基于Proteus的高性能共源放大電路的設(shè)計(jì)

朱嶸濤+羅明璋+徐愛鈞

摘 要： 在共射放大電路的實(shí)驗(yàn)中存在兩個(gè)問題：輸入電阻過大會(huì)影響靜態(tài)工作點(diǎn)，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致輸出波形失真；輸出電阻過小就會(huì)導(dǎo)致放大倍數(shù)的降低。針對這兩個(gè)問題，提出一種高性能的共源放大電路，在輸入電阻較大的同時(shí)又能滿足輸出電阻較小。在結(jié)合理論分析的基礎(chǔ)上，借助Proteus虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)環(huán)境分析了共射放大和共源放大電路的動(dòng)態(tài)特性，即放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻。測試結(jié)果表明，共源放大電路在整體性能上要遠(yuǎn)優(yōu)于共射放大電路，是一種高性能的共源放大電路。

關(guān)鍵詞： 共射放大電路； 共源放大電路； Proteus； 動(dòng)態(tài)特性分析

中圖分類號： TN710.4?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）08?0134?03

Design of high?performance common?source amplifying circuit based on Proteus

ZHU Rongtao1， LUO Mingzhang2， XU Aijun2

（1. Yangtze University College of Technology & Engineering， Jingzhou 434020， China； 2. Yangtze University， Jingzhou 434023， China）

Abstract： The experiment of the common?emitter amplifying circuit （CEAC） has two problems： the overlarge input resistance may affect on the quiescent operating point and causes the distortion of the output waveform， the small output resistance may decrease the voltage gain. In order to solve the two problems， a high?performance common?source amplifying circuit （CSAC） is proposed， which has the larger input resistance and smaller output resistance. On the basis of the theory analysis， the dynamic characteristics of the CEAC and CSAC are analyzed by means of the Proteus virtual experiment design environment， including the voltage gain， input resistance and output resistance. The test results show that the whole performance of CSAC is much better than that of CEAC， and the CSAC has high performance.

Keywords： common?emitter amplifying circuit； common?source amplifying circuit； Proteus； dynamic characteristic analysis

在傳統(tǒng)的模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，放大電路實(shí)驗(yàn)更是重中之重，而衡量放大電路性能的主要指標(biāo)有三個(gè)：放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻。對于放大電路來說，通常希望該放大電路的放大倍數(shù)越大越好、輸入電阻越大越好、輸出電阻越小越好。在放大電路的實(shí)驗(yàn)中通常以共射放大電路為主進(jìn)行分析和講解，然而共射放大電路存在兩個(gè)問題： 輸入電阻過大會(huì)影響靜態(tài)工作點(diǎn)，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致輸出波形失真；輸出電阻過小就會(huì)導(dǎo)致放大倍數(shù)的降低。針對這兩個(gè)問題，本文提出了一個(gè)高性能的共源放大電路，較好地解決了這兩個(gè)問題。

1 Proteus仿真平臺

Proteus軟件是英國LabCenter Electronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其他EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。

Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真軟件），從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。先通過Proteus仿真，再移植到相應(yīng)的硬件電路上進(jìn)行實(shí)物測試，這種開發(fā)方式減少系統(tǒng)開發(fā)周期和成本，具有一定的推廣價(jià)值[1?2]。

2 共源放大電路的設(shè)計(jì)

在放大電路的實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)要對幅值很微弱的正弦交流信號進(jìn)行放大，電壓放大倍數(shù)通常要求不小于10，單管共射放大電路和場效應(yīng)管放大電路都可以滿足實(shí)驗(yàn)要求，同時(shí)考慮到低功耗問題，放大電路均采用5 V單電源供電。經(jīng)估算，共射放大電路中各元件主要參數(shù)如圖1（a）所示，共源放大電路中各元件主要參數(shù)如圖1（b）所示，然后分別對這兩個(gè)電路的電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻進(jìn)行分析和比較。

2.1 放大電路空載輸出波形測試

為了能在仿真條件下能測出共射放大電路在不同負(fù)載下的電壓放大倍數(shù)，必須保證輸出波形沒有失真。保證輸出波形不失真的最好辦法就是保證放大電路空載時(shí)輸出波形不會(huì)失真，因?yàn)榭蛰d時(shí)放大電路的放大倍數(shù)是最大的。

共射放大電路的電壓放大倍數(shù)理論計(jì)算公式如下（放大倍數(shù)β=200）[3]：

式中：rbe交流（動(dòng)態(tài)）電阻只能用于求交流性能指標(biāo)；為共射放大電路的放大倍數(shù)；“-”表示輸出信號與輸入信號反相，即相位相差180°。

共源放大電路的電壓放大倍數(shù)理論計(jì)算公式如下：

式中：為低頻互導(dǎo)，反映柵源電壓對漏極電流的控制能力；為共源放大電路的放大倍數(shù)；“-”表示輸出信號與輸入信號反相，即相位相差180°。

在Proteus虛擬仿真環(huán)境中，繪制出如圖1所示實(shí)驗(yàn)電路原理圖，接著將把輸入信號和輸出信號分別與虛擬示波器相連接，將開關(guān)斷開，然后運(yùn)行Proteus軟件，就可看到空載時(shí)輸入和輸出波形圖，如圖2所示[4]。在圖2中，輸入信號的頻率為1 kHz，幅值為100 mV，信號源內(nèi)阻為10 Ω。

