低頻放大電路中的阻抗問題

馮偉強(qiáng)

(廣西醫(yī)科大學(xué)一附院 設(shè)備科，廣西南寧530021)

低頻放大電路中的阻抗問題

馮偉強(qiáng)

(廣西醫(yī)科大學(xué)一附院 設(shè)備科，廣西南寧530021)

本文對(duì)低頻放大電路中的阻抗問題作了一個(gè)梳理，以期對(duì)有關(guān)設(shè)備維護(hù)人員的理論學(xué)習(xí)和維修工作有一些參考。

輸入電阻;輸出電阻;阻抗

1 小信號(hào)放大電路

(1)一般而言，雙極晶體管(簡稱晶體管)、場效應(yīng)晶體管(簡稱場效應(yīng)管)、線性放大器均可以用一個(gè)具有輸入阻抗、輸出阻抗和受控源的雙口網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行描述。輸入阻抗、輸出阻抗是在電子電路中經(jīng)常用到的網(wǎng)絡(luò)函數(shù)。下面的討論主要涉及晶體管及其電路。

由于在放大器中輸入電壓與輸入電流之間可能存在相位差，所以輸入阻抗中既有電阻成分也有電抗成分。在信號(hào)頻率較低的情況下，電抗成分對(duì)于電阻成分而言相當(dāng)小，常常可忽略，此時(shí)輸入阻抗簡化為輸入電阻。

與輸入阻抗一樣，輸出阻抗一般也有電阻成分又有電抗成分。在信號(hào)頻率較低的情況下，輸出阻抗簡化為輸出電阻。

(2)放大器輸入阻抗概念與晶體管輸入阻抗概念不太一樣。晶體管輸入阻抗是沒有直流偏置電阻情況下，從晶體管輸入端向里看的電阻，放大器輸入電阻是加入直流偏置電阻后，從放大器輸入端向里看的電阻。

晶體管的基區(qū)、發(fā)射區(qū)和集電區(qū)分別由P型和N型半導(dǎo)體所構(gòu)成，都有一定的電阻(稱為半導(dǎo)體的體電阻)。在兩個(gè)PN結(jié)上，還存在著結(jié)電阻。因?yàn)榘l(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度較高，載流子較多，所以發(fā)射區(qū)電阻與發(fā)射結(jié)電阻相比較，可以忽略不計(jì)。因此，晶體管的輸入電阻實(shí)際上是由基區(qū)電阻和發(fā)射結(jié)電阻組成的。

放大器的輸入電阻包含了直流偏置電阻等影響。例如，在工作點(diǎn)穩(wěn)定的典型電路中，從交流等效電路中可以看到，交流信號(hào)電壓作用在兩個(gè)偏置電阻Rb1、Rb2和晶體管輸入電阻rbe三個(gè)并聯(lián)電阻的兩端，所以放大器的輸入電阻實(shí)際上就是由Rb1、Rb2和 rbe的并聯(lián)電阻。如果rbe遠(yuǎn)小于Rb1、Rb2，這時(shí)工作點(diǎn)穩(wěn)定的典型電路的輸入電阻為ri≈rbe。

(3)放大器輸出電阻概念與晶體管輸出電阻概念也不太一樣。晶體管輸出電阻是從晶體管輸出端向晶體管內(nèi)部看時(shí)的等效電阻，這時(shí)沒有任何的晶體管直流偏置電阻。放大器的輸出電阻是從放大器輸出端向放大器內(nèi)部看時(shí)的等效電阻。

在共發(fā)射極接法中，晶體管輸出電阻rce是集–射極等效電阻，它表示當(dāng)集電極電壓uce變化時(shí)由于基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)而對(duì)集電極電流ic的影響。

放大器的輸出電阻也包含了直流偏置電阻等影響。例如，共發(fā)射極放大器輸出電阻等于晶體管輸出電阻rce與晶體管集電極負(fù)載電阻Rc的并聯(lián)值。由于一般情況下，rce遠(yuǎn)大于Rc，所以放大器的輸出電阻約等于Rc。

(4)一個(gè)放大器總是要從它的輸入端的信號(hào)源或前一級(jí)放大器取得電流的，所以一個(gè)放大器接到信號(hào)源以后，就相當(dāng)于是信號(hào)源的一個(gè)負(fù)載，這個(gè)負(fù)載電阻也就是放大器自身的輸入電阻。輸入電阻越大，表示放大器從信號(hào)源(或前一級(jí)放大器)所取得電流越小，因而對(duì)信號(hào)源的影響越小，所以輸入電阻的大小直接關(guān)系到信號(hào)源或前一級(jí)放大器的工作情況。

