根据放大器的有效性对放大器进行表征输入和输出阻抗以及它们的功率和电流额定值。

放大器阻抗值对于分析尤其重要，特别是在将各个放大器级一个接一个地级联在一起时，可以最大限度地减少信号失真。

放大器的输入阻抗是驱动放大器输入的源“看到”的输入阻抗。如果它太低，它可能对前一级产生不利的负载效应，并可能影响该级的频率响应和输出信号电平。但在大多数应用中，共发射极和共集电极放大器电路通常具有较高的输入阻抗。

某些类型的放大器设计，如共集电极放大器电路，自动具有高输入阻抗和低输出阻抗。他们的设计本质。放大器可以具有高输入阻抗，低输出阻抗和几乎任意增益，但是放大器输入阻抗低于预期，前一级的输出阻抗可以调整以补偿，或者如果不可能，那么缓冲放大器级可能需要。

除电压放大（ Av ）外，放大器电路还必须具有电流放大（ Ai ）。放大器电路也可以预期功率放大（ Ap ）。但除了具有这三个重要特性外，放大器电路还必须具有其他特性，如高输入阻抗（ Z IN ），低输出阻抗（ Z OUT ）和一定程度的带宽，（ Bw ）。无论哪种方式，“完美”放大器将具有无限输入阻抗和零输出阻抗。

输入和输出阻抗

在许多方面，放大器可以被认为是一种“黑盒子”，其具有两个输入端子和两个输出端子，如图所示。这个想法提供了一个简单的 h参数模型晶体管，我们可以用它来找到放大器的直流设定点和工作参数。实际上，其中一个端子在表示接地或零电压的输入和输出之间是通用的。

当从外部看时，这些端子具有输入阻抗， Z IN 和输出阻抗 Z OUT 。放大器的输入和输出阻抗是流入或流出这些端子的电压与电流之比。输入阻抗可能取决于馈送放大器的源电源，而输出阻抗也可能根据输出端子上的负载阻抗 R L 而变化。

被放大的输入信号通常是交流电（AC），放大器电路代表负载， Z 到源。对于基于双极性的晶体管电路，放大器的输入阻抗可以是几十欧姆（欧姆Ω）到几千欧姆（千欧姆kΩ），高达数百万对于基于FET的晶体管电路，欧姆，（兆欧姆MΩ）。

当信号源和负载连接到放大器时，放大器电路的相应电气特性可以如图所示建模。

输出和输入阻抗模型

其中， V S 是信号电压， R S 是信号源的内阻， R L 是连接在输出端的负载电阻。我们可以通过观察放大器如何连接到源和负载来进一步扩展这个想法。

当放大器连接到信号源时，源“看到”输入阻抗， Zin 放大器作为负载。同样，输入电压 Vin 是放大器在输入阻抗 Zin 上看到的电压。然后放大器输入可以建模为简单的分压电路，如图所示。

放大器输入电路模型

同样的想法适用于放大器的输出阻抗。当负载电阻 R L 连接到放大器的输出时，放大器成为馈电负载的源。因此，输出电压和阻抗自动成为负载的源电压和源阻抗，如图所示。

放大器输出电路模型

然后我们可以看到放大器的输入和输出特性都可以建模为简单的分压器网络。放大器本身可以连接在 Common Emitter （发射极接地）， Common Collector （射极跟随器）或 Common Base 配置中。在本教程中，我们将看看以前面所见的共发射极配置连接的双极晶体管。

公共发射极放大器

所谓的经典共射极配置使用潜在的分压器网络来偏置晶体管Base。电源 Vcc 和偏置电阻将晶体管工作点设置为在正向激活模式下导通。没有信号电流流入基极，没有集电极电流流过（晶体管截止），集电极上的电压与电源电压 Vcc 相同。进入基极的信号电流导致电流流入集电极电阻， Rc 会在其上产生电压降，导致集电极电压下降。

然后改变方向收集器电压与基极上的变化方向相反，换句话说，极性反转。因此，共发射极配置通过从集电极两端获取输出电压来产生大电压放大和良好定义的直流电压电平，如电阻 R L 所示，表示负载输出。

单级公共发射极放大器

希望现在我们能够计算晶体管在其线性有源区域中间工作所需的电阻值，称为静态点或Q点，但快速复习将有助于我们更好地了解放大器值的获得方式，以便我们可以使用上面的电路找到放大器的输入阻抗。

首先让我们首先对上面的单级共射极放大器电路做一些简单的假设，以定义晶体管的工作点。发射极电阻上的压降 V RE = 1.5V ，静态电流 I Q = 1mA ，NPN晶体管的电流增益（Beta）为100（β= 100 ），放大器的拐点或断点频率为：ƒ -3dB =40Hz.

