放大器的输入阻抗

分享到:

       放大器的输入阻抗定义了有关输入放大器的电流和电压的输入特性。输入阻抗(Z IN或输入阻抗)通常被称为晶体管放大器设计中的重要参数,因此可以根据放大器的有效输入和输出阻抗以及功率和额定电流来对其进行表征。

 

       放大器的阻抗值对于分析尤其重要,尤其是在将各个放大器级一个接一个地级联以最大程度地减小信号失真时。

 

       所述放大器的输入阻抗是输入阻抗“看到”源极驱动放大器的输入端。如果它太低,则可能对前一级产生不利的负载影响,并可能影响该级的频率响应和输出信号电平。但是在大多数应用中,公共发射极和公共集电极放大器电路通常具有高输入阻抗。

 

       某些类型的放大器设计(例如共集电极放大器电路)由于其设计的本质而自动具有高输入阻抗和低输出阻抗。放大器可以具有高输入阻抗,低输出阻抗以及几乎任何任意增益,但是如果放大器的输入阻抗低于期望值,则可以调整前一级的输出阻抗以进行补偿,或者如果不能这样做,则可以缓冲放大器级可能需要。

 

       除了电压放大(  Av  )之外,放大器电路还必须具有电流放大(  Ai  )。 还可以从放大器电路获得功率放大(  Ap)。但是,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,例如高输入阻抗(  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”放大器都将具有无限的输入阻抗和零输出阻抗。

 

       输入和输出阻抗

 

1

 

       在许多方面,可以将放大器视为一种“黑匣子”,如图所示,它具有两个输入端子和两个输出端子。这个想法为晶体管提供了一个简单的h参数模型,我们可以使用它来找到放大器的DC设定点和工作参数。实际上,端子之一在代表接地或零伏的输入和输出之间是公用的。

 

       从外部看,这些端子的输入阻抗为Z IN,输出阻抗为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为放大器供电的电源,而输出阻抗也会根据输出端子两端的负载阻抗R L而变化。

 

       输入信号被放大,通常交替与放大器电路的电流(AC)表示的负载,Ž到源。放大器的输入阻抗可以是几十欧姆,(欧姆Ω)到几千欧姆,(千欧千欧),用于双极基于晶体管的电路可达百万欧姆,(兆欧MΩ)用于基于FET晶体管电路。

 

       当信号源和负载连接到放大器时,可以对放大器电路的相应电特性进行建模,如图所示。

 

       输出和输入阻抗模型

 

2

 

       其中,V S是信号电压,R S是信号源的内部电阻,R L是连接在输出两端的负载电阻。通过查看放大器如何连接到源和负载,我们可以进一步扩展这个想法。

 

       当放大器连接到信号源时,该源“看到” 放大器的输入阻抗Zin作为负载。同样,输入电压Vin是放大器在输入阻抗Zin两端看到的电压。然后,可以将放大器输入建模为一个简单的分压器电路,如图所示。

 

       放大器输入电路模型

 

3

 

       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,放大器成为馈送负载的源。因此,如图所示,输出电压和阻抗会自动成为负载的电源电压和电源阻抗。

 

       放大器输出电路模型

 

4

 

       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到公共发射极(发射极接地),公共集电极(发射极跟随器)或公共基极配置中。在本教程中,我们将研究以常见发射极配置连接的双极晶体管。

 

       通用发射极放大器

 

       所谓的经典共发射极配置使用分压器网络偏置晶体管的基极。电源Vcc和偏置电阻将晶体管工作点设置为在正向活动模式下导通。在没有信号电流流入基极的情况下,没有集电极电流流动(晶体管处于截止状态),并且集电极上的电压与电源电压Vcc相同。流入基极的信号电流使电流流入集电极电阻,Rc两端产生压降,导致集电极电压下降。

 

       然后,集电极电压的变化方向与基极上的变化方向相反,换句话说,极性相反。因此,公共发射极配置通过从集电极两端获取输出电压来产生大的电压放大和明确定义的DC电压电平,如图所示,其中电阻R L代表输出两端的负载。

 

       单级共发射极放大器

 

5

 