從放大器輸出端看進(jìn)去，整個(gè)放大器相當(dāng)于一個(gè)等效電源，即輸出電壓及其內(nèi)阻，這個(gè)等效電源的內(nèi)阻也就是放大器的輸出電阻。在放大器輸出端帶上負(fù)載，則放大器的輸出電壓將比不帶負(fù)載時(shí)有所下降。如果放大器的輸出電阻小，那么當(dāng)負(fù)載改變時(shí)，它的輸出電壓的變化也小，這樣的放大器帶負(fù)載的能力就比較大。也就是說，放大器的輸出電阻越小，它帶負(fù)載的能力就越大，即使帶動(dòng)很大的負(fù)載(指負(fù)載很小，所取電流很大)，也能保持放大器的輸出電壓幾乎不下降?？傊?，放大器的輸出電阻越小，放大器的負(fù)載(或后一級(jí)放大器)對(duì)它的影響也就越小。

放大器的輸入電阻與輸出電阻的概念，將幫助我們解決好放大器前后各級(jí)之間，以及放大器與信號(hào)源、負(fù)載電阻之間的連接問題，并估計(jì)它們之間的相互影響問題。

一般地說，對(duì)于一個(gè)多級(jí)放大器，往往希望它的前級(jí)具有較高的輸入電阻，以便較少地從信號(hào)源取得電流;又希望它的輸出級(jí)具有較低的輸出電阻，因而能夠帶動(dòng)更大的負(fù)載。

但多級(jí)放大器的結(jié)構(gòu)通常可以分為三個(gè)組成部分:前置放大器、主放大器和輸出級(jí)，前置放大級(jí)的主要功能是要解決輸入信號(hào)與放大器的耦合問題。因此，前置放大級(jí)的輸入電阻常常還要根據(jù)信號(hào)源的阻抗以及信號(hào)的性質(zhì)確定。若要放大的是電壓，一般要求放大器的輸入電阻盡可能大一些，使信號(hào)電壓絕大部分能夠進(jìn)入放大器;若要放大的是電流，則要求放大器的輸入電阻盡可能小一些，使信號(hào)電流絕大部分能夠進(jìn)入放大器。有時(shí)候從降噪的目的考慮，也常常要求放大器的輸入電阻與信號(hào)源的阻抗匹配。

(5)串聯(lián)負(fù)反饋放大器的輸入電阻將增加，而并聯(lián)負(fù)反饋放大器的輸入電阻將降低。增加和降低的倍率與反饋深度有關(guān)，分別是反饋深度和反饋深度的倒數(shù)。

電壓負(fù)反饋放大器的輸出電阻將降低，而電流負(fù)反饋放大器的輸出電阻將增加。降低和增加的倍率與反饋深度有關(guān)，分別是反饋深度的倒數(shù)和反饋深度。

例如射極輸出器，由于引入了電流負(fù)反饋，獲得了很高的輸入電阻，與一般的共發(fā)射極電路的輸入電阻(ri≈rbe)相比較，增加了(1+β)Re;由于引入了電壓負(fù)反饋，具有很低的輸出電阻，ro= (Rs+rbe)/β，而對(duì)于多數(shù)情況來說，總是ro遠(yuǎn)小于Rc，可見比起集電極輸出的放大電路來，輸出電阻低得多。

(6)在三種放大器中，共發(fā)射極放大器的輸入電阻、輸出電阻均不是最大，也不是最小，所以共發(fā)射極放大器應(yīng)用最為廣泛，在各種頻率的放大系統(tǒng)中都有應(yīng)用，是信號(hào)放大的首選電路。

利用共集電極放大器輸出電阻小的特點(diǎn)，在多級(jí)放大器系統(tǒng)中時(shí)常將最后一級(jí)放大器采用共集電極放大器，稱為射極輸出器。這樣，多級(jí)放大器系統(tǒng)能夠輸出更大的電流給負(fù)載。

利用共集電極放大器輸入電阻大、輸出電阻小的特點(diǎn)，在多級(jí)放大器系統(tǒng)中時(shí)常將中間的某一級(jí)采用共集電極放大器，這樣，這一級(jí)放大器將前級(jí)和后級(jí)放大器進(jìn)行隔離，以防止多級(jí)放大器系統(tǒng)中級(jí)與級(jí)之間的相互影響。這樣的共集電極放大器又稱為緩沖級(jí)放大器或隔離級(jí)放大器。

共基極放大器具有輸入阻抗小、輸出阻抗大的特點(diǎn)。當(dāng)放大器的輸入阻抗小時(shí)，要求前級(jí)放大器或信號(hào)源輸出更大的信號(hào)電流，也就是要有更大的電流才能使共基極放大器正常工作。當(dāng)前級(jí)放大器不能輸出更大信號(hào)電流時(shí)，就會(huì)同時(shí)影響前級(jí)放大器和這一級(jí)放大器的正常工作。但共基極放大器由于它的高頻性能優(yōu)良，主要用于工作頻率比較高的高頻電路中，例如視頻放大器。在音頻放大器中一般不采用。