由于没有输入信号的静态电流流过晶体管的集电极和发射极，我们可以说： I C = I 电子 = I Q =1毫安 。因此，通过使用欧姆定律：

晶体管完全导通（饱和），电压降低集电极电阻 Rc 将是 Vcc-V RE 的一半，以允许最大输出信号从中心周围的峰峰值摆动没有剪切输出信号的点。

注意放大器的DC无信号电压增益可以是发现于 -R C / R E 。另外请注意，由于输出信号相对于原始输入信号反转，电压增益值为负。

当NPN晶体管正向偏置时，基极 - 发射极结会起作用像正向偏置二极管一样，Base的电压比发射极电压（Ve + 0.7V）高0.7伏，因此基极电阻 R2 上的电压将为：

如果已经给出了两个偏置电阻，我们还可以使用以下标准分压器公式来查找基极电压 Vb 跨 R2 。

所提供的信息表明静止电流为1mA。因此，晶体管偏置为12 V电源的集电极电流为1mA， Vcc 。该集电极电流与基极电流成比例为 Ic =β* Ib 。晶体管的直流电流增益β（β）为100，流入晶体管的基极电流为：

由 R1 和 R2 <的分压网形成的直流偏置电路/ span>设置直流工作点。基准电压先前计算为2.2伏，然后我们需要建立适当的 R1 与 R2 之比，以在12伏电源上产生此电压值， Vcc 。

通常，对于共发射极放大器电路的标准分压器直流偏置网络，流过下部电阻的电流 R2 是电阻的十倍。流入基极的直流电流。然后电阻值 R2 可以计算为：

电压电阻 R1 下降将是电源电压减去基极偏置电压。此外，如果电阻 R2 承载基极电流的10倍，则串联链的上电阻 R1 必须通过 R2 的电流加上晶体管实际的基极当前， Ib 。换句话说，如图所示，是基极电流的11倍。

对于共用发射极放大器，电抗<发射极旁路电容的span> Xc 通常是截止频率下发射极电阻值的十分之一（1/10）， R E 点。放大器规格给出了 -3dB 转角频率为40Hz，然后电容 C E 的值计算如下：

现在我们已经为上面的共射极放大器电路建立了值，我们现在可以看看它的放大器输入和输出阻抗的计算以及耦合电容的值 C1 和 C2 。

基本发射极放大器模型

该通用公式任何电路的输入阻抗 Z IN = V IN / I IN 。直流偏置电路设置晶体管的直流工作“Q”点，并且作为输入电容， C1 充当开路并阻止任何直流电压，DC（0Hz）输入阻抗（ Z IN ）电路将非常高。然而，当AC信号施加到输入时，电路的特性会随着电容器在高频下作为短路而传递AC信号而改变。

放大器的AC输入阻抗的通用公式进入基数的是 Z IN = R EQ ||β（R E + re）。其中 R EQ 是基极上偏置网络的等效接地电阻（0v）， re 是内部信号电阻。正向偏置的发射极层。然后，如果我们将12伏电源短路， Vcc 接地，因为 Vcc 显示为AC信号的短路，我们可以重新绘制上面的公共发射极电路，如下所示： / p>

放大器电路模型

然后我们可以看到电源电压短路时，那里是多个并联连接在晶体管上的电阻器。通过仅采用晶体管放大器的输入侧并将电容器 C1 作为交流信号的短路，我们可以重新绘制上述电路，将放大器的输入阻抗定义为：

放大器的输入阻抗

我们在之前的Common Emitter Amplifier教程中说过内部信号电阻发射极层等于 25mV÷Ie 的乘积，此 25mV 值为内部电压降， I E = I <子> Q 。然后，对于我们的放大器电路，发射二极管的等效交流电阻值 re 给出如下：

发射极腿信号电阻

其中 re 表示与发射器串联的小型内部电阻。由于 Ic / Ib =β，因此晶体管Base阻抗的值将等于β* re 。请注意，如果放大器设计中不包括旁路电容 C E ，则该值变为：β（R E + re ）显着增加放大器的输入阻抗。

在我们的示例旁路电容中，包括 C E ，因此输入阻抗公共发射极放大器的Z IN 是驱动放大器的交流电源“看到”的输入阻抗，计算公式为：

输入阻抗公式

2.2kΩ是指向放大器输入端的输入阻抗。如果源信号的阻抗值是已知的，并且在上面的简单示例中，它以1kΩ给出，则可以将此值与 Z IN 如果需要。

但我们假设我们的电路没有旁路电容， C E 连接一分钟。没有它的放大器的输入阻抗是多少？除了在β（R E + re） R E 之外，该等式仍然是相同的>等式的一部分，因为电阻在高频时不再短路。然后，没有 C E 的放大器电路的未被旁路的输入阻抗将是：

