基于Proteus的高性能共源放大电路的设计
朱嵘涛+罗明璋+徐爱钧
摘 要： 在共射放大电路的实验中存在两个问题：输入电阻过大会影响静态工作点，进而会导致输出波形失真；输出电阻过小就会导致放大倍数的降低。针对这两个问题，提出一种高性能的共源放大电路，在输入电阻较大的同时又能满足输出电阻较小。在结合理论分析的基础上，借助Proteus虚拟实验设计环境分析了共射放大和共源放大电路的动态特性，即放大倍数、输入电阻和输出电阻。测试结果表明，共源放大电路在整体性能上要远优于共射放大电路，是一种高性能的共源放大电路。
关键词： 共射放大电路； 共源放大电路； Proteus； 动态特性分析
中图分类号： TN710.4?34 文献标识码： A 文章编号： 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
在传统的模拟实验教学中，放大电路实验更是重中之重，而衡量放大电路性能的主要指标有三个：放大倍数、输入电阻和输出电阻。对于放大电路来说，通常希望该放大电路的放大倍数越大越好、输入电阻越大越好、输出电阻越小越好。在放大电路的实验中通常以共射放大电路为主进行分析和讲解，然而共射放大电路存在两个问题： 输入电阻过大会影响静态工作点，进而会导致输出波形失真；输出电阻过小就会导致放大倍数的降低。针对这两个问题，本文提出了一个高性能的共源放大电路，较好地解决了这两个问题。
1 Proteus仿真平台
Proteus软件是英国LabCenter Electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其他EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。
Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现从概念到产品的完整设计。先通过Proteus仿真，再移植到相应的硬件电路上进行实物测试，这种开发方式减少系统开发周期和成本，具有一定的推广价值[1?2]。
2 共源放大电路的设计
在放大电路的实验中，经要对幅值很微弱的正弦交流信号进行放大，电压放大倍数通常要求不小于10，单管共射放大电路和场效应管放大电路都可以满足实验要求，同时考虑到低功耗问题，放大电路均采用5 V单电源供电。经估算，共射放大电路中各元件主要参数如图1（a）所示，共源放大电路中各元件主要参数如图1（b）所示，然后分别对这两个电路的电压放大倍数、输入电阻和输出电阻进行分析和比较。
2.1 放大电路空载输出波形测试
为了能在仿真条件下能测出共射放大电路在不同负载下的电压放大倍数，必须保证输出波形没有失真。保证输出波形不失真的最好办法就是保证放大电路空载时输出波形不会失真，因为空载时放大电路的放大倍数是最大的。
共射放大电路的电压放大倍数理论计算公式如下（放大倍数β=200）[3]：
式中：rbe交流（动态）电阻只能用于求交流性能指标；为共射放大电路的放大倍数；“-”表示输出信号与输入信号反相，即相位相差180°。
共源放大电路的电压放大倍数理论计算公式如下：
式中：为低频互导，反映栅源电压对漏极电流的控制能力；为共源放大电路的放大倍数；“-”表示输出信号与输入信号反相，即相位相差180°。
在Proteus虚拟仿真环境中，绘制出如图1所示实验电路原理图，接着将把输入信号和输出信号分别与虚拟示波器相连接，将开关断开，然后运行Proteus软件，就可看到空载时输入和输出波形图，如图2所示[4]。在图2中，输入信号的频率为1 kHz，幅值为100 mV，信号源内阻为10 Ω。
图2（a）为共射放大电路空载输出波形图，在图中看到输出波形没有失真，但是出现了一个问题，那就是输出波形与输入波形的相位不对称，即输入信号与零轴的交点和输出信号与零轴的交点没有重合；图2（b）为共源放大电路空载输出波形图，在图中看到输出波形没有失真，并且输出波形与输入波形的相位是对称的。
由图2可得，与共射放大电路相比，共源放大电路除了能保证输出波形不是失真外，还能有效保证输出波形與输入波形的相位对称。
2.2 输出电压和放大倍数测试
在图1所示的电路中，分别在输入信号和输出信号的两端各放一个虚拟交流电压表，然后调整负载电阻的阻值，闭合开关，运行Proteus软件后，记录下输入和输出电压的有效值，根据仿真测量电压结果计算出电压放大倍数，将测量的结果和计算出的电压放大倍数分别汇总于表1和表2中。