       希望到现在为止,我们能够计算出晶体管在其线性有源区中间工作的电阻值,称为静态点或Q点,但是快速刷新将有助于我们更好地了解放大器的值是获得,以便我们可以使用上述电路来查找放大器的输入阻抗。

 

       首先,让我们从上面关于单级共发射极放大器电路的一些简单假设开始,以定义晶体管的工作点。发射极电阻两端的电压降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  ),并且晶体管  的转折频率或断点频率放大器的公式为:ƒ- 3dB  = 40Hz。

 

       由于没有输入信号的静态电流流经晶体管的集电极和发射极,因此可以说:I C  = I E  = I Q  = 1mA。因此,通过使用欧姆定律:

 

6

 

       当晶体管完全导通(饱和)时,集电极电阻Rc上的压降将为Vcc – V RE的一半,以允许最大输出信号在中心点附近从峰峰值摆动,而不会削波输出信号。

 

7

 

       请注意,可以从–R C / R E找到放大器的直流无信号电压增益。还要注意,由于输出信号已经相对于原始输入信号反相,因此电压增益的值为负。

 

       由于NPN晶体管正向偏置,基极-发射极结的作用类似于正向偏置的二极管,因此基极将比发射极电压(Ve + 0.7V)高0.7伏,因此,基极电阻R2两端的电压为:

 

8

 

       如果已经提供了两个偏置电阻,我们还可以使用以下标准分压器公式来找到R2两端的基准电压Vb。

 

9

 

       给出的信息表明静态电流为1mA。因此,晶体管在12伏电源Vcc两端以1mA的集电极电流偏置。当Ic =β* Ib时,该集电极电流与基极电流成正比。 晶体管的直流电流增益Beta(  β)为100,那么流入晶体管的基极电流将为:

 

10

 

       由R1和R2的分压器网络形成的DC偏置电路设置DC工作点。之前已计算出基准电压为2.2伏,然后我们需要确定R1与R2的适当比率,以在12伏电源Vcc上产生该电压值。

 

       通常,对于公共发射极放大器电路的标准分压器DC偏置网络,流过下部电阻R2的电流是流过基极的DC电流的十倍。然后,电阻R2的值可计算为:

 

11

 

       电阻R1两端的压降将是电源电压减去基极偏置电压。同样,如果电阻器R2承载基极电流的10倍,则串联链的上部电阻器R1必须通过R2的电流加上晶体管的实际基极电流Ib。换句话说,是所示基本电流的11倍。

 

12

 

       对于普通的发射极放大器,发射极旁路电容器的电抗Xc通常为截止频率点处发射极电阻R E的十分之一(1/10)。放大器的规格给出了-3dB的转折频率为40Hz,然后电容器C E的值计算如下:

 

13

 

       现在,我们已经为上面的公共发射极放大器电路建立了值,现在我们可以看一下计算放大器的输入和输出阻抗以及耦合电容器C1和C2的值。

 

       基本的发射极放大器模型

 

       任何电路的输入阻抗的通用公式为Z IN  = V IN / I IN。直流偏置电路设置晶体管的直流工作“ Q”点,并且作为输入电容器,C1充当开路并阻止任何直流电压,在直流(0Hz )时,电路的输入阻抗(Z IN)将为极高。但是,当交流信号施加到输入时,电路的特性会发生变化,因为电容器在高频下充当短路并传递交流信号。

 

       放到基极的放大器的交流输入阻抗的一般公式为Z IN  = R EQ ||β(R E + re)。其中,R EQ是跨越基极的偏置网络的接地等效电阻(0v),而re是前向偏置发射极层的内部信号电阻。然后,如果由于Vcc与AC信号短路而使12伏电源Vcc接地,则可以重新绘制上面的公共发射极电路,如下所示:

 

       放大器电路模型

 

14

 

       然后我们可以看到,在电源电压短路的情况下,晶体管两端并联了许多电阻。通过仅将晶体管放大器的输入端作为电容器,并将电容器C1视为对AC信号的短路,我们可以重新绘制上述电路,以将放大器的输入阻抗定义为:

 

       放大器的输入阻抗

 

15

 

