低頻放大電路中的阻抗問題

馮偉強

(廣西醫(yī)科大學一附院 設備科，廣西南寧530021)

低頻放大電路中的阻抗問題

馮偉強

(廣西醫(yī)科大學一附院 設備科，廣西南寧530021)

本文對低頻放大電路中的阻抗問題作了一個梳理，以期對有關設備維護人員的理論學習和維修工作有一些參考。

輸入電阻;輸出電阻;阻抗

1 小信號放大電路

(1)一般而言，雙極晶體管(簡稱晶體管)、場效應晶體管(簡稱場效應管)、線性放大器均可以用一個具有輸入阻抗、輸出阻抗和受控源的雙口網絡進行描述。輸入阻抗、輸出阻抗是在電子電路中經常用到的網絡函數(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。在信號頻率較低的情況下，電抗成分對于電阻成分而言相當小，常常可忽略，此時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型半導體所構成，都有一定的電阻(稱為半導體的體電阻)。在兩個PN結上，還存在著結電阻。因為發(fā)射區(qū)雜質濃度較高，載流子較多，所以發(fā)射區(qū)電阻與發(fā)射結電阻相比較，可以忽略不計。因此，晶體管的輸入電阻實際上是由基區(qū)電阻和發(fā)射結電阻組成的。

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，交流信號電壓作用在兩個偏置電阻Rb1、Rb2和晶體管輸入電阻rbe三個并聯(lián)電阻的兩端，所以放大器的輸入電阻實際上就是由Rb1、Rb2和 rbe的并聯(lián)電阻。如果rbe遠小于Rb1、Rb2，這時工作點穩(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部看時的等效電阻，這時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部看時的等效電阻。

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，它表示當集電極電壓uce變化時由于基區(qū)寬度調制效應而對集電極電流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與晶體管集電極負載電阻Rc的并聯(lián)值。由于一般情況下，rce遠大于Rc，所以放大器的輸出電阻約等于Rc。

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

從放大器輸出端看進去，整個放大器相當于一個等效電源，即輸出電壓及其內阻，這個等效電源的內阻也就是放大器的輸出電阻。在放大器輸出端帶上負載，則放大器的輸出電壓將比不帶負載時有所下降。如果放大器的輸出電阻小，那么當負載改變時，它的輸出電壓的變化也小，這樣的放大器帶負載的能力就比較大。也就是說，放大器的輸出電阻越小，它帶負載的能力就越大，即使帶動很大的負載(指負載很小，所取電流很大)，也能保持放大器的輸出電壓幾乎不下降。總之，放大器的輸出電阻越小，放大器的負載(或后一級放大器)對它的影響也就越小。

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之間，以及放大器與信號源、負載電阻之間的連接問題，并估計它們之間的相互影響問題。

一般地說，對于一個多級放大器，往往希望它的前級具有較高的輸入電阻，以便較少地從信號源取得電流;又希望它的輸出級具有較低的輸出電阻，因而能夠帶動更大的負載。

但多級放大器的結構通常可以分為三個組成部分:前置放大器、主放大器和輸出級，前置放大級的主要功能是要解決輸入信號與放大器的耦合問題。因此，前置放大級的輸入電阻常常還要根據信號源的阻抗以及信號的性質確定。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，使信號電壓絕大部分能夠進入放大器;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，使信號電流絕大部分能夠進入放大器。有時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源的阻抗匹配。

(5)串聯(lián)負反饋放大器的輸入電阻將增加，而并聯(lián)負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，分別是反饋深度和反饋深度的倒數(shù)。

電壓負反饋放大器的輸出電阻將降低，而電流負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，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;由于引入了電壓負反饋，具有很低的輸出電阻，ro= (Rs+rbe)/β，而對于多數(shù)情況來說，總是ro遠小于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)射極放大器應用最為廣泛，在各種頻率的放大系統(tǒng)中都有應用，是信號放大的首選電路。

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

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

共基極放大器具有輸入阻抗小、輸出阻抗大的特點。當放大器的輸入阻抗小時，要求前級放大器或信號源輸出更大的信號電流，也就是要有更大的電流才能使共基極放大器正常工作。當前級放大器不能輸出更大信號電流時，就會同時影響前級放大器和這一級放大器的正常工作。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)微弱的信號經過放大器放大之后，在很多情況下是用來控制某種執(zhí)行機構的，例如使揚聲器發(fā)出聲音，驅動電動機旋轉。小信號放大器的任務是將微弱信號進行電壓放大(或電流放大)，然后推動功率放大器工作，因此要求有較大的電壓增益(或電流增益)。功率放大器的任務是供給較大的功率，控制負載工作。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。應該指出兩點，一是所謂輸出功率實質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，因為后者只能使揚聲器的紙盆移動一下，只有交變的電壓和電流才能使它前后往復運動發(fā)出聲音;二是衡量功率的大小要根據變化電壓和變化電流的有效值，而不是瞬時值。

功率放大器的輸出功率并不是一個固定不變的數(shù)值，而是在一定范圍內，隨著輸入信號的增大而增大的。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，放大器可能輸出的最大功率。在設計功率放大器時，正是以最大不失真功率為依據來選用晶體管和確定電路及有關參數(shù)的。

對于一定的放大器，它有一個最佳負載值(最佳阻抗值)，可以使實際輸出功率最大(達到額定輸出功率)。放大器處在最佳負載情況下工作，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，在討論小信號放大時所用的等效電路分析法不再適用，一般應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來確定最佳負載值。

負載數(shù)值為預先給定的情況下，可以將給定的負載值變換成放大器的最佳負載值。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載阻抗確定不變。在功率放大器輸出級中的輸出變壓器一次和二次繞組匝數(shù)確定后，揚聲器的阻抗便不能改變。如原來采用4Ω揚聲器，則不能改用8Ω等其它阻抗的，否則揚聲器與功率放大器輸出級之間阻抗不匹配此時會出現(xiàn)下列一些現(xiàn)象:揚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有多個抽頭，供接入不同阻抗揚聲器時選擇使用，此時要注意揚聲器或音箱阻抗與接線柱上的阻抗標記一致。

②定壓式輸出電路所謂定壓式輸出是指負載阻抗大小在一定范圍內變化時，功率放大器輸出級的輸出信號電壓不隨負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，對負載阻抗的要求沒有定阻式輸出那么嚴格，負載阻抗允許有些變化而不影響放大器的正常工作，但是負載所獲得的功率將隨負載阻抗不同而有所變化。負載上的信號功率由下式決定:

(1)式中PO為功率放大器負載獲得的信號功率，U為功率放大器輸出信號電壓，Z為揚聲器的阻抗。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載阻抗Z，Z越小，負載獲得的功率越大，反之則越小。

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

3 小結

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

［1］陳光夢，模擬電子學基礎 ［M］.上海:復旦大學出版社，2005.

［2］勞五一、勞佳，模擬電子學導論［M］.北京:清華大學出版社，2011.

［3］胡斌，放大器電路識圖入門突破［M］.北京:人民郵電出版社，2008.

［4］清華大學電子工程系工業(yè)自動化系，晶體管電路［M］.第一冊，北京:科學出版社，1979.

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

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