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计 算 机 电 路 基 础. 第三章 基本放大电路. 上海第二工业大学计算机与信息学院. 第 3 章 基本放大电路. 3.1 三极管放大电路基础. 3.2 工作点稳定的放大电路. 3.3 射极输出器. 3.4 场效应管放大电路. 3.5 多级放大电路. 3.6 差动放大电路. 3.7 功率放大电路. 3.8 负反馈放大电路. 3.1 三极管放大电路基础. 3.1.1 放大电路的基本概念和指标. 3.1.2 共发射极放大电路的组成. 3.1.3 共发射极放大电路的分析方法. 退出. 3.1.1 放大电路的基本概念和指标.

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Presentation Transcript
slide1

计 算 机 电 路 基 础

第三章 基本放大电路

  • 上海第二工业大学计算机与信息学院
slide2

第3章 基本放大电路

3.1三极管放大电路基础

3.2工作点稳定的放大电路

3.3射极输出器

3.4场效应管放大电路

3.5多级放大电路

3.6差动放大电路

3.7功率放大电路

3.8负反馈放大电路

slide3

3.1 三极管放大电路基础

3.1.1 放大电路的基本概念和指标

3.1.2 共发射极放大电路的组成

3.1.3 共发射极放大电路的分析方法

退出

slide4

3.1.1 放大电路的基本概念和指标

1 放大电路的基本概念

放大电路的功能是将微弱的电信号(电压、电流或功率)放大到所需要的数值,从而使电子设备的终端执行元件有所动作或显示。

放大部分一般由多级构成,前面一般为前置电压放大电路,用于放大信号电压。最后是功率放大电路,用于得到较大的信号功率去驱动负载。

经常采用正弦信号发生器作为信号源来分析和调试放大电路。因此在本章中,用正弦电压作为信号源,用纯电阻作为负载来讨论放大电路的性能。

slide5

2 放大电路的性能指标

一、电压放大倍数Au

Ui 和Uo 分别是输入和输出电压的有效值。

二、输入电阻ri

三、输出电阻ro

四、通频带BW

slide6

表示符号规定

UA

大写斜体字母、大写下标,表示直流量。

uA

小写斜体字母、大写下标,表示总瞬时值。

ua

小写斜体字母、小写下标,表示交流瞬时值。

uA

ua

交流分量

总瞬时值

UA直流分量

t

slide7

3.1.2 共发射极放大电路的组成

共射放大器

以共射放大器为例讲解工作原理

三极管放大电路有三种形式

共基放大器

共集放大器

slide8

3.1.2 共发射极放大电路的组成

放大元件iC= iB,工作在放大区,要保证集电结反偏,发射结正偏。

slide9

集电极电源,为电路提供能量。并保证集电结反偏。集电极电源,为电路提供能量。并保证集电结反偏。

slide10

集电极电阻,将变化的电流转变为变化的电压。集电极电阻,将变化的电流转变为变化的电压。

slide11

隔离输入输出与电路直流的联系,同时能使信号顺利输入输出。隔离输入输出与电路直流的联系,同时能使信号顺利输入输出。

耦合电容

slide12

直流通道和交流通道

放大电路中各点的电压或电流都是在静态直流上附加了小的交流信号。

但是,电容对交、直流的作用不同。如果电容容量足够大,可以认为它对交流不起作用,即对交流短路。而对直流可以看成开路,这样,交直流所走的通道是不同的。

交流通道:只考虑交流信号的分电路。

直流通道:只考虑直流信号的分电路。

信号的不同分量可以分别在不同的电路中分析。

slide13

3.1.3 共发射极放大电路的分析方法

一、静态分析

(IBQ,UBEQ)

由于电源的存在IB0

IC0

(IBQ,UBEQ)

slide14

1.

2. 在室温下,三极管充分导通后,可近似认为:UBE=0.7V(硅管)或UBE=0.3V(锗管)

3.