表1 共射放大电路输出电压和放大倍数（RS=10 Ω）
根据表1中的数据可以看出，共射放大电路有以下4个特点：
（1） 当RL=10 Ω时，放大倍数Au=0.72<1，对输入信号幅值不仅没有放大，反而减小了；
（2） 当10 Ω<rl<300
（3） RL>300 Ω时，放大倍数10（4） 放大倍数和输出电压都随着RL的增大而增大。
根据表2中的数据可以看出，共源放大电路有以下3个特点：
（1）当RL≥10 Ω时，放大倍数Au>10，就可以满足实验要求；
（2）当10 Ω<rl≤300
（3） RL>300 Ω时，放大倍数20表2 共源放大电路输出电压和放大倍数（RS=10 Ω）
为了更好地看到共射放大电路和共源放大电路在输出电压和放大倍数的区别，分别从表1和表2中提取电阻RL的阻值、输出电压数据和放大倍数，绘制出输出电压对比图和放大倍数对比图，如图3所示。
在图3（a）中，共源放大电路和共射放大电路的输出电压都随着RL的增大而增大，且共源放大电路的输出电压一直高于共射放大电路的输出电压；在图3（b）中，共源放大电路的电压放大倍数一直大于共射放大电路的电压放大倍数，且在RL≤300 Ω时，共源放大电路的电压放大倍数几乎是共源放大电路的2倍。所以不管是从输出电压的大小来看，还是从电压放大倍数来看，共源放大电路的性能要远优于共射放大电路。
2.3 输入电阻测试
在Proteus仿真环境下，绘制出如图4所示的输出电阻测试原理图，在输出信号的两端分别放置交流电压表和交流电流表，然后根据，就可计算出输入电阻。共射放大电路输入电阻的理论计算公式为[5]：
共源放大电路输入电阻的理论计算公式为[6]：
将放大电路输入电阻的仿真测量值和理论计算值汇总于表3中。
表3 输入电阻测试
由表3中的数据可以看出，两种放大电路的输入电阻的理论值和测量值相符，且共源放大电路的输入电阻几乎是共射放大电路输入电阻的3倍。
2.4 输出电阻测试
在Proteus仿真环境下，绘制出如图5所示的输电阻测试原理图，在输出信号的两端分别放置交流电压表和交流电流表，然后根据，就可计算出输入电阻。共射放大电路输入电阻理论计算公式为 [7]：Ro=Rc。共源放大电路输入电阻的理论计算公式为[6]： Ro=Rd。
将放大电路输出电阻的仿真测量值和理论计算值汇总于表4中。
表4 输出电阻测试
由表4中的数据可以看出，两种放大电路的输出电阻的理论值和测量值相符，且共源放大电路的输出电阻几乎是共射放大电路输出电阻的。
3 结 论
采用Proteus虚拟仿真软件分别对共射放大电路和共源放大电路进行了分析和比较。从分析的结果来看，共源放大电路在性能上要优于共射放大电路，主要体现在以下4个方面：在保证放大倍数的情况下，共源放大电路输出波形的相位是对称的，而共射放大电路输出波形的相位是不对称的；当10 Ω<rl10，而共射放大电路则做不到；RL>300 Ω时，共源放大电路的电压放大倍数基本上保持不变，可以做到恒压输出，共射放大电路的放大倍数Au>10，但做不到恒压输出；共源放大电路的输入电阻比共射放大电路输入电阻大，且输出电阻比共射放大电路的小。
注：本文通讯作者为罗明璋。
参考文献
[1] 宋杰.基于Proteus的X86中断仿真异常问题探究和对策[J].实验室研究与探索，2015，34（8）：81?84.
[2] 吴建平，吴姝瑶，刘超.Proteus 软件在虚拟示波器设计中的应用[J].中国测试，2013，39（3）：79?83.
[3] 康华光，陈大钦.电子技术基础模拟部分[M].6版.北京：高等教育出版社，2013：181?185.
[4] 杨莲红，杨奇，孙万麟.基于Multisim 10的单管共射放大电路静态分析[J].现代电子技术，2014，37（5）：128?129.
[5] 元增民.模拟电子技术简明教程[M].北京：清华大学出版社，2014：73?78.
[6] 杜树春.基于Proteus的模拟电路分析与仿真[M].北京：电子工业出版社，2013：117?118.
[7] 杨欣.实例解读模拟电子技术[M].北京：电子工业出版社，2013：193?199.
[8] 王闯.Proteus仿真在物联网专业硬件课程中的应用[J].物联网技术，2014，4（10）：80?82.
