C5 · BJT
增益与阻抗:放大器受邻居影响
放大器置于源与负载之间。亲手把负载加重或减轻,看上一单元的理想增益在实际中如何被削减,又是什么决定这种削减。
改变负载,看增益被削减
虚线波峰是无负载时的理想输出,粗线是实际输出 vout。减小负载电阻 RL、加重负载,实际输出便缩进虚线包络之内。增大负载,又回到接近理想值。
负载电阻 RLRL = 0.20 kΩ
实际电压增益 Av
Av = -gm (Rc || RL) = -32
Rout = Rc = 1 kΩ · |Av|max = 192
负载电阻小于 Rc。与 Rc 并联使有效电阻大减,实际增益跌到理想值的一小部分。
重负载 · 增益被削
输入阻抗:源所见的电阻
从给信号的源的角度看进放大器,它看起来像一个电阻。共射中这个输入阻抗是小信号输入电阻 rπ 与偏置电阻并联之值。源总有自己的内阻 Rs,与输入阻抗构成分压。输入阻抗小,则只有部分源电压到达基极,一开始就损失信号。
输出阻抗:负载所见的电阻
反过来,从输出侧即集电极看进放大器,负载又见到一个电阻。晶体管的输出理想上是无穷大电阻的电流源,故负载所见的输出阻抗实质上是集电极电阻 Rc。所以接上负载电阻 RL 时,它便与 Rc 并排,即并联。输出阻抗越小,接同样的负载电压被削得越少。
负载削减增益
由于负载 RL 与集电极电阻 Rc 并联,信号电流所见的有效电阻是 Rc || RL。故实际电压增益为 Av = -gm (Rc || RL),总小于无负载的 -gm Rc。负载越重、即 RL 越小,并联值越小、增益削减越多。要级联多级获得大增益,前级输出阻抗须足够小于后级输入阻抗,才不丢信号。所以设计放大器时,阻抗与增益同等重要。
观察Rout = Rc
输出阻抗就是集电极电阻。
选择vbe = vs · rπ / (rπ + ?)
输入按输入电阻与源电阻之比进入。
填空Av = -gm (Rc || ?)
实际增益正比于 Rc 与负载的并联。
自己来Rc || RL = Rc RL / (Rc + ?)
并联值是积除以和。
回到第一屏
负载越重,实际输出越缩进虚线之内;负载减轻,又回到接近虚线。那条虚线是无负载的理想增益 -gm Rc,实际输出始终是更小的 -gm (Rc || RL)。决定削减的,是负载在集电极所见的电阻,即输出阻抗 Rc 与负载 RL 的并联。同样在输入端,输入阻抗与源电阻构成分压、分走信号。放大器从不独存,其增益总与邻近阻抗一同决定。至此,BJT 放大器走完一圈。
放大器从不孤立。输入阻抗 Rin(≈ rπ)是源所见的电阻,与源电阻 Rs 构成分压、削减输入;输出阻抗 Rout(= Rc)是负载所见的电阻,负载 RL 与 Rc 并联。故实际电压增益 Av = -gm (Rc || RL),总小于无负载的 -gm Rc。负载越重,削减越多。要级联而不丢信号,前级 Rout 须足够小于后级 Rin。
接下来的脉络
BJT 用小电流驾驭大电流。下一组遇见另一种晶体管 MOSFET,它不用电流而用电压,即仅靠加在栅极的电场来开闭沟道。从栅极几乎不流电流、输入阻抗极大这一点出发,第一单元看它的结构与阈值电压。