考研模电·零基础讲义 · 第 05 讲(下)|小信号模型(H 参数 / rbe)与动态分析:Av、Ri、Ro
学完这一讲,你能把三极管换成"rbe + 受控电流源βib"的小信号模型,按固定步骤画出共射电路的小信号等效电路,算出电压增益Av、源电压增益Avs、输入电阻Ri和输出电阻Ro,并说清"带负载能力"。预计用时 120 分钟。
本讲地图#
- 为什么能线性化:信号足够小时,特性曲线在Q点附近近似直线 → 管子可以用线性元件等效。
- H 参数模型:四个参数hie、hre、hfe、hoe(了解)→ 简化模型:b-e 间一个rbe,c-e 间一个βib(必会)。
- rbe的估算:rbe=rbb′+(1+β)IEQVT,由Q点决定。
- 动态分析四步:求Q → 求rbe → 画小信号等效电路 → 求Av、Ri、Ro(还有Avs)。
- 共射电路结论:Av=−rbeβRL′(阻容耦合固定偏置),Ri=Rb//rbe≈rbe,Ro≈Rc。
- 华师怎么考:考纲"静态和动态分析"的"动态"就是本讲;2026 回忆题 2(4)"电压增益公式、带负载能力"用的就是本讲的方法(射极偏置电路的版本在第 06 讲下)。
- 教材对应:第 5 章 5.3.2 节(例 5.3.2)。
- 重要度:⭐⭐⭐ 必考核心 / ⭐⭐ 理解 / ⭐ 了解。
前置知识#
- 放大电路的电压增益、输入电阻、输出电阻、源电压增益及测量方法:见第 01 讲(下)。
- 交流通路的画法(电容、VCC短路)、RL′=Rc//RL、Q点估算:见第 05 讲(上)。
- 输入、输出特性曲线:见第 04 讲(下)。
一、为什么可以用"小信号模型" ⭐⭐#
1.1 大白话:放大镜下的曲线是直的#
把一条弯曲的山路放到地图上看,它弯弯曲曲;可要是你只盯着脚下一两米,它几乎就是一段直线。
三极管的特性曲线是弯的(非线性),所以不能直接用欧姆定律、KVL 那套线性电路方法。但放大电路里的信号很小,工作点只在Q点附近一小段范围内移动——在这一小段里,曲线近似是直线。于是就可以把三极管换成几个线性元件(电阻、受控源),整个放大电路就变成一个线性电路,用学过的电路方法算就行。
这就是小信号模型分析法(也叫微变等效电路法)。
1.2 适用条件(简答、判断常考)#
- 低频:不考虑管子内部的结电容(高频时要用第 09 讲的模型);
- 小信号:信号幅度足够小,工作点在Q附近线性范围内移动;
- 只能用来求交流(动态)量,不能用来求Q点——模型里的参数本身是在Q点上求出来的,要先有Q才有模型。
二、H 参数小信号模型及其简化 ⭐⭐(简化模型 ⭐⭐⭐)#
2.1 H 参数(了解即可)#
把共射接法的 BJT 看成一个二端口网络:输入端口 b-e(vbe、ib),输出端口 c-e(vce、ic)。以ib、vce为自变量,在Q点附近取全微分,得到两个线性方程:
vbe=hieib+hrevce
ic=hfeib+hoevce
| 参数 |
含义 |
典型量级 |
| hie |
输出交流短路时的输入电阻,就是rbe |
103 Ω |
| hre |
输入交流开路时的反向电压传输比(vce对输入回路的影响) |
10−3∼10−4 |
| hfe |
输出交流短路时的电流放大系数,就是β |
102 |
| hoe |
输入交流开路时的输出电导,1/hoe=rce |
10−5 S |
四个参数单位各不相同(有电阻、有电导、有纯数),所以叫"混合(Hybrid)参数"。
2.2 简化模型(必会)#
hre和hoe都很小——放大区里vCE对vBE和iC的影响都很小(输入特性曲线重合、输出特性曲线平坦)。忽略它们:受控电压源hrevce短路,电阻1/hoe开路,就得到简化模型:
图 1:(a) 完整的 H 参数小信号模型;(b) 简化模型——输入端是电阻rbe,输出端是受ib控制的电流源βib
逐行拆解简化模型:
- b-e 之间:一个电阻rbe(读"r-b-e"),叫 BJT 的输入电阻(交流电阻),反映"vbe变化引起ib变化"——vbe=ibrbe;
- c-e 之间:一个受控电流源 βib,方向由ib的方向决定(ib流入基极,βib从 c 流向 e)。ib=0时它就不存在;
- c-e 之间相当于一个"理想电流源",内阻无穷大——这是第三节求Ro时的关键;