圖2（a）為共射放大電路空載輸出波形圖，在圖中看到輸出波形沒有失真，但是出現(xiàn)了一個(gè)問題，那就是輸出波形與輸入波形的相位不對稱，即輸入信號與零軸的交點(diǎn)和輸出信號與零軸的交點(diǎn)沒有重合；圖2（b）為共源放大電路空載輸出波形圖，在圖中看到輸出波形沒有失真，并且輸出波形與輸入波形的相位是對稱的。

由圖2可得，與共射放大電路相比，共源放大電路除了能保證輸出波形不是失真外，還能有效保證輸出波形與輸入波形的相位對稱。

2.2 輸出電壓和放大倍數(shù)測試

在圖1所示的電路中，分別在輸入信號和輸出信號的兩端各放一個(gè)虛擬交流電壓表，然后調(diào)整負(fù)載電阻的阻值，閉合開關(guān)，運(yùn)行Proteus軟件后，記錄下輸入和輸出電壓的有效值，根據(jù)仿真測量電壓結(jié)果計(jì)算出電壓放大倍數(shù)，將測量的結(jié)果和計(jì)算出的電壓放大倍數(shù)分別匯總于表1和表2中。

表1 共射放大電路輸出電壓和放大倍數(shù)（RS=10 Ω）

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)可以看出，共射放大電路有以下4個(gè)特點(diǎn)：

（1） 當(dāng)RL=10 Ω時(shí)，放大倍數(shù)Au=0.72<1，對輸入信號幅值不僅沒有放大，反而減小了；

（2） 當(dāng)10 Ω

（3） RL>300 Ω時(shí)，放大倍數(shù)10

（4） 放大倍數(shù)和輸出電壓都隨著RL的增大而增大。

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)可以看出，共源放大電路有以下3個(gè)特點(diǎn)：

（1）當(dāng)RL≥10 Ω時(shí)，放大倍數(shù)Au>10，就可以滿足實(shí)驗(yàn)要求；

（2）當(dāng)10 Ω

（3） RL>300 Ω時(shí)，放大倍數(shù)20

表2 共源放大電路輸出電壓和放大倍數(shù)（RS=10 Ω）

為了更好地看到共射放大電路和共源放大電路在輸出電壓和放大倍數(shù)的區(qū)別，分別從表1和表2中提取電阻RL的阻值、輸出電壓數(shù)據(jù)和放大倍數(shù)，繪制出輸出電壓對比圖和放大倍數(shù)對比圖，如圖3所示。

在圖3（a）中，共源放大電路和共射放大電路的輸出電壓都隨著RL的增大而增大，且共源放大電路的輸出電壓一直高于共射放大電路的輸出電壓；在圖3（b）中，共源放大電路的電壓放大倍數(shù)一直大于共射放大電路的電壓放大倍數(shù)，且在RL≤300 Ω時(shí)，共源放大電路的電壓放大倍數(shù)幾乎是共源放大電路的2倍。所以不管是從輸出電壓的大小來看，還是從電壓放大倍數(shù)來看，共源放大電路的性能要遠(yuǎn)優(yōu)于共射放大電路。

2.3 輸入電阻測試

在Proteus仿真環(huán)境下，繪制出如圖4所示的輸出電阻測試原理圖，在輸出信號的兩端分別放置交流電壓表和交流電流表，然后根據(jù)，就可計(jì)算出輸入電阻。共射放大電路輸入電阻的理論計(jì)算公式為[5]：

共源放大電路輸入電阻的理論計(jì)算公式為[6]：

將放大電路輸入電阻的仿真測量值和理論計(jì)算值匯總于表3中。

表3 輸入電阻測試

由表3中的數(shù)據(jù)可以看出，兩種放大電路的輸入電阻的理論值和測量值相符，且共源放大電路的輸入電阻幾乎是共射放大電路輸入電阻的3倍。

2.4 輸出電阻測試

在Proteus仿真環(huán)境下，繪制出如圖5所示的輸電阻測試原理圖，在輸出信號的兩端分別放置交流電壓表和交流電流表，然后根據(jù)，就可計(jì)算出輸入電阻。共射放大電路輸入電阻理論計(jì)算公式為 [7]：Ro=Rc。共源放大電路輸入電阻的理論計(jì)算公式為[6]： Ro=Rd。

將放大電路輸出電阻的仿真測量值和理論計(jì)算值匯總于表4中。

表4 輸出電阻測試

由表4中的數(shù)據(jù)可以看出，兩種放大電路的輸出電阻的理論值和測量值相符，且共源放大電路的輸出電阻幾乎是共射放大電路輸出電阻的。

3 結(jié) 論

采用Proteus虛擬仿真軟件分別對共射放大電路和共源放大電路進(jìn)行了分析和比較。從分析的結(jié)果來看，共源放大電路在性能上要優(yōu)于共射放大電路，主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面：在保證放大倍數(shù)的情況下，共源放大電路輸出波形的相位是對稱的，而共射放大電路輸出波形的相位是不對稱的；當(dāng)10 Ω10，而共射放大電路則做不到；RL>300 Ω時(shí)，共源放大電路的電壓放大倍數(shù)基本上保持不變，可以做到恒壓輸出，共射放大電路的放大倍數(shù)Au>10，但做不到恒壓輸出；共源放大電路的輸入電阻比共射放大電路輸入電阻大，且輸出電阻比共射放大電路的小。

注：本文通訊作者為羅明璋。

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