       我们在前面所述共发射极放大器的文章,所述发射极层的内部信号电阻等于的产物为25mV÷即与此25mV的值是内部电压降和我Ë  = I Q。那么对于我们的放大电路,发射二极管的等效交流电阻值re给出为:

 

       发射极脚信号电阻

 

16

 

       其中re表示与发射极串联的一个内部小电阻。由于Ic / Ib =β,因此晶体管基极阻抗的值将等于β* re。请注意,如果放大器设计中未包括旁路电容器C E,则该值将变为:β(R E + re)大大增加放大器的输入阻抗。

 

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

 

       输入阻抗方程

 

17

 

       这为2.2kΩ是输入阻抗寻找到所述放大器的所述输入端子。如果已知源信号的阻抗值,并且在上面的简单示例中给出的阻抗值为1kΩ,则可以根据需要将此值与Z IN相加或求和。

 

       但是让我们假设一分钟我们的电路没有连接旁路电容C E。没有放大器,放大器的输入阻抗将是多少。除了在方程的β(R E + re)部分增加R E之外,该方程将仍然相同,因为电阻将不再在高频下短路。那么,没有C E的放大器电路的无旁路输入阻抗将为:

 

       输入阻抗,无旁路电容器

 

18

 

       然后我们可以看到,发射极臂旁路电容器的加入对电路的输入阻抗产生了巨大的变化,因为在示例电路中,阻抗从没有阻抗的15.8kΩ下降到有阻抗的2.2kΩ。稍后我们将看到,此旁路电容C E的添加也增加了放大器的增益。

 

       在寻找放大器输入阻抗的计算中,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),对于直流偏置电流具有无限阻抗(Xc =∞)。现在我们知道了放大器电路的旁路输入阻抗,我们可以使用这个2.2kΩ的值来找到在指定的截止频率点所需的输入耦合电容器C1的值,该频率先前已指定为40Hz。因此:

 

       输入耦合电容器方程式

 

19

 

       现在我们有了上面的单级公共发射器放大器电路的输入阻抗值,我们也可以类似的方式获得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向放大器“回头看”的阻抗(或电阻)。上,因为我们没有用于输入阻抗相同的原理工作,对于输出阻抗广义公式可以给出为:ž OUT  = V CE / I Ç。

 

       但在集电极电阻器中流动的信号电流,- [R Ç还流入负载电阻器,- [R 大号因为这两个连接在跨串联Vcc的。然后,仅通过将晶体管放大器的输出侧作为输出信号,并将输出耦合电容器C2视为对AC信号的短路,我们可以重新绘制上述电路,以将放大器的输出阻抗定义为:

 

       放大器的输出阻抗

 

20

 

       然后我们可以看到输出信号电阻等于R C,与R L并联,我们得到的输出电阻为:

 

       输出阻抗方程式

 

21

 

       请注意,此值833Ω是由于负载电阻跨接在晶体管上这一事实造成的。如果ř 大号被省略,则放大器的输出阻抗将等于集电极电阻器,- [R Ç只。

 

       现在我们有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器C2的值。

 

       输出耦合电容器方程式

 

22

 

       同样,可以在有或没有负载电阻R L的情况下计算耦合电容器C2的值。

 

       共发射极电压增益

 

       常见发射极电路的电压增益为Av = R OUT / R EMITTER,其中R OUT表示在集电极支路中看到的输出阻抗,而R EMITTER等于有无旁路时发射极支路中的等效电阻。电容器已连接。

 

       在未连接旁路电容器C E的情况下,(R E + re)。

 

23

 

       并且仅在连接了旁路电容器C E的情况下(re)。

 

24

 

       然后我们可以看到,在放大器设计中包括旁路电容器,使我们的公共发射极电路的电压增益Av从0.5到33 发生了巨大变化。这还表明,当发射极的公共端增益不会达到无限大时。外部发射极电阻在高频下被旁路电容器短路,但增益变为R OUT / re的有限值。

 

       我们还看到,随着增益的增加,输入阻抗从没有阻抗的15.8kΩ降低到有阻抗的2.2kΩ。在大多数放大器电路中,以较低的输入阻抗为代价,可以认为电压增益的增加是一个优点。