- NPN 和 PNP 的小信号模型完全相同(教材原话)。因为模型里全是交流变化量,与直流极性无关。
一句话:输入看进去是个电阻rbe,输出看进去是个电流源βib。
⚠️ 易错点:
- 小写rbe是交流(动态)电阻,不是 b-e 之间的直流电阻VBEQ/IBQ。用万用表欧姆挡测 b、e 间的电阻不是 rbe(教材复习思考题 5.3.5)——万用表测的是在它自己给出的直流电流下的直流电阻,而rbe是工作点上曲线的斜率倒数,与IEQ有关。
- 受控电流源的箭头方向不要乱画:ib参考方向流入 b,则βib从 c 指向 e。
- 如果负载电阻与rce=1/hoe(几十 kΩ 以上)可比,就不能忽略rce,此时把rce并在 c-e 之间(了解即可)。
三、rbe怎么求 ⭐⭐⭐#
3.1 公式#
rbe=rbb′+(1+β)IEQVT≈rbb′+(1+β)IEQ26 mV
逐行拆解:
- rbb′(读"r-b-b 撇"):基区体电阻——基区很薄、掺杂淡,电流从基极引线走到有效基区 b′ 要经过一段电阻。小功率管几十到几百欧,题目不给时常取 200 Ω(也有取 300 Ω 的,以题为准);
- VT:温度的电压当量,常温下约 26 mV;
- IEQ:静态发射极电流,单位用 mA 时26/IEQ直接得到 Ω;
- IEQVT=re是发射结的交流电阻(PN 结电流方程求导得到),流过它的是ie=(1+β)ib;折算到基极回路要乘(1+β),所以出现(1+β)re;
- 适用范围:0.1 mA<IEQ<5 mA,超出范围误差较大。
rbe由Q点决定:IEQ越大,rbe越小。这就是"先静态、后动态"的原因——不先求IEQ,就没法求rbe。
3.2 例题#
例题 1:某管β=100,rbb′=200 Ω。求IEQ=0.5 mA、1 mA、2 mA时的rbe。
解:
IEQ=1 mA: rbe=200+101×126=200+2626=2826 Ω≈2.83 kΩ
IEQ=0.5 mA:rbe=200+101×52=5452 Ω;IEQ=2 mA:rbe=200+101×13=1513 Ω。
规律:IEQ翻倍,(1+β)VT/IEQ那一项减半;rbe一般在 1 kΩ 左右的量级。
⚠️ 易错点:
- 公式里是IEQ(发射极电流),题目给ICQ时用IEQ=(1+β)IBQ≈ICQ;粗算时直接用ICQ也行,但要前后一致。
- 系数是(1+β)不是β,单位:mV ÷ mA = Ω。
四、画小信号等效电路:四步模板 ⭐⭐⭐#
第 1 步:画出 BJT 的简化模型(b、c、e 三个点,b-e 间rbe,c-e 间βib)。
第 2 步:按交流通路原则——耦合电容、旁路电容短路,直流电压源VCC短路接地——把与 b、c、e 相连的元件逐个画上。
第 3 步:标出vi、vo、ib、ic的参考方向(ib流入 b,βib由 c 向 e)。
第 4 步:标出Ri(从输入端往里看)和Ro(从输出端往里看,不含 RL)的位置。
以第 05 讲(上)的阻容耦合固定偏置电路为例:
图 2:阻容耦合共射放大电路的小信号等效电路。Rb与rbe都接在 b 与地之间(并联),βib、Rc、RL都接在 c 与地之间(并联)
逐行拆解:
- Rb原来接在 b 与VCC之间,VCC交流接地 → Rb变成 b 对地;
- Rc原来接在 c 与VCC之间 → Rc变成 c 对地,与RL并联;
- 发射极直接接地 → e 就是公共地;
- 输入回路与输出回路之间只通过受控源βib联系(没有导线直接连接 b 和 c)。
五、基本共射电路的Av、Ri、Ro ⭐⭐⭐#
5.1 阻容耦合固定偏置电路(最常考)#
电压增益Av:
输入:vi=ibrbe(rbe两端电压就是vi)。
输出:βib流过Rc//RL,参考方向与vo相反,所以vo=−βib(Rc//RL)=−βibRL′。
Av=vivo=ibrbe−βibRL′=−rbeβRL′
输入电阻Ri:从输入端看进去,Rb与rbe并联:
Ri=iivi=Rb//rbe≈rbe(Rb≫rbe)
输出电阻Ro:用"加压求流法"(第 01 讲下):令vs=0、去掉RL,在输出端加测试电压vt,求it。
图 3:求Ro。vs=0时输入端没有激励,ib=0,受控源βib=0相当于开路,从输出端只看到Rc
Ro=itvtvs=0, RL=∞=Rc
