基于Proteus的高性能共源放大電路的設計
2017-05-09 23:19:48朱嶸濤羅明璋徐愛鈞
現代電子技術 2017年8期
朱嶸濤+羅明璋+徐愛鈞
摘 要： 在共射放大電路的實驗中存在兩個問題：輸入電阻過大會影響靜態工作點，進而會導致輸出波形失真；輸出電阻過小就會導致放大倍數的降低。針對這兩個問題，提出一種高性能的共源放大電路，在輸入電阻較大的同時又能滿足輸出電阻較小。在結合理論分析的基礎上，借助Proteus虛擬實驗設計環境分析了共射放大和共源放大電路的動態特性，即放大倍數、輸入電阻和輸出電阻。測試結果表明，共源放大電路在整體性能上要遠優于共射放大電路，是一種高性能的共源放大電路。
關鍵詞： 共射放大電路； 共源放大電路； Proteus； 動態特性分析
中圖分類號： TN710.4?34 文獻標識碼： 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
在傳統的模擬實驗教學中，放大電路實驗更是重中之重，而衡量放大電路性能的主要指標有三個：放大倍數、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。在放大電路的實驗中通常以共射放大電路為主進行分析和講解，然而共射放大電路存在兩個問題： 輸入電阻過大會影響靜態工作點，進而會導致輸出波形失真；輸出電阻過小就會導致放大倍數的降低。針對這兩個問題，本文提出了一個高性能的共源放大電路，較好地解決了這兩個問題。
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、代碼調試到單片機與外圍電路協同仿真，一鍵切換到PCB設計，真正實現從概念到產品的完整設計。先通過Proteus仿真，再移植到相應的硬件電路上進行實物測試，這種開發方式減少系統開發周期和成本，具有一定的推廣價值[1?2]。
2 共源放大電路的設計
在放大電路的實驗中，經要對幅值很微弱的正弦交流信號進行放大，電壓放大倍數通常要求不小于10，單管共射放大電路和場效應管放大電路都可以滿足實驗要求，同時考慮到低功耗問題，放大電路均采用5 V單電源供電。經估算，共射放大電路中各元件主要參數如圖1（a）所示，共源放大電路中各元件主要參數如圖1（b）所示，然后分別對這兩個電路的電壓放大倍數、輸入電阻和輸出電阻進行分析和比較。
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載下的電壓放大倍數，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輸出波形不會失真，因為空載時放大電路的放大倍數是最大的。
共射放大電路的電壓放大倍數理論計算公式如下（放大倍數β=200）[3]：
式中：rbe交流（動態）電阻只能用于求交流性能指標；為共射放大電路的放大倍數；“-”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理論計算公式如下：
式中：為低頻互導，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；“-”表示輸出信號與輸入信號反相，即相位相差180°。
在Proteus虛擬仿真環境中，繪制出如圖1所示實驗電路原理圖，接著將把輸入信號和輸出信號分別與虛擬示波器相連接，將開關斷開，然后運行Proteus軟件，就可看到空載時輸入和輸出波形圖，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，但是出現了一個問題，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和輸出信號與零軸的交點沒有重合；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虛擬交流電壓表，然后調整負載電阻的阻值，閉合開關，運行Proteus軟件后，記錄下輸入和輸出電壓的有效值，根據仿真測量電壓結果計算出電壓放大倍數，將測量的結果和計算出的電壓放大倍數分別匯總于表1和表2中。
表1 共射放大電路輸出電壓和放大倍數（RS=10 Ω）
根據表1中的數據可以看出，共射放大電路有以下4個特點：
（1） 當RL=10 Ω時，放大倍數Au=0.72<1，對輸入信號幅值不僅沒有放大，反而減小了；
（2） 當10 Ω （3） RL>300 Ω時，放大倍數10 （4） 放大倍數和輸出電壓都隨著RL的增大而增大。 根據表2中的數據可以看出，共源放大電路有以下3個特點： （1）當RL≥10 Ω時，放大倍數Au>10，就可以滿足實驗要求； （2）當10 Ω （3） RL>300 Ω時，放大倍數20 表2 共源放大電路輸出電壓和放大倍數（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的區別，分別從表1和表2中提取電阻RL的阻值、輸出電壓數據和放大倍數，繪制出輸出電壓對比圖和放大倍數對比圖，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一直大于共射放大電路的電壓放大倍數，且在RL≤300 Ω時，共源放大電路的電壓放大倍數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來看，共源放大電路的性能要遠優于共射放大電路。 2.3 輸入電阻測試 在Proteus仿真環境下，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，就可計算出輸入電阻。共射放大電路輸入電阻的理論計算公式為[5]： 共源放大電路輸入電阻的理論計算公式為[6]： 將放大電路輸入電阻的仿真測量值和理論計算值匯總于表3中。 表3 輸入電阻測試 由表3中的數據可以看出，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，就可計算出輸入電阻。共射放大電路輸入電阻理論計算公式為 [7]：Ro=Rc。共源放大電路輸入電阻的理論計算公式為[6]： Ro=Rd。 將放大電路輸出電阻的仿真測量值和理論計算值匯總于表4中。 表4 輸出電阻測試 由表4中的數據可以看出，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 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行了分析和比較。從分析的結果來看，共源放大電路在性能上要優于共射放大電路，主要體現在以下4個方面：在保證放大倍數的情況下，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10 Ω 注：本文通訊作者為羅明璋。 參考文獻 [1] 宋杰.基于Proteus的X86中斷仿真異常問題探究和對策[J].實驗室研究與探索，2015，34（8）：81?84. [2] 吳建平，吳姝瑤，劉超.Proteus 軟件在虛擬示波器設計中的應用[J].中國測試，2013，39（3）：79?83. [3] 康華光，陳大欽.電子技術基礎模擬部分[M].6版.北京：高等教育出版社，2013：181?185. [4] 楊蓮紅，楊奇，孫萬麟.基于Multisim 10的單管共射放大電路靜態分析[J].現代電子技術，2014，37（5）：128?129. [5] 元增民.模擬電子技術簡明教程[M].北京：清華大學出版社，2014：73?78. [6] 杜樹春.基于Proteus的模擬電路分析與仿真[M].北京：電子工業出版社，2013：117?118. [7] 楊欣.實例解讀模擬電子技術[M].北京：電子工業出版社，2013：193?199. [8] 王闖.Proteus仿真在物聯網專業硬件課程中的應用[J].物聯網技術，2014，4（10）：80?82.
