第一节输入阻抗.doc

第一节、放大器输入阻抗的计算与测量

一、动态阻抗的概念
1、输入动态阻抗的概念
二极管导通后动态阻抗的概念
如果用万用表的欧姆档埋设二电容的电阻，结果一定是无穷大。但电容对交流信号却不是绝缘的，而是有一定的阻抗
Zc=1/2πfC

所以电容的阻抗不能简单地用直流阻抗概念总的R=U/I来理解。而应当用交流阻抗的概念来理解
Zc=Uj/Ij。

同样的道理，二极管正向导通后的阻抗如果用直流阻抗的概念的理解那就应当是Zi=U/I。
我们假设二极管在U=0.7V时，I=1mA。用直流的阻抗的概念来理解
Z=0.7V/1mA=700Ω。
按照这个逻辑，二极管在U=1.4V时，I就应当=2mA。实际情况当然不是这样。
所以二极管的正向导通阻抗，应当是以导通点为基准、特定的电压变化量所引起的特定的电流变化量的比值。
Z=ΔU/ΔI
如图所示：

由此可见，二极管在不同的导通点，特定的电压变化所引起的电流变化量是不一样的，也就是说导通的斜率是不同的。所以，二极管在不同的导通点，有不同的动态阻抗。

二、共发射极简单偏置电路
1、三极管的基极与发射极之间的动态阻抗与导通电流之间的关系
三极管的基极与发射极之间，相当于一个导通电流为10uA的二极管。
如上图a点所示：当输入电压为10mV的时候，使导通电压由0.7V上升到0.71V，导通电流就会由10uA上升到14.14uA。
当输入电压为-10mV的时候，10导通电压由0.7V下降到0.69V，导通电流就会由10uA下降到0.707uA。
输入电压的变化量是Ubpp=0.71V-0.69V=20mV
输入电流的变化量是Ibpp=14.14uA-7.07uA=7.07uA
输入动态阻抗等于输入电压的变化量与输入电压电流变化量的比值，
Z=Ubpp/Ibpp=20mV/7.07uA=2.9KΩ

　　如上图b点所示：当输入电压为10mV的时候，使导通电压由0.71V上升到0.72V，导通电流就会由20uA上升到28.28uA。
当输入电压为-10mV的时候，10导通电压由0.71V下降到0.70V，导通电流就会由20uA下降到14.14uA。
输入电压的变化量是Ubpp=0.72V-0.70V=20mV
输入电流的变化量是Ibpp=28.28uA-14.14uA=14.14uA
输入动态阻抗等于输入电压的变化量与输入电压电流变化量的比值，
Z=Ubpp/Ibpp=20mV/14.14uA=1.45KΩ
　　由此可见：基极发射极之间的动态阻抗，由基极静态工作电流决定，并且与基极静态工作电流成反比。

2、偏置电阻对放大器输入阻抗的影响
a、共发射极简单偏置电路放大器还有基极电阻Rb1与基极发射极之间的动态阻抗组成并联关系，但由于基极电阻大大于基极与发射极之间的动态阻抗，所以这种并联的影响可以忽略不计。
如图所示：

b、共发射极固定偏置电路基极发射极之间的动态阻抗；与共发射极简单偏置电路是完全一样的。但由于流过固定偏置电路为基极提供静态工作电压的分压电阻的电流；必须大大与三极管的基极静态工作电流，所以电阻值往往比较小。
Rb2和Rb3与三极管的输入动态阻抗式并联的关系
Rb2和Rb3并联以后，阻抗约为2.1KΩ，对放大器的输入阻抗有着显著的影响。
由此可见：共发射极固定偏置电路总的输入阻抗等于Rb3、Rb3、三极管输入动态阻抗的并联值。
三、共基极放大器
如图所示：

　　共基极放大器的发射极与基极之间，相当于一个导通电流为1mA的二极管。
　　当输入电压为+10mV的时候，使Ue由2V上升到2.01V，Ueb就会由0.7V下降到0.69V，导通电流就会由1mA下降到0.707mA。
当输入电压为-10mV的时候，使Ue由2V下降到1.99V，Ueb就会由0.7V上升到0.71V，导通电流就会由1mA下降到1.414mA。
输入电压的变化量是Ubpp=0.71V-0.69V=20mV
输入电流的变化量是Ibpp=14.14mA-7.07mA=7.07mA
输入动态阻抗等于输入电压的变化量与输入电压电流变化量的比值，
Z=Ubpp/Ibpp=20mV/7.07mA=29Ω