源电压增益Avs(信号源有内阻Rsi时,输出对信号源电压的增益):Rsi与Ri分压,vi=Rsi+RiRivs,所以
Avs=vsvo=Av⋅Rsi+RiRi
逐行拆解(四个结论要会讲道理):
- 负号:输出与输入反相(相差 180°);
- ∣Av∣与β、RL′成正比,与rbe成反比;RL越小,RL′越小,增益越小;
- Ri只有约 1 kΩ(≈rbe),偏小:会从信号源"抢"走较多电流,Rsi上损失较多电压,使∣Avs∣<∣Av∣;
- Ro=Rc一般几 kΩ,偏大:带负载能力一般(见第六节)。
5.2 例题#
例题 2(教材例 5.3.2):阻容耦合固定偏置共射电路,VCC=12 V,Rb=300 kΩ,Rc=4 kΩ,RL=4 kΩ,β=40,rbb′=200 Ω,VBEQ=0.7 V。求Av、Ri、Ro;若RL开路,Av如何变化?
解:
第 1 步,求IEQ(教材用近似):
IEQ≈βIBQ≈βRbVCC=40×300 kΩ12 V=1.6 mA
第 2 步,求rbe:
rbe=200+41×1.626≈200+666=866 Ω
第 3 步,RL′=4//4=2 kΩ,
Av=−rbeβRL′=−0.866 kΩ40×2 kΩ≈−92.4
第 4 步,Ri=Rb//rbe=3001+0.86611 kΩ≈0.8635 kΩ≈0.866 kΩ(Rb太大,并联后几乎就是rbe)。
第 5 步,Ro≈Rc=4 kΩ。
第 6 步,RL开路:Av=−0.86640×4≈−184.8,数值增大一倍。
精确算法对照(考试建议按此写,或者与题目给的近似保持一致):IBQ=30012−0.7 mA=37.67 μA,IEQ=(1+β)IBQ≈1.544 mA,rbe=200+41×1.54426≈890 Ω,Av≈−89.9(空载−179.7)。两种算法相差约 3%,都算对;关键是步骤完整、单位正确。
例题 3(源电压增益):例题 2 中信号源内阻Rsi=500 Ω(取rbe=866 Ω)。求Avs;vs振幅 10 mV 时,输出电压振幅是多少?
解:
Avs=AvRsi+RiRi=−92.4×0.5+0.86350.8635≈−58.6
输出振幅≈58.6×10 mV≈586 mV。由于Ri只有 0.86 kΩ,信号源内阻上"损失"了约 37% 的信号。
例题 4(教材原理电路——Rb串在信号通路里):第 05 讲(上)图 1a 的双电源原理电路,VBB=4 V,Rb=220 kΩ,VCC=12 V,Rc=5.1 kΩ,β=80,rbb′=200 Ω,输出端开路。求Av=vo/vs和Ri。
解:这个电路里信号vs经Rb 串联到基极(教材图 5.3.13),所以vs=ib(Rb+rbe)。
第 1 步,IBQ=15 μA(第 05 讲上例题 3),IEQ=81×15 μA=1.215 mA。
第 2 步,rbe=200+81×1.21526≈1933 Ω。
第 3 步,
Av=−Rb+rbeβRL′=−220+1.93380×5.1≈−1.84
第 4 步,Ri=Rb+rbe≈221.9 kΩ。
增益只有 1.84!原因是巨大的Rb 串在信号回路里,信号电压几乎全降在Rb上。这再次说明为什么实用电路要把Rb改接到VCC、信号经电容直接加到基极——那样Rb是并在输入端的。
公式对比(别混):Rb串联(原理电路):Av=−Rb+rbeβRL′,Ri=Rb+rbe;Rb并联(阻容耦合实用电路):Av=−rbeβRL′,Ri=Rb//rbe。先看清电路,再写公式。
例题 5(设计):固定偏置共射电路,VCC=12 V,β=60,rbb′=200 Ω,要求ICQ=1 mA、空载∣Av∣≥100。求Rc的最小值;取Rc=3 kΩ时验算Av、VCEQ,并求Rb。
解:
第 1 步,IEQ≈ICQ=1 mA,rbe=200+61×26=1786 Ω。
第 2 步,∣Av∣=rbeβRc≥100 → Rc≥60100×1.786≈2.98 kΩ。
第 3 步,取Rc=3 kΩ:Av=−1.78660×3≈−100.8 ✓;VCEQ=12−1×3=9 V,在放大区 ✓。
第 4 步,IBQ=1/60 mA≈16.7 μA,Rb=1/6012−0.7≈678 kΩ。
例题 6(PNP 管):PNP 管组成的阻容耦合共射电路,β=50,rbb′=200 Ω,IEQ=2 mA,Rc=RL=3 kΩ。求Av。