2 功率放大電路

(1)微弱的信號(hào)經(jīng)過放大器放大之后，在很多情況下是用來控制某種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的，例如使揚(yáng)聲器發(fā)出聲音，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。小信號(hào)放大器的任務(wù)是將微弱信號(hào)進(jìn)行電壓放大(或電流放大)，然后推動(dòng)功率放大器工作，因此要求有較大的電壓增益(或電流增益)。功率放大器的任務(wù)是供給較大的功率，控制負(fù)載工作。功率放大器要有比較大的功率輸出，即一般不僅要有大的電壓輸出，還要有大的電流輸出。應(yīng)該指出兩點(diǎn)，一是所謂輸出功率實(shí)質(zhì)上是指變化的電壓和變化的電流的乘積，而不是直流電壓和直流電流的乘積，因?yàn)楹笳咧荒苁箵P(yáng)聲器的紙盆移動(dòng)一下，只有交變的電壓和電流才能使它前后往復(fù)運(yùn)動(dòng)發(fā)出聲音;二是衡量功率的大小要根據(jù)變化電壓和變化電流的有效值，而不是瞬時(shí)值。

功率放大器的輸出功率并不是一個(gè)固定不變的數(shù)值，而是在一定范圍內(nèi)，隨著輸入信號(hào)的增大而增大的。在晶體管電路中，隨著輸出功率的增大，如果晶體管的工作范圍超出了線性區(qū)，則非線性失真將顯著增大。所以，人們規(guī)定功率放大器的額定輸出功率指的是，在失真允許的范圍內(nèi)，放大器可能輸出的最大功率。在設(shè)計(jì)功率放大器時(shí)，正是以最大不失真功率為依據(jù)來選用晶體管和確定電路及有關(guān)參數(shù)的。

對(duì)于一定的放大器，它有一個(gè)最佳負(fù)載值(最佳阻抗值)，可以使實(shí)際輸出功率最大(達(dá)到額定輸出功率)。放大器處在最佳負(fù)載情況下工作，也稱為最佳“匹配”。

功率放大器中晶體管工作的電壓和電流的變化幅度都較大，接近極限運(yùn)用狀態(tài)，所以不能再把晶體管看作是線性元件。因此，在討論小信號(hào)放大時(shí)所用的等效電路分析法不再適用，一般應(yīng)采用圖解法來分析功率放大器的工作情況。因而可以通過圖解法和試驗(yàn)來確定最佳負(fù)載值。

負(fù)載數(shù)值為預(yù)先給定的情況下，可以將給定的負(fù)載值變換成放大器的最佳負(fù)載值。輸出變壓器就能起到變換阻抗的作用。

(2)功率放大器的輸出特性有兩種:一是定阻式輸出，二是定壓式輸出。

①定阻式輸出電路變壓器耦合的功率放大器為定阻式輸出特性，在這種輸出電路中要求負(fù)載阻抗確定不變。在功率放大器輸出級(jí)中的輸出變壓器一次和二次繞組匝數(shù)確定后，揚(yáng)聲器的阻抗便不能改變。如原來采用4Ω揚(yáng)聲器，則不能改用8Ω等其它阻抗的，否則揚(yáng)聲器與功率放大器輸出級(jí)之間阻抗不匹配此時(shí)會(huì)出現(xiàn)下列一些現(xiàn)象:揚(yáng)聲器得不到最大功率，或很多情況下要燒壞電路中的元件。

一些采用定阻式輸出的功率放大器中，輸出變壓器的二次繞組設(shè)有多個(gè)抽頭，供接入不同阻抗揚(yáng)聲器時(shí)選擇使用，此時(shí)要注意揚(yáng)聲器或音箱阻抗與接線柱上的阻抗標(biāo)記一致。

②定壓式輸出電路所謂定壓式輸出是指負(fù)載阻抗大小在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，功率放大器輸出級(jí)的輸出信號(hào)電壓不隨負(fù)載阻抗的變化而變化。OTL、OCL、BTL等功放電路具有定壓式輸出的特性。

在定壓式輸出的功率放大器中，對(duì)負(fù)載阻抗的要求沒有定阻式輸出那么嚴(yán)格，負(fù)載阻抗允許有些變化而不影響放大器的正常工作，但是負(fù)載所獲得的功率將隨負(fù)載阻抗不同而有所變化。負(fù)載上的信號(hào)功率由下式?jīng)Q定:

(1)式中PO為功率放大器負(fù)載獲得的信號(hào)功率，U為功率放大器輸出信號(hào)電壓，Z為揚(yáng)聲器的阻抗。從上式可以看出，由于U基本不隨Z變化，所以PO的大小主要取決于負(fù)載阻抗Z，Z越小，負(fù)載獲得的功率越大，反之則越小。

在OTL、OCL、BTL等功放電路中，為了使負(fù)載獲得較大的信號(hào)功率，揚(yáng)聲器大多采用3.2Ω、4Ω、8Ω，而很少采用16Ω及其以上的揚(yáng)聲器。

3 小結(jié)

以上對(duì)低頻放大電路中的阻抗問題作了一個(gè)梳理，自然，前提是對(duì)阻抗概念有一個(gè)比較好的理解，但由于篇幅所限，對(duì)這個(gè)問題不再作展開。

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［5］清華大學(xué)電子工程系工業(yè)自動(dòng)化系，晶體管電路［M］.第二冊，北京:科學(xué)出版社，1979.

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