由此可见：
与同样条件下的共发射极放大器相比，共基极放大器的输入阻抗下降了β倍。这是因为二极管导通后的动态阻抗与导通电流是成反比的，而发射极的静态工作电流大约就是基极静态工作电流的β倍。
所以，与其它类型的放大器相比，共基极放大器的输入阻抗是最低的。

四、共集电极放大器
1、输入阻抗

因为输出电压约等于输入电压，输入电压虽然在发射极电阻上引起的电流变化符合欧姆定律的规律，但由于IbIe/=(β+1)，所以，输入电压在基极引起的电流变化只有发射极电流变化量的1/(β+1)。相当于输入阻抗对提高了B+1倍。再加上三极管基极发射极之间的动态阻抗与发射极电阻之间是串联的关系，所以，共集电极放大器的输入阻抗Zi=(β+1)Re+Zbe
具体计算方法如下：
a、输入信号的正半周为+5V的时候，基极电压由+5.7V上升到+10.7V。发射极电流Ie随之上升，发射极电阻上的电压URe也因发射极电流的上升而从6V上升到略小于11V的位置、IRe增加了接近一倍。
静态Ube=0.7v，此时因为电流增加了一倍而变为0.72V。所以，URe此时的精确值应当是10.98V。
输入信号的正半周是+5V，输出信号的正半周是10.98-6=4.98V。输出信号略小于输入信号，相位与输入信号相同。

b、当输入信号的负半周为-5V的时候，基极电压由+5.7V下降到2.7V。发射极电流Ie随之下降，发射极电阻上的电压URe也因为发射极电流的下降而下降到略大于2V的位置、IRe减小了接近2.5倍。静态Ube=0.7v，此时因为电流减小了接近2.5倍而变为0.685V。所以，URe此时的精确值应当是2.015V。

输入阻抗等于输入电压的变化量与输入电流变化量的比值
Zi=Uipp/Iipp=(7.77V-3.63V)/(14.14uA-5uA)=502.9KΩ
也等于(β+1)Re+Zbe = (100+1)5KΩ+2.9KΩ =502.9KΩ

2、自举电路的原理
如图所示：

共集电极放大器的输入阻抗ri=BRe=600K。如果用简单偏置电路，基极电阻Rb=(E-Ue-0.7V/打假)Ib=530K。不仅能将共集电极放大器输入阻抗高的优点减少一半，而且静态工作点还不够稳定。如果采用固定偏置电路，虽然能够稳定静态工作点，但却更加严重地降低了共集电极放大器输入阻抗。

解决问题的方法：自举电路
采取自举电路可以将共集电极基极偏置电阻对输入阻抗影响减少到忽略不计的水平。
如图所示：

具体原理是：自举电容的容量较大，两端能够保持基本稳定的静态偏置电压。当输入信号交流信号电压的时候，发射极输出电压也跟随发生变化（与输入电压上升的幅度很接近），自举电容Cb2端的电压也随之发生同样的变化。由于自举电阻两端的电压都上变化了几乎同样的幅度，所以自举电阻两端的电压差基本没有发生变化。输入端变化的电压使自举电阻上的电流没有发生变化，相当于自举电阻在系统中的阻抗无穷大，从而对集电极放大器输入阻抗的影响几乎可以忽略不计。

五、差动放大器
如图所示：

　　根据共集电极放大器输入阻抗的计算原理，放大器发射极的阻抗反映到基极会被放大B倍。
三极管放大器从发射极看进去的阻抗；等于零从基极看进去阻抗的B分之一。
差动放大器两个放大用的三极管，都是选择参数很接近的，而且两个三极管都工作在电流基本相同的情况下。每一个三极管发射极的阻抗都互为另一个三极管发射极的阻抗。所以这个阻抗反映到三极管的基极；就等于这个三极管的基极阻抗。
所以，差动放大器的输入阻抗总是相当于这个三极管组成共发射极放大器输入阻抗的两倍。

六、输入阻抗的测量方法
因为放大器的输入阻抗不是一个纯电阻，所以不能用对待普通电阻的方式直接进行测量。
如图所示：

R是一个已知的电阻，它与放大器的输入阻抗成串联关系, 所以输入信号的幅度到达放大器的输入端会被减小。用仪器可以测出Ui1和Ui2的电压，从图中结构可以看出：
∵R/r=(Ui1-Ui2)/Ui2
∴r=RUi2/(Ui1-Ui2)