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摘 要： 在共射放大电路的实验中存在两个问题：输入电阻过大会影响静态工作点，进而会导致输出波形失真；输出电阻过小就会导致放大倍数的降低。针对这两个问题，提出一种高性能的共源放大电路，在输入电阻较大的同时又能满足输出电阻较小。在结合理论分析的基础上，借助Proteus虚拟实验设计环境分析了共射放大和共源放大电路的动态特性，即放大倍数、输入电阻和输出电阻。测试结果表明，共源放大电路在整体性能上要远优于共射放大电路，是一种高性能的共源放大电路。
关键词： 共射放大电路； 共源放大电路； Proteus； 动态特性分析
中图分类号： TN710.4?34 文献标识码： A 文章编号： 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
在传统的模拟实验教学中，放大电路实验更是重中之重，而衡量放大电路性能的主要指标有三个：放大倍数、输入电阻和输出电阻。对于放大电路来说，通常希望该放大电路的放大倍数越大越好、输入电阻越大越好、输出电阻越小越好。在放大电路的实验中通常以共射放大电路为主进行分析和讲解，然而共射放大电路存在两个问题： 输入电阻过大会影响静态工作点，进而会导致输出波形失真；输出电阻过小就会导致放大倍数的降低。针对这两个问题，本文提出了一个高性能的共源放大电路，较好地解决了这两个问题。
1 Proteus仿真平台
Proteus软件是英国LabCenter Electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其他EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。
Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现从概念到产品的完整设计。先通过Proteus仿真，再移植到相应的硬件电路上进行实物测试，这种开发方式减少系统开发周期和成本，具有一定的推广价值[1?2]。
2 共源放大电路的设计
在放大电路的实验中，经要对幅值很微弱的正弦交流信号进行放大，电压放大倍数通常要求不小于10，单管共射放大电路和场效应管放大电路都可以满足实验要求，同时考虑到低功耗问题，放大电路均采用5 V单电源供电。经估算，共射放大电路中各元件主要参数如图1（a）所示，共源放大电路中各元件主要参数如图1（b）所示，然后分别对这两个电路的电压放大倍数、输入电阻和输出电阻进行分析和比较。
2.1 放大电路空载输出波形测试
为了能在仿真条件下能测出共射放大电路在不同负载下的电压放大倍数，必须保证输出波形没有失真。保证输出波形不失真的最好办法就是保证放大电路空载时输出波形不会失真，因为空载时放大电路的放大倍数是最大的。
共射放大电路的电压放大倍数理论计算公式如下（放大倍数β=200）[3]：
式中：rbe交流（动态）电阻只能用于求交流性能指标；为共射放大电路的放大倍数；“-”表示输出信号与输入信号反相，即相位相差180°。
共源放大电路的电压放大倍数理论计算公式如下：
式中：为低频互导，反映栅源电压对漏极电流的控制能力；为共源放大电路的放大倍数；“-”表示输出信号与输入信号反相，即相位相差180°。
在Proteus虚拟仿真环境中，绘制出如图1所示实验电路原理图，接着将把输入信号和输出信号分别与虚拟示波器相连接，将开关断开，然后运行Proteus软件，就可看到空载时输入和输出波形图，如图2所示[4]。在图2中，输入信号的频率为1 kHz，幅值为100 mV，信号源内阻为10 Ω。
图2（a）为共射放大电路空载输出波形图，在图中看到输出波形没有失真，但是出现了一个问题，那就是输出波形与输入波形的相位不对称，即输入信号与零轴的交点和输出信号与零轴的交点没有重合；图2（b）为共源放大电路空载输出波形图，在图中看到输出波形没有失真，并且输出波形与输入波形的相位是对称的。
由图2可得，与共射放大电路相比，共源放大电路除了能保证输出波形不是失真外，还能有效保证输出波形與输入波形的相位对称。
2.2 输出电压和放大倍数测试
在图1所示的电路中，分别在输入信号和输出信号的两端各放一个虚拟交流电压表，然后调整负载电阻的阻值，闭合开关，运行Proteus软件后，记录下输入和输出电压的有效值，根据仿真测量电压结果计算出电压放大倍数，将测量的结果和计算出的电压放大倍数分别汇总于表1和表2中。