4.

slide15

例:用估算法计算静态工作点。

已知:EC=12V,RC=4k,RB=300k,=37.5。

解:

请注意电路中IBQ 和ICQ 的数量级。

slide16

+VCC

置零

交流通路

RC

RB

C2

C1

uo

T

RL

短路

短路

RC

ui

RB

2 动态分析

slide17

iB

iB

uBE

三极管的微变等效电路

(1) 输入回路

当信号很小时,将输入特性在小范围内近似线性。

对输入的小交流信号而言,三极管相当于电阻rbe。

uBE

rbe的量级从几百欧到几千欧。

slide18

近似平行

iC

uCE

iC

uCE

(2) 输出回路

即:输出端相当于一个受ib 控制的电流源。

rce的含义:

slide19

ic

ib

c

b

ib

ib

uce

rbe

ube

e

c

b

e

输出回路忽略了rce的作用。

slide20

放大倍数

输入阻抗和输出阻抗

Ri=Rb∥rbe≈rbe(Rb>> rbe)

RO=RC

slide21

放大电路的工作条件

1. 晶体管必须偏置在放大区。发射结正偏,集电结反偏。

2. 正确设置静态工作点,使整个波形处于放大区。

3. 输入回路将变化的电压转化成变化的基极电流。

4. 输出回路将变化的集电极电流转化成变化的集电极电压,经电容滤波只输出交流信号。

slide22

3.2 工作点稳定的放大电路

3.2.1 温度对放大电路的影响

3.2.2 工作点稳定的放大电路

退出

slide23

UBE

T

IB

IC

3.2.1 温度对放大电路的影响

三极管是一种对温度敏感的电子元件,它的所有参数几乎都与温度有关:

例如:

1、温度对UBE的影响:

slide24

IC

、 ICEO

T

iC

温度上升时,输出特性曲线上移,造成Q点上移。

Q

uCE

2、温度对 值及ICEO的影响

总的效果是:

方法2:在直流偏置电路中引入负反馈来稳定静态工作点。

slide26

在I1>>IB的条件下Ib可忽略,相当于三极管的基极与B点断开,Rb1和Rb2组成串联分压电路,得到B点的电位为:在I1>>IB的条件下Ib可忽略,相当于三极管的基极与B点断开,Rb1和Rb2组成串联分压电路,得到B点的电位为:

I1

I2

+VCC

IB

RC

Rb1

C1

T

Rb2

Re

直流通路

一、静态分析

slide27

I1

I2

+VCC

IB

RC

Rb1

C1

T

Rb2

Re

UBE

IC

UE

T

IC

IB

似乎I2越大越好,但是Rb1、Rb2太小,将增加损耗,降低输入电阻。因此一般取几十k。

本电路稳压的过程实际是由于加了Re形成了负反馈过程

slide28

2、动态分析

放大倍数、输入电阻、输出电阻计算方法

Ri=Rb1∥Rb2∥rbe

RO=RC

slide29

放大倍数、输入电阻、输出电阻计算方法

Ri=Rb1∥Rb2∥[rbe+(1+β)Re1]

Ro=Rc

slide30

3.3 射极输出器

3.3.1 射极输出器的组成

3.3.2 射极输出器的分析

退出

slide31

3.3.1 射极输出器的组成

射极输出器是一种常用的基本放大电路:交流信号从基极输入,从发射极输出,故称为射极输出器。对交流信号来说,集电极为输入回路和输出回路的公共端,故又称为共集电极放大电路。

slide32

3.3.2 射极输出器的分析

1.静态分析

由射极输出器的直流通路,根据KVL可得:

VCC=RbIB+UBE+ReIE

取UBEQ=0.7V,IEQ=(1+β)IBQ

带入上面的方程可得:

ICQ=βIBQ

UCEQ=VCC-IEQRe

slide33

3.3.2 射极输出器的分析

2.动态分析

根据原放大电路可以画出相应的微变等效电路,如图3.3.2(a)所示。

(1)电压放大倍数

slide34

3.3.2 射极输出器的分析

(2)输入电阻

由微变等效电路可得到:而

=Rb∥

slide35

3.3.2 射极输出器的分析

(3)输出电阻

总之:射极输出器电压放大倍数接近于1,输出电压与输入电压同相,输入电阻高,输出电阻低。

在多级放大电路中,用射极输出器作为输入级,可使放大电路具有较高的输入电阻,用射极输出器作为输出级,可使放大电路具有较高的带负载能力,利用输入电阻高和输出电阻低的特点,在电路中可起阻抗变换的作用。

slide36

3.4 场效应管放大电路

3.4.1场效应管的微变等效电路

3.4.2场效应管共源极放大电路

退出

slide37

半导体三极管的输入电阻不够高,对信号源的影响较大。为了提高放大电路的输入电阻,可用场效应管代替三极管。半导体三极管的输入电阻不够高,对信号源的影响较大。为了提高放大电路的输入电阻,可用场效应管代替三极管。