七、输出阻抗的测量方法：
把放大器看着一个输出交流信号的电源，输出阻抗就是它的内阻。所以用也

1、没有输出负载电阻的情况
集电极静态工作电流为1mA，受输入信号的控制，Ic在0.5至1.5之间变化，集电极电压因此在7.5V--2.5V之间变化。

2、合上开关（接上负载电阻）以后的情况
电源接通以后输出电容已被充入电荷而逐渐达到5V。输出电容的容量很大，在动态情况下，能够基本保持不变。
集电极电压发生变化时，负载电阻与集电极电阻上的电压变化量相同，因此电流变化量以相同。当集电极电流由1mA变化到0.5mA的时候，0.5mA的电流变化量为平均分配给负载电阻和集电极电阻。集电极电阻的电流就会由1mA变化到1.25mA，负载电阻上的电流就会由0mA变化到0.25mA。
由此可见，当接上负载电阻以后，本来应当到在7.5V--2.5V之间变化的输出电压，变为只能在6.25V--3.75V之间变化。

根据计算电源内阻的原理

在理想三极管的条件下，共发射极放大器的输出阻抗就等于集电极电阻。
在非理想三极管的条件下，三极管的集电极电流并不完全与集电极电压无关，所以三极管集电极的恒流特性是有限的（三极管集电极的输出动态阻抗大约在几十KO和左右），对集电极电阻的并联影响基本可以忽略不计。

2、共基极放大器
共基极放大器输出阻抗的原理和参数与共发射极放大器相同。

3、共集电极放大器
如图所示：（负载电阻，用以测量输出阻抗）

a、不加输出负载的情况
输入信号的正半周为+5V的时候，基极电压由+5.7V上升到+10.7V。发射极电流Ie随之上升，发射极电阻上的电压URe也因发射极电流的上升而从6V上升到略小于11V的位置、IRe增加了接近一倍。
静态Ube=0.7v，此时因为电流增加了一倍而变为0.72V。所以，URe此时的精确值应当是10.98V。
输入信号的正半周是+5V，输出信号的正半周是10.98-6=4.98V。输出信号略小于输入信号，相位与输入信号相同。

当输入信号的负半周为-5V的时候，基极电压由+5.7V下降到2.7V。发射极电流Ie随之下降，发射极电阻上的电压URe也因为发射极电流的下降而下降到略大于2V的位置、IRe减小了接近2.5倍。静态Ube=0.7v，此时因为电流减小了接近2.5倍而变为0.685V。所以，URe此时的精确值应当是2.015V。

b、合上开关（接上负载电阻）的情况
电路接上电源以后，输出电容被逐渐充满电荷而达到+5V。
输入信号的正半周为+5V的时候，输出信号在没有负载的情况下应当变为9.98V，而加上负载以后，Re获得了与Re同样的电压变化量，因此也会产生同样的电流变化量。发射极输出电流因此就会达到约等于1.828mA。Ube因此就会达到0.72V，输出电压的精确是就会达到9.97V。
输入信号的负半周为-5V的时候，输出信号在没有负载的情况下应当变为2.015V，而加上负载以后，Re获得了与Re同样的电压变化量，因此也会产生同样的电流变化量。发射极输出电流因此就会达到约等于0171mA。Ube因此就会达到0.68V，输出电压的精确是就会达到2.005V。

根据输出阻抗的计算公式：
未完成

由此可见，输出阻抗略小于从三极管发射极看进去的静态工作电流等于1mA时的动态阻抗，这是因为发射极电阻的并联关系所造成。
所以，集电极放大器的输出阻抗约等于从三极管发射极看进去的静态工作电流条件下的动态阻抗。

4、差动放大器
差动放大器输出阻抗的原理和参数与共发射极放大器相同。

八、输出阻抗的测量
与输入阻抗的测量有同样的道理，放大器的输出阻抗不是一个纯电阻，不能用对待普通电阻的方式直接进行测量。
具体的测量原理如图所示：

如图A所示：是测量电源内阻的方法
公式：未完成

如图B所示：把放大器的输出端看作一个输出交流电压的电源，并且用测量电源内阻的方式来测量放大器的输出阻抗。
公式：未完成

作业：
（共发射极简单偏置电路、共发射极固定偏置电路、共基极放大器、共集电极简单偏置电路、共集电极固定偏置电路、共集电极自举电路、差动放大器）
一、计算各种类型放大器在不同静态工作点下的小信号输入阻抗。
二、计算各种类型放大器在不同静态工作点下的小信号输出阻抗。
三、计算各种类型放大器在不同静态工作点下的大信号输入阻抗。
四、计算各种类型放大器在不同静态工作点下的小信号输出阻抗。

未完成