 

       输入阻抗汇总

 

       在本文中,我们看到可以通过短路电源电压并将分压器偏置电路当作并联电阻器来找到公共发射极放大器的输入阻抗。随着交流输入信号改变分压网络(R1 || R2)的“可见” 阻抗,直接进入晶体管Base的阻抗β(R E + re)通常要小得多。晶体管控制电流流过该晶体管。

 

       偏置晶体管的方法有很多。因此,存在许多实用的单晶体管放大器电路,每个电路都有其自己的输入阻抗方程式和值。如果您需要整个舞台加源阻抗的输入阻抗,那么你就需要考虑卢比与基极偏置电阻器系列以及,(RS + R1 || R2)。

 

       一个共发射极级的输出阻抗恰好等于集电极电阻器并联负载电阻(ř ç ||ř 大号如果连接否则它只是)- [R Ç。电压增益,平均放大器的依赖于ř ç / R ë。

 

       发射极旁路电容器,Ç Ë可以提供用于发射极交流接地路径,短路发射极电阻器,- [R Ë只留下信号发射极电阻,再在发射极腿。这样做的影响是高频时放大器的增益增加(从0.5到33),但放大器输入阻抗值也从18.5kΩ减小到2.2kΩ。

 

       移除此旁路电容器后,放大器的电压增益Av减小,Z IN增大。保持固定增益和输入阻抗量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“分离发射器”放大器电路,该电路在未旁路放大器和完全旁路放大器之间进行权衡电路。请注意,增加或删除该旁路电容器对放大器的输出阻抗没有影响。

 

       然后我们可以看到,放大器的输入和输出阻抗在定义放大器的输出电流Ic和输入电流Ib之间的关系时,可以发挥重要作用。知道放大器的输入阻抗可以帮助以图形方式构建放大器的一组输出特性曲线。

继续阅读
运算放大器的常见指标及重要特性

当用放大器接成跨阻放大测量外部微小电流时,过大的输入偏置电流会分掉被测电流,使测量失准。第二,当放大器输入端通过一个电阻接地时,这个电流将在电阻上产生不期望的输入电压。

ROHM开发出高级车载仪表盘扬声器放大器“BD783xxEFJ-M”

全球知名半导体制造商ROHM(总部位于日本京都市)面向具有自动驾驶和ADAS功能的汽车的仪表盘(以下简称“汽车仪表盘”),开发出满足汽车电子产品可靠性标准AEC-Q100的2.8W输出AB类单声道扬声器放大器“BD783xxEFJ-M”(BD78306EFJ-M / BD78310EFJ-M / BD78326EFJ-M)。

高速信号分析的几个基本问题

电磁波的传输是电磁波在传输介质中交替建立电场和磁场传输的。这个交替的过程会一直沿着某个方向延续下去,虽然电场的强度会不断减弱。我们分析常用的是TEM模型,也就是限制电磁波传播方向在Z轴方向。换句话说,不是沿Z轴向前,就是向后。那么,如果遇到“障碍物”,电磁波有一部分继续传输,而另一部分则是被反射回来,反向传输。我们定义电磁波传输的反射电压和前向电压之比为反射系数。

分相器分析

分相器电路从单个输入信号中产生两个幅度相等但相位相反的输出信号。分相器是另一种类型的双极结型晶体管(BJT)配置,其中,单个正弦输入信号被分为两个相互之间相差180电角度的独立输出。晶体管分相器的输入信号利用从集电极端子取得的一个输出信号和从发射极端子取得的第二输出信号施加到基极端子。因此,晶体管分相器是一个双输出放大器,从其集电极和发射极端子产生相位差为180 o的互补输出。

共基放大器

对于公共基极放大器,输入被施加到发射极端子,而输出则从BJT晶体管的集电极端子获取。所述共基极放大是另一种类型的双极结型晶体管的,(BJT)配置,其中晶体管的基极端子是一个公共端子,以输入和输出信号,因此它的名字公共底座(CB)。与更流行的公共发射极(CE)或公共集电极(CC)配置相比,公共基极配置作为放大器的通用性较低,但由于其独特的输入/输出特性而仍在使用。