场效应管具有电压控制下的放大作用,利用它也可以构成放大电路。在前面的章节已经介绍过场效应管的外部特性,它与三极管非常类似,因而场效应管放大电路的工作原理和分析方法与三极管的分析方法类似。

slide38

3.4.1 场效应管的微变等效电路

当场效应管放大电路在小信号情况下工作时,和三极管一样,也可用一个微变等效电路来代替。

slide40
一、静态分析

静态分析就是计算电路的静态工作点Q,由于场效应管是电压控制器件,所以静态工作点为UGSQ、IDQ和UDSQ。场效应管栅-源之间的电阻很大,可当开路处理。估算电路静态工作点的公式为:

slide41
一、动态分析

根据微变等效电路来计算电压放大倍数,输入电阻和输出电阻。

由图3.4.3可得:

(1)电压放大倍数

因为:

所以:

slide42

(2)输入电阻

由于静态时,Rg3中无电流流过,它对静态工作点无影响,它的阻值可以取很大,因此场效应管放大电的输入电阻可达到很高的数值。

(3)输出电阻

Ro=Rd

slide43

3.5 多级放大电路

3.5.1 阻容耦合

3.5.2 直接耦合

3.5.3 放大电路的频率特性

退出

slide44

在实际应用中,小信号放大电路的输入信号一般都是微弱信号。为了满足实际需要,输入信号必须经过多级放大。多级放大电路中,每两个基本放大电路之间的连接,称为级间耦合。在实际应用中,小信号放大电路的输入信号一般都是微弱信号。为了满足实际需要,输入信号必须经过多级放大。多级放大电路中,每两个基本放大电路之间的连接,称为级间耦合。

耦合方式通常有:阻容耦合、直接耦合和变压器耦合三种。

耦合方式:即信号的传送方式。

多级放大电路对耦合电路要求:1. 静态:保证各级Q点设置; 2. 动态: 不失真地传送信号。

slide45

3.5.1 阻容耦合

后级

前级

slide46

阻容耦合方式的特点是:

由于电容的隔直作用,各级放大器的静态工作点相互独立,分别估算。这样就避免了由于工作点不稳定而引起的温漂信号的逐级放大和传送。

阻容耦合使得放大电路的设计和计算较为简单,但这种方式对于直流信号或变化缓慢的信号的传送是不适合的。

大容量电容在集成电路中难于制造,因而在集成电路中这种耦合方式无法采用。

阻容耦合方式的特点是:由于电容具有隔直作用,因此每一级的静态工作点彼此独立,互不影响。这样就避免了由于工作点不稳定而引起的温漂信号的逐级放大和传送,在这方面,阻容耦合方式优于直接耦合方式。除此之外,阻容耦合使得放大电路的设计和计算较为简单,但这种方式对于直流信号或变化缓慢的信号的传送是不适合的。另外,大容量电容在集成电路中难于制造,因而在集成电路中这种耦合方式无法采用,因此,仅在分立元件多级放大电路中应用较为广泛。

阻容耦合方式的特点是:由于电容具有隔直作用,因此每一级的静态工作点彼此独立,互不影响。这样就避免了由于工作点不稳定而引起的温漂信号的逐级放大和传送,在这方面,阻容耦合方式优于直接耦合方式。除此之外,阻容耦合使得放大电路的设计和计算较为简单,但这种方式对于直流信号或变化缓慢的信号的传送是不适合的。另外,大容量电容在集成电路中难于制造,因而在集成电路中这种耦合方式无法采用,因此,仅在分立元件多级放大电路中应用较为广泛。

slide47

3.5.2 直接耦合

后级

前级

slide48

直接耦合方式的特点是:

