一、输入&输出阻抗
如图1所示的二端口网络,$Z_i$、$Z_o$分别为输入输出阻抗,由欧姆定律:
输入阻抗:
$z_i=\frac{{\dot{E}}_i}{{\dot{I}}_i} $(欧姆,Ω)
输出阻抗:
$z_0=\frac{{\dot{E}}_0}{{\dot{I}}_v}\left|{\atop{\dot{E}}_i=0V}\right.$(欧姆,Ω)
图1
二、空载&有载电压增益
如图2所示,二端口网络的电压增益为:
${\dot{A}}_{v_{NL}}=\frac{{\dot{E}}_o}{{\dot{E}}_i}$
图2
如图三所示为有载电压增益:
${\dot{A}}_v=\frac{{\dot{E}}_0}{{\dot{E}}_i}\left|{\atop\ni R_L}\right.$
考虑电压源的内阻,即总的电压增益为:
${\dot{A}}_{v_T}=\frac{{\dot{E}}_o}{{\dot{E}}_g}$
由于信号源在内阻上的损耗,电压增益${\dot{A}}_{v_T}$总是小于有载电压增益${\dot{A}}_v$或无载电压增益${\dot{A}}_{v_{NL}}$。
图3
由上式可整理:
${\dot{A}}_{v_T}=\frac{{\dot{E}}_o}{{\dot{E}}_g}=\frac{{\dot{E}}_o}{{\dot{E}}_{\dot{i}}}·\frac{{\dot{E}}_i}{{\dot{E}}_g}$
${\dot{A}}_{v_T}=\dot{A}v·\frac{{\dot{E}}_i}{{\dot{E}}_g}$(有载)
${\dot{A}}_{v_T}={\dot{A}}_{v_{NL}}\frac{{\dot{E}}_i}{{\dot{E}}_g}$(空载)
${\dot{E}}_i$为输入阻抗$z_i$上的电压,可以由图三得出${\dot{E}}_i$与${\dot{E}}_g$的关系:
${\dot{E}}_i=\frac{Z_i{\dot{E}}_g}{Z_i+R_g}$
$\frac{{\dot{E}}_i}{{\dot{E}}_g}=\frac{Z_i}{Z_i+R_g}$
代入增益:
${\dot{A}}_{v_T}=\dot{A}v\frac{Z_i}{Z_i+R_g}$(有载)
${\dot{A}}_{v_T}={\dot{A}}_{v_{NL}}\frac{Z_i}{Z_i+R_g}$(空载)
无负载二端口网络等效模型如图四,$Z_i$和$Z_o$大多为纯电阻,$Z_i$和$Z_o$有电抗分量时,此等效电路依然适用,在添加了负载$R_L$后如图五。
图4 图5
应用分压定律:
${\dot{E}}_o=\frac{R_L\left({\dot{A}}_{v_{NL}}{\dot{E}}_i\right)}{R_L+R_o}$
即
${\dot{A}}_v=\frac{{\dot{E}}_0}{{\dot{E}}_i}={\dot{A}}_{v_{NL}}\frac{R_L}{R_L+R_o}$
由上式可得,对于固定的输出电阻$R_o$,负载$R_L$越大,有载增益越接近无载增益。
实验确定输出电阻$R_o$的方法:
${\dot{A}}_v=\frac{R_L}{R_L+R_0}{\dot{A}}_{v_{NL}}$
整理得:
$R_0=R_L\left(\frac{{\dot{A}}_{v_{NL}}}{{\dot{A}}_v}-1\right)$
由上式知求得无载增益${\dot{A}}_{v_{NL}}$和有载增益${\dot{A}}_v$就可以求得输出电阻$R_0$。
三、电流增益
二端口网络的电流增益通常用电压计算,不能够定义电流增益,由于${\dot{I}}_o=0/R_L=0A$得${\dot{A}}_i={\dot{I}}_o/I_i=0$。
图6
如图六所示的有载二端口网络:
${\dot{I}}_o=-\frac{{\dot{E}}_o}{R_L}$
${\dot{I}}_i=\frac{{\dot{E}}_i}{Z_i}$
有载电流增益:
${\dot{A}}_i=\frac{{\dot{I}}_o}{{\dot{I}}_i}=\frac{-{\dot{E}}_o/R_L}{{\dot{E}}_i/Z_i}=-\frac{{\dot{E}}_o}{{\dot{E}}_i}\left(\frac{Z_i}{R_L}\right)$
即:
${\dot{A}}_i=-{\dot{A}}_v\frac{Z_i}{R_L}$
由上式知,要计算有载电流增益,可以通过有载电压增益和$Z_i/R_L$计算出电流增益。
计算总的电流增益${\dot{A}}_{i_T}=I_o/I_g$
${\dot{I}}_0=-\frac{{\dot{E}}_o}{R_L},{\dot{I}}_i=\frac{{\dot{E}}_g}{Rg+Z_i}$
${\dot{A}}_{i_T}=\frac{{\dot{I}}_o}{Ig}=-\frac{{\dot{E}}_o/R_L}{{\dot{E}}_g/\left(R_g+Z_i\right)}=-\left(\frac{{\dot{E}}_0}{{\dot{E}}_g}\right)\left(\frac{Rg+Z_i}{R_L}\right)$
即:
${\dot{A}}_{i_T}=\frac{{\dot{I}}_o}{{\dot{I}}_g}=-{\dot{A}}_{v_T}\left(\frac{R_g+Z_i}{R_L}\right)$
由于${\dot{I}}_g={\dot{I}}_i$,其实${\dot{A}}_i$与${\dot{A}}_{i_T}$是一样的。
使用铭牌上的空载电压增益和输入输出电阻,计算有载电流增益:
图7
如图七,由欧姆定律:
${\dot{I}}_o=-\frac{\dot{A}v_{NL}{\dot{E}}_i}{R_L+R_o}$
${\dot{E}}_i={\dot{I}}_iR_i$
即:
${\dot{I}}_o=-\frac{\dot{A}v_{NL}\left({\dot{I}}_iR_i\right)}{R_L+R_o}$
得:
${\dot{A}}_i=\frac{{\dot{I}}_o}{I_i}=-{\dot{A}}_{v_{NL}}\frac{R_i}{R_L+R_o}$
由上式知:$R_L$越大放大器得有载电流增益越小。
四、功率增益
计算图7的功率增益:
$A_G=\frac{P_o}{P_i}=\frac{E_o^2/R_L}{E_i^2/R_i}=\left(\frac{E_o}{E_i}\right)^2\frac{R_i}{R_L}$
即
$A_G=\left|{\dot{A}}_v\right|^2\frac{R_i}{R_L}$
展开
$A_G=\left|{\dot{A}}_v\right|\left|{\dot{A}}_v\frac{R_i}{R_L}\right|=\left|{\dot{A}}_v\right|\left|{\dot{A}}_i\right|$
得:
$A_G=\left|{\dot{A}}_v\right|\left|{\dot{A}}_i\right|$
将$\dot{A}v=-{\dot{A}}_iR_L/R_i$带入上式得:
$A_G=\left|{\dot{A}}_v{\dot{A}}_i\right|=\left|\frac{{\dot{A}}_iR_L}{R_i}{\dot{A}}_i\right|=\left|{\dot{A}}_i\right|^2\frac{R_L}{R_i}$
$A_G=\left|{\dot{A}}_i\right|^2\frac{R_L}{R_i}$
总得功率增益为:
$A_{G_T}=\frac{P_L}{P_g}=\frac{E_o^2/R_L}{E_gI_g}=\frac{E_o^2/R_L}{E_g^2/\left(R_g+R_i\right)}=\left(\frac{E_o}{E_g}\right)^2\left(\frac{R_g+R_i}{R_L}\right)$
$A_{G_T}=\left|{\dot{A}}_{v_T}\right|^2\left(\frac{R_g+R_i}{R_L}\right)$
展开:
$A_{G_T}=\left|{\dot{A}}_{v_T}\right|\left(\left|\dot{A}v_T\right|\frac{R_g+R_i}{R_L}\right)$
得:
$A_{G_T}=\left|{\dot{A}}_{v_T}\right|\left|{\dot{A}}_{i_T}\right|$
五、二端口网络级联
计算二端口网络相关参数时:级联网络的公式要使用每一级的有载电压增益和电流增益,不是手册上的空载增益。
图八
图八所示,总的电压与电流增益(有载):
${\dot{A}}_{v_T}=\dot{A}v_1\cdot{\dot{A}}_{v_2}\cdot{\dot{A}}_{v_3}$
${\dot{A}}_{i_T}={\dot{A}}_{i_1}\cdot{\dot{A}}_{i_2}\cdot{\dot{A}}_{i_3}$
任意两级间的电压增益:
${\dot{A}}_i=-{\dot{A}}_v\frac{Z_i}{R_L}$
如图八所示的3级放大器有:
由:
${\dot{A}}_i=-{\dot{A}}_v\frac{Z_i}{R_L}$
得前两级电流增益:
${{\dot{A}}_i}^\prime=-{\dot{A}}_v^\prime\frac{Z_{i_1}}{Z_{i_3}}$
式中:
${\dot{A}}_i^\prime=\frac{{\dot{I}}_{o_2}}{{\dot{I}}_{i_1}},{\dot{A}}_v^\prime=\frac{{\dot{E}}_{o_2}}{{\dot{E}}_{i_1}}$
级联网络得总功率为:
$A_{G_T}=\left|{\dot{A}}_{v_T}\right|\cdot\left|{\dot{A}}_{i_T}\right|$
特定两级之间得功率增益为每一级电压和电流增益得乘积,对于上图的前两级:
$A_G^\prime=\left|{\dot{A}}_{v_2}^\prime\right|\left|{\dot{A}}_{i_2}^\prime\right|$
其中:
${\dot{A}}_{v_2}^\prime={\dot{A}}_{v_1}\cdot{\dot{A}}_{v_2},{\dot{A}}_{i_2}^\prime={\dot{A}}_{i_1}\cdot{\dot{A}}_{i_2}$