解:PNP 的小信号模型与 NPN 相同,公式照用。rbe=200+51×13=863 Ω,RL′=1.5 kΩ,Av=−0.86350×1.5≈−86.9。输出同样与输入反相。
六、带负载能力——真题 2(4) 的另一半 ⭐⭐⭐#
6.1 大白话#
放大电路的输出端对负载来说,就像一个"电池 + 内阻"(第 01 讲下的电压放大模型):开路电压是Avovi(Avo是空载增益),内阻就是Ro。接上负载后,Ro和RL分压:
vo=Avovi⋅Ro+RLRL
Ro越小,接上负载后输出电压掉得越少——输出电阻越小,带负载能力越强。
例题 7:例题 2 的电路(空载Avo=−184.8,Ro=4 kΩ)分别接RL=4 kΩ、1 kΩ,用两种方法求Av,并评价带负载能力。
解:
方法一(公式−βRL′/rbe):RL=4 kΩ 时RL′=2 kΩ,Av=−92.4;RL=1 kΩ 时RL′=0.8 kΩ,Av=−0.86640×0.8≈−36.95。
方法二(输出端戴维南等效):Av=AvoRo+RLRL:−184.8×84=−92.4;−184.8×51≈−36.96。两法一致 ✓。
评价:RL从开路降到 1 kΩ,增益掉到原来的 1/5。共射电路的Ro=Rc(几 kΩ)较大,带负载能力较弱,负载变化时增益变化明显。要带"重"负载(小RL),常在后面接一级共集电极电路(射极跟随器,Ro很小),见第 07、08 讲。
6.2 答题模板("写出电压增益公式,说明带负载能力")#
电压增益Av=−rbeβ(Rc//RL),其中rbe=rbb′+(1+β)IEQ26 mV;负号表示输出与输入反相。输出电阻Ro≈Rc。接入负载后RL′=Rc//RL减小,∣Av∣下降;RL越小下降越多。由于Ro≈Rc为数千欧,较大,故共射电路带负载能力较弱。
(第 06 讲下会把这个模板改写成分压式射极偏置电路的版本——有旁路电容时公式相同,没有旁路电容时分母多一项(1+β)Re。)
七、Q点对动态性能的影响 ⭐⭐#
由rbe=rbb′+(1+β)IEQ26:
- IEQ增大 → rbe减小 → ∣Av∣增大、Ri减小;
- 但IEQ也不能一味加大:Q点升高会靠近饱和区(第 05 讲中),功耗也增大。
例题 8:例题 2 电路中,若通过减小Rb使IEQ由 1.6 mA 增大到 3.2 mA(假设仍在放大区),rbe和带载Av变为多少?
解:rbe=200+41×3.226≈533 Ω,Av=−0.53340×2≈−150。增益增大了,但此时VCEQ=12−3.2×4≈−0.8 V——实际早已饱和!所以"假设仍在放大区"不成立。这个例子提醒:提高增益要和Q点合理性一起考虑(要提高IEQ就得同时减小Rc)。
八、两种分析方法的比较 ⭐#
|
图解法(第 05 讲中) |
小信号模型法(本讲) |
| 适用 |
大信号、看失真、求动态范围、求Q点 |
小信号、低频;求Av、Ri、Ro |
| 优点 |
直观 |
计算方便,适合复杂电路 |
| 缺点 |
作图误差大,难求Ri、Ro |
不能求Q点、不能分析失真 |
实际做题:Q点用估算法,动态用小信号模型法,失真用图解法的结论。
速记卡#
| 项目 |
内容 |
| 小信号模型条件 |
低频、小信号;只算交流量,不能求Q |
| 简化模型 |
b-e:rbe;c-e:受控电流源βib(内阻 ∞);NPN、PNP 相同 |
| rbe |
rbb′+(1+β)IEQ26 mV,rbb′常取 200 Ω;适用0.1<IEQ<5 mA |
| 画等效电路 |
电容、VCC短路;Rb、Rc上端接地 |
| 阻容耦合固定偏置 |
Av=−rbeβRL′,Ri=Rb//rbe≈rbe,Ro≈Rc |
| 原理电路(Rb串联) |
Av=−Rb+rbeβRL′,Ri=Rb+rbe |
| 源电压增益 |
Avs=AvRsi+RiRi |
| 求Ro |
vs=0、去RL、加压求流;ib=0 → 受控源开路 |
| 带载能力 |
vo=AvoviRo+RLRL;Ro越小越强;共射Ro≈Rc较大 → 较弱 |
| Q点影响 |
IEQ↑ → rbe↓ → ∣Av∣↑、Ri↓ |
| 共射特点 |
增益大、反相;Ri小、Ro大 |
自测练习#
1.(概念)BJT 小信号模型是在什么条件下建立的?能否用它求静态工作点?为什么?