直接耦合方式多用于传送直流信号和变化缓慢的信号。现代集成放大电路的内部电路都是采用直接耦合方式。

直接耦合的优点是:低频特性良好易于集成。

直接耦合的缺点是:各级静态工作点相互影响,彼此之间不是独立的,设计比较困难;多级直接耦合放大电路的零点漂移问题必须解决,否则无法使用。

阻容耦合方式的特点是:由于电容具有隔直作用,因此每一级的静态工作点彼此独立,互不影响。这样就避免了由于工作点不稳定而引起的温漂信号的逐级放大和传送,在这方面,阻容耦合方式优于直接耦合方式。除此之外,阻容耦合使得放大电路的设计和计算较为简单,但这种方式对于直流信号或变化缓慢的信号的传送是不适合的。另外,大容量电容在集成电路中难于制造,因而在集成电路中这种耦合方式无法采用,因此,仅在分立元件多级放大电路中应用较为广泛。

阻容耦合方式的特点是:由于电容具有隔直作用,因此每一级的静态工作点彼此独立,互不影响。这样就避免了由于工作点不稳定而引起的温漂信号的逐级放大和传送,在这方面,阻容耦合方式优于直接耦合方式。除此之外,阻容耦合使得放大电路的设计和计算较为简单,但这种方式对于直流信号或变化缓慢的信号的传送是不适合的。另外,大容量电容在集成电路中难于制造,因而在集成电路中这种耦合方式无法采用,因此,仅在分立元件多级放大电路中应用较为广泛。

3 5 3
3.5.3 放大电路的频率特性放大电路的幅频和相频特性
slide50

3.6 差分放大电路

3.6.1基本差分放大电路

3.6.2 具有射极公共电阻的差分放大电路

3.6.3 恒流源式差分放大电路

退出

slide51
3.6 差动放大电路

直接耦合方式的放大电路存在温漂问题,在多级放大电路中,第一级的温漂影响尤其严重。差动放大电路能够有效地抑制零点漂移,广泛用于多级直接耦合放大电路的前置级。

3.6.1基本差分放大电路

一、电路结构

基本差动式放大电路由两个相同的共射单管放大电路组成。电路中T1和T2特性完全一致,两个电路中的电阻阻值及温度特性也对应相同,即电路完全对称。

slide52

输入信号的2种方式 :共模输入和差模输入 。

输出信号的2种方式:单端输出和双端输出,即信号可以从两个晶体管集电极之间取出,也可以从一个三极管的集电极取出。

特点:可以抑制零点漂移。

3 6 2
3.6.2 具有射极公共电阻的差动放大电路
  • 射极公共电阻Re 使每边共模放大倍数显著下降,即Re对共模信号有很强的抑制作用,Re越大,则抑制共模信号的作用就越强。
slide54

Re会不会降低电路对差模信号的放大倍数呢?在差模信号作用下,两管得到大小相等、极性相反的信号,于是一个管子电流增大,另一个管子电流减小,因而两管电流之和不变,即Re上的总电压不变,对差模信号而言Re如同短路,自然不会影响差模放大倍数。Re会不会降低电路对差模信号的放大倍数呢?在差模信号作用下,两管得到大小相等、极性相反的信号,于是一个管子电流增大,另一个管子电流减小,因而两管电流之和不变,即Re上的总电压不变,对差模信号而言Re如同短路,自然不会影响差模放大倍数。

利用电路的对称性,以双端输出的方式使两边的漂移在输出端互相抵消,另一方面还利用Re对共模信号的抑制作用,来抑制每管本身的漂移。因此,它的温漂比起基本差放电路要小得多,而且由于每边的漂移小了,信号还可以单端输出。

3 6 3
3.6.3 恒流源式差动放大电路

射极公共电阻Re越大,抑制共模信号的能力就越强。但是Re的增大是有限的,一是当电源VEE选定后,Re太大会使IC下降太多,影响放大倍数;二是在集成电路中不易制作大阻值的电阻。

恒流源具有交流等效电阻很大,直流电压降不太大的性能,由此可用恒流源代替Re。

当三极管工作在放大区时,在很大范围内iC基本上取决于iB的值而与uCE的大小无关,这就相当于一个内阻非常大的电流源。

slide57

3.7 功率放大电路

3.7.1 功率放大电路概述

3.7.2功率放大电路的特殊问题

3.7.3 典型功率放大电路的分析

退出

slide58

执行机构

信号提取

电压放大

功率放大

3.7.1 功率放大电路概述

能够向负载提供足够输出功率的电路称为功率放大电路。

功率放大器的作用: 用作放大电路的输出级,以驱动执行机构。如使扬声器发声、电动机转动 、 仪表指针偏转等。

例1: 扩音系统

slide59

3.7.2 功率放大电路的特殊问题

1.尽可能大的输出功率

功放管往往工作在接近极限状态下,要根据极限参数的要求选择功放管。

2.尽量提高功率转换的效率

3.非线性失真要小

4.改善热稳定性

slide60

如何解决效率低的问题?