表1 共射放大电路输出电压和放大倍数（RS=10 Ω）
根据表1中的数据可以看出，共射放大电路有以下4个特点：
（1） 当RL=10 Ω时，放大倍数Au=0.72<1，对输入信号幅值不仅没有放大，反而减小了；
（2） 当10 Ω<rl<300
（3） RL>300 Ω时，放大倍数10（4） 放大倍数和输出电压都随着RL的增大而增大。
根据表2中的数据可以看出，共源放大电路有以下3个特点：
（1）当RL≥10 Ω时，放大倍数Au>10，就可以满足实验要求；
（2）当10 Ω<rl≤300
（3） RL>300 Ω时，放大倍数20表2 共源放大电路输出电压和放大倍数（RS=10 Ω）
为了更好地看到共射放大电路和共源放大电路在输出电压和放大倍数的区别，分别从表1和表2中提取电阻RL的阻值、输出电压数据和放大倍数，绘制出输出电压对比图和放大倍数对比图，如图3所示。
在图3（a）中，共源放大电路和共射放大电路的输出电压都随着RL的增大而增大，且共源放大电路的输出电压一直高于共射放大电路的输出电压；在图3（b）中，共源放大电路的电压放大倍数一直大于共射放大电路的电压放大倍数，且在RL≤300 Ω时，共源放大电路的电压放大倍数几乎是共源放大电路的2倍。所以不管是从输出电压的大小来看，还是从电压放大倍数来看，共源放大电路的性能要远优于共射放大电路。
2.3 输入电阻测试
在Proteus仿真环境下，绘制出如图4所示的输出电阻测试原理图，在输出信号的两端分别放置交流电压表和交流电流表，然后根据，就可计算出输入电阻。共射放大电路输入电阻的理论计算公式为[5]：
共源放大电路输入电阻的理论计算公式为[6]：
将放大电路输入电阻的仿真测量值和理论计算值汇总于表3中。
表3 输入电阻测试
由表3中的数据可以看出，两种放大电路的输入电阻的理论值和测量值相符，且共源放大电路的输入电阻几乎是共射放大电路输入电阻的3倍。
2.4 输出电阻测试
在Proteus仿真环境下，绘制出如图5所示的输电阻测试原理图，在输出信号的两端分别放置交流电压表和交流电流表，然后根据，就可计算出输入电阻。共射放大电路输入电阻理论计算公式为 [7]：Ro=Rc。共源放大电路输入电阻的理论计算公式为[6]： Ro=Rd。
将放大电路输出电阻的仿真测量值和理论计算值汇总于表4中。
表4 输出电阻测试
由表4中的数据可以看出，两种放大电路的输出电阻的理论值和测量值相符，且共源放大电路的输出电阻几乎是共射放大电路输出电阻的。
3 结 论
采用Proteus虚拟仿真软件分别对共射放大电路和共源放大电路进行了分析和比较。从分析的结果来看，共源放大电路在性能上要优于共射放大电路，主要体现在以下4个方面：在保证放大倍数的情况下，共源放大电路输出波形的相位是对称的，而共射放大电路输出波形的相位是不对称的；当10 Ω<rl10，而共射放大电路则做不到；RL>300 Ω时，共源放大电路的电压放大倍数基本上保持不变，可以做到恒压输出，共射放大电路的放大倍数Au>10，但做不到恒压输出；共源放大电路的输入电阻比共射放大电路输入电阻大，且输出电阻比共射放大电路的小。
注：本文通讯作者为罗明璋。
参考文献
[1] 宋杰.基于Proteus的X86中断仿真异常问题探究和对策[J].实验室研究与探索，2015，34（8）：81?84.
[2] 吴建平，吴姝瑶，刘超.Proteus 软件在虚拟示波器设计中的应用[J].中国测试，2013，39（3）：79?83.
[3] 康华光，陈大钦.电子技术基础模拟部分[M].6版.北京：高等教育出版社，2013：181?185.
[4] 杨莲红，杨奇，孙万麟.基于Multisim 10的单管共射放大电路静态分析[J].现代电子技术，2014，37（5）：128?129.
[5] 元增民.模拟电子技术简明教程[M].北京：清华大学出版社，2014：73?78.
[6] 杜树春.基于Proteus的模拟电路分析与仿真[M].北京：电子工业出版社，2013：117?118.
[7] 杨欣.实例解读模拟电子技术[M].北京：电子工业出版社，2013：193?199.
[8] 王闯.Proteus仿真在物联网专业硬件课程中的应用[J].物联网技术，2014，4（10）：80?82.
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