答案与提示
低频、小信号(工作点在Q附近线性范围内)条件下建立。不能求Q点:模型中只有交流变化量,且其参数(rbe等)本身是在Q点处求得、依赖IEQ的,必须先求出Q点。
2.(计算)β=80,rbb′=300 Ω,IEQ=1.5 mA,求rbe。
答案与提示
rbe=300+81×1.526=300+1404=1704 Ω。
3.(综合计算)阻容耦合固定偏置共射电路:VCC=12 V,Rb=280 kΩ,Rc=RL=3 kΩ,β=50,rbb′=200 Ω,VBEQ=0.7 V,信号源内阻Rsi=1 kΩ。(1) 求Q点中的IEQ;(2) 求rbe;(3) 画小信号等效电路,求Av、Ri、Ro、Avs。
答案与提示
(1) IBQ=11.3/280≈40.36 μA,IEQ=51IBQ≈2.058 mA(ICQ≈2.018 mA,VCEQ≈5.95 V,放大区)。
(2) rbe=200+51×26/2.058≈844 Ω。
(3) RL′=1.5 kΩ,Av=−50×1.5/0.844≈−88.9;Ri=280 k//0.844 k≈841.5 Ω;Ro≈3 kΩ;Avs=−88.9×1+0.84150.8415≈−40.6。
4.(带负载能力)例题 2 的电路空载增益−184.8、Ro=4 kΩ,接RL=2 kΩ时Av是多少?
答案与提示
Av=−184.8×4+22≈−61.6。(用−βRL′/rbe:RL′=4//2=1.333 kΩ,−40×1.333/0.866≈−61.6,一致。)
5.(概念)在例题 2 电路中,其他不变,只把β换成 80(假设管子仍在放大区),Av会变成原来的 2 倍吗?为什么?
答案与提示
不会正好 2 倍。IEQ≈βVCC/Rb也随β加倍,(1+β)IEQ26这一项几乎不变,rbe基本不变(约 860 Ω 左右),所以Av约为原来的 2 倍——这里近似成立。但要注意:β=80时ICQ≈3 mA,VCEQ≈0,实际已饱和(见第 05 讲上例题 7),"仍在放大区"的假设不成立,电路根本不能放大。
6.(华师真题风格)画出阻容耦合共射放大电路的小信号等效电路,写出电压增益、输入电阻、输出电阻的表达式,并说明负载电阻RL减小对电压增益的影响以及该电路的带负载能力。
答案与提示
等效电路见图 2。Av=−rbeβ(Rc//RL),Ri=Rb//rbe,Ro≈Rc,rbe=rbb′+(1+β)IEQ26 mV。RL减小 → Rc//RL减小 → ∣Av∣减小。Ro≈Rc较大(数千欧),带负载能力较弱。
7.(概念)用万用表欧姆挡测 b、e 间电阻,得到的是rbe吗?
答案与提示
不是。万用表测的是在表内电池提供的某个直流电流下的直流电阻;rbe是在静态工作点处vBE-iB曲线的动态电阻(斜率倒数),与IEQ有关,换不同挡位还会得到不同读数。
下一讲预告#
第 06 讲(上)针对固定偏置电路"Q点随温度、β漂移"的毛病,引入基极分压式射极偏置电路:它怎样用Re的直流负反馈自动稳定Q点,Q点怎么估算——这是 2026 回忆题第 2 题的主角。
👉 点击进入下一讲:第06讲(上)|静态工作点的稳定:基极分压式射极偏置电路
评论
还没有评论。 来写第一条。