办法:降低Q点。

放大电路的三种工作状态

(a)甲类:不失真的工作状态

(b)甲乙类和(c)乙类:减小了静态功耗,但都出现了严重的波形失真

为了利用其效率高的优点,克服其削波失真的缺点,通常采用乙类互补对称放大电路。

既降低Q点又不会引起截止失真的办法:采用推挽输出电路,或互补对称射极输出器。

OTL: Output TransformerLess

OCL: Output CapacitorLess

slide61

3.7.3 典型功率放大电路的分析

1.双电源互补对称电路

组成特点: 由NPN型、PNP型三极管构成两个对称的射极输出器对接而成; 2. 双电源供电;3. 输入输出端不加隔直电容。

slide62

+VCC

T1

ic1

ui

iL

uo

RL

ic2

T2

-VCC

静态分析:

ui = 0V  T1、T2均不工作

 uo = 0V

因此,不需要隔直电容。

动态分析:

T1导通,T2截止

ui > 0V

iL= ic1;

ui 0V

T1截止,T2导通

iL=ic2

T1、T2两个晶体管都只在半个周期内工作的方式,称为乙类放大。

slide63

ui

+VCC

t

T1

u´o´

t

u"o

ui

iL

uo

RL

t

T2

uo

-VCC

t

交越失真

乙类放大的输入输出波形关系:

死区电压

交越失真:输入信号 ui在过零前后,输出信号出现的失真便为交越失真。

slide64

+USC

T1

ui

iL

uo

RL

T2

-USC

乙类放大的特点:

(1) 静态电流ICQ、IBQ等于零;

(2) 每管导通时间等于半个周期 ;

(3) 存在交越失真。

slide65

+VCC

T1

ULmax

ui

iL

UL

RL

T2

-VCC

最大输出功率及效率的计算

假设 ui 为正弦波且幅度足够大,T1、T2导通时均能饱和,此时输出达到最大值。

Ucem为最大的输出电压幅度Ucem≈VCC,RL上的交流输出功率Po可以根据功率表达式P=U2/R(U是交流有效值)求出,即:

最大输出功率为:

slide66

效率为:

在理想情况下,最大效率为

=78.5%

slide67

2.单电源互补对称电路

特点: 1. 单电源供电;2. 输出加有大电容; 3.V1和V2是为了克服交越失真而接入的正向偏置电源。

slide68

电路的工作原理是:

当正半周信号输入时,功放管T1导通,T2截止,T1通过C输出正半周放大信号的同时,电源也对大容量电容C充电。充电电流如图3.7.3中的ic1所示。

当负半周信号输入时,功放管T1截止,T2导通,电容C通过T2放电的同时,输出负半周放大信号。放电电流如图3.7.3中的ic2所示。

slide69

3.8 负反馈放大电路

3.8.1 负反馈放大的一般概念

3.8.2 负反馈放大电路的分析方法

3.8.3 负反馈对放大电路的影响

退出

slide70

3.8.1 负反馈放大的一般概念

根据反馈的极性分:有正反馈和负反馈两类。

凡是将放大电路输出端的信号(电压或电流)的一部分或全部引回到输入端,与输入信号迭加,就称为反馈。

若引回的信号削弱了输入信号,就称为负反馈。若引回的信号增强了输入信号,就称为正反馈。

这里所说的信号一般是指交流信号,所以判断正负反馈,就要判断反馈信号与输入信号的相位关系,同相是正反馈,反相是负反馈。

slide71

反馈方框图:

A:基本放大电路

:信号叠加

为比较环节

F:反馈网络

下面主要讨论负反馈放大的情况。

slide72

净输入信号:

开环放大倍数:

反馈系数:

闭环电压放大倍数:

slide73

负反馈放大器的闭环放大倍数

当A很大时,AF>>1:

结论:当 A 很大时,负反馈放大器的闭环放大倍数与晶体管无关,只与反馈网络有关。即负反馈可以稳定放大倍数。

slide74

负反馈的分类小结

电压串联负反馈

电压并联负反馈

交流反馈

电流串联负反馈

负反馈

电流并联负反馈

直流反馈

稳定静态工作点

slide75

+VCC

Rb21

Rb1

Rc2

Rc1

C3

uc1

uc2

+

ub2

C1

+

C2

T2

T1

uf

ube

uo

ui

Rb22

Re2

Ce

Re1

Rf

判断反馈的方法——瞬时极性法

假设输入信号有一定极性的瞬时变化,依次经过放大、反馈、比较后,使净输入信号减小的,称之为负反馈,反之为正反馈。

uf增加,使净输入ube减小,所以负反馈。

slide76

3.8.2 负反馈放大电路的分析方法

负反馈共4种组合:电压串联、电压并联、电流串联和电流并联。

1、从输出端看有电压反馈和电流反馈

根据反馈在输出端采样信号的不同,可以分为电压反馈和电流反馈。

电压反馈:反馈信号取自输出电压。

电流反馈:反馈信号取自输出电流。

电压负反馈:可以稳定输出电压、减小输出电阻。

电流负反馈:可以稳定输出电流、增大输出电阻。

slide77

2、从输入端看有串联反馈和并联反馈

根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式的不同,可以分为串联反馈和并联反馈。

串联反馈:即反馈电压信号与输入电压信号相加减。

并联反馈:即反馈电流信号与输入电流信号相加减。

串联反馈使电路的输入电阻增大;

并联反馈使电路的输入电阻减小。

slide78

三、交流反馈与直流反馈

交流反馈:反馈只对交流信号起作用。

直流反馈:反馈只对直流起作用。

有的反馈只对交流信号起作用;有的反馈只对直流信号起作用;有的反馈对交、直流信号均起作用。

若在反馈网络中串接隔直电容,则可以隔断直流,此时反馈只对交流起作用。

在起反馈作用的电阻两端并联旁路电容,可以使其只对直流起作用。

slide79

只要满足深负反馈的条件(1+AF)≧10,都可以利用下面的特点进行分析估算。只要满足深负反馈的条件(1+AF)≧10,都可以利用下面的特点进行分析估算。

但对于不同的反馈组态, 和 各代表不同的电量:

对于串联负反馈,反馈信号与输入信号以电压的形式求和。

对于并联负反馈,反馈信号与输入信号以电流的形式求和。

slide80

例1:电压串联负反馈放大电路

此电路是电压串联负反馈,对直流也起作用。

slide81

该电路的反馈网络由Re组成。

广义放大倍数为:

闭环源电压放大倍数为:

当输入信号是ui时,求出的是电压放大倍数,而当输入信号是uS时,所求出的一般就是电路的源电压放大倍数。

slide82

电压反馈

并联反馈

例2:电压并联负反馈放大电路

此电路是电压并联负反馈,对直流也起作用。

slide83

该电路的反馈网络由Rf组成。

广义放大倍数为:

因为:IfIi

所以闭环源电压放大倍数为:

slide84

电流反馈

例3:电流串联负反馈放大电路

此电路是电流串联负反馈,对直流也起作用。

slide85

该电路的反馈网络由Re组成。

广义放大倍数为:

因为:ufui

所以闭环源电压放大倍数为:

slide86

例4:电流并联负反馈放大电路

此电路是电流并联负反馈,对直流也起作用。

slide87

该电路的反馈网络由Re2和Rf组成。

广义放大倍数为:

因为:

所以闭环源电压放大倍数为:

slide88

3.8.3 负反馈对放大电路的影响

放大电路引入负反馈,虽然使放大倍数下降,但能从多方面改善放大电路的性能:

稳定静态工作点;

稳定放大倍数;

提高输入电阻;

降低输出电阻;

扩展通频带等。

slide89

负反馈对放大电路的主要影响

1.稳定放大倍数

2.对输入电阻的影响

串联负反馈可以提高输入电阻;

并联负反馈可以降低输入电阻。

3.对输出电阻的影响

电压负反馈可使输出电阻降低;

电流负反馈可使输出电阻提高。

电阻减小和提高的倍数都是(1+AF)。