没有旁路电容的输入阻抗

然后我们可以看到，随着阻抗下降，包含发射极支路旁路电容对电路的输入阻抗产生巨大影响在我们的示例电路中，15.8kΩ没有它2.2kΩ。我们稍后会看到增加这个旁路电容 C E 也会增加放大器的增益。

在我们的计算中找到输入阻抗在放大器中，我们假设电路中的电容器对于交流信号电流具有零阻抗（ Xc = 0 ），以及无限阻抗（ Xc =∞）直流偏置电流。现在我们知道放大器电路的旁路输入阻抗，我们可以使用2.2kΩ的值来查找指定的输入耦合电容的值 C1 截止频率点，先前给出为40Hz。因此：

输入耦合电容方程

现在我们有了一个值我们的单级公共发射极放大器电路的输入阻抗，我们也可以用类似的方式得到放大器输出阻抗的表达式。

放大器的输出阻抗

放大器的输出阻抗可以被认为是当输入为零时负载“回头”进入放大器的阻抗（或电阻）。使用与输入阻抗相同的原理，输出阻抗的广义公式可以给出： Z OUT = V CE / I C 。

但在集电极电阻中流过的信号电流 R C 也会流入负载电阻， R L ，因为两者串联在 Vcc 上。然后再次，仅通过晶体管放大器的输出侧并将输出耦合电容 C2 视为交流信号的短路，我们可以重新绘制上述电路，将放大器的输出阻抗定义为：

放大器的输出阻抗

然后我们可以看到输出信号电阻等于 R C 与 R L 并行，给出输出电阻：

输出阻抗公式

请注意，833Ω的值来自事实上，负载电阻连接在晶体管两端。如果省略 R L ，则放大器的输出阻抗将等于集电极电阻， R C 只。

现在我们得到了上面放大器电路的输出阻抗值，我们可以像以前一样在40Hz截止频率点计算输出耦合电容的值 C2 。 / p>

输出耦合电容公式

耦合电容器的同样的值<跨度> C2 可以具有或不具有包含负载电阻器的<跨度> - [R <子>→

共发射极电压增益

来计算共发射极电路的电压增益为 Av = R OUT / R EMITTER 其中 R OUT 表示为出现在收集器腿和输出阻抗<跨度> - [R <子> EMITTER 等于中相应的发射器腿的等效电阻具有或不旁路电容连接。

未连接旁路电容 C E ，（ R E + re ）。

并使用旁路电容tor C E 仅连接，（ re ）。

然后我们可以看到在放大器设计中包含旁路电容会使我们的共发射极电路的电压增益 Av 发生显着变化，从0.5到33.它还表明，当外部发射极电阻在高频时由旁路电容短路时，共发射极增益不会变为无穷大，而是增益达到 R OUT / re 。

我们还看到，当增益上升时，输入阻抗从15.8kΩ下降到没有2.2kΩ 与它。在电压增益的增加可以以较低的输入阻抗为代价来考虑的优点最放大器电路。

输入阻抗摘要

在本文，我们已经看到，输入阻抗通过将供电电压短路并将分压器偏置电路并联处理为电阻器，可以找到共发射极放大器的一部分。看到分压器网络（ R1 || R2 ）的“看到”的阻抗通常远小于直接看到晶体管Base的阻抗，β（R E + re）因为AC输入信号改变了控制流过晶体管的电流的晶体管基极上的偏压。

有很多方法可以偏置晶体管。因此，有许多实际的单晶体管放大器电路，每个电路都有自己的输入阻抗方程和值。如果您需要整个级的输入阻抗加上源阻抗，那么您还需要考虑与基极偏置电阻串联的 Rs ，（ Rs + R1 || R2 ）。

共发射极级的输出阻抗恰好等于与负载电阻并联的集电极电阻（ R C || R L ）如果连接，则只需 R C 。放大器的电压增益 Av 取决于 R C / R E 。

发射极旁路电容 C E 可为发射极提供交流接地路径，使发射极电阻短路， R E 仅在发射器支路中留下信号发射极电阻 re 。这样做的结果是在高频时放大器的增益（从0.5到33）增加，但放大器输入阻抗值（从18.5kΩ到2.2kΩ）也会减小。

随着去掉该旁路电容后，放大器电压增益 Av 降低， Z IN 增加。保持固定增益和输入阻抗的一种方法是包括一个与 C E 串联的附加电阻，以创建所谓的“分离发射极”放大器电路这是在未旁路和完全旁路放大器电路之间的权衡。请注意，添加或移除此旁路电容对放大器输出阻抗没有影响。

然后我们可以看到放大器的输入和输出阻抗在定义传输特性方面起着重要作用。关于输出电流 Ic 与输入电流 Ib 之间关系的放大器。了解放大器输入阻抗有助于以图形方式构建放大器的一组输出特性曲线。