共射/共源放大電路的仿真實驗

對于單管放大電路，我們可以通過圖解法和等效電路分析法分析電路；也可以分成靜態(tài)和動態(tài)兩個方面來分析電路。分析電路涉及到的問，一般包括電路組成、靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定、放大電路的性能指標(biāo)、元件選擇等等。下面借助于Multisim14 仿真軟件，來研究單管放大電路的特性。

1.共射放大電路的仿真模擬

實驗器材：

①BJT 2N3904；

②20kΩ，62kΩ，3kΩ，1kΩ，1.5kΩ的電阻各一個，3kΩ的電阻兩個；

③10uF電容兩個，50uF電容一個；

④雙蹤示波器；

⑤電流表一個；

⑥電壓表一個；

⑦20mVrms 10kHz正弦交流源一個。

共射放大電路電路圖如圖1-1所示。

圖 1-1

(1)共射放大電路主要性能指標(biāo)

①靜態(tài)參數(shù)測試： ?= 6.643V；BJT集電極電流 ?＝ 1.853mA。

②主要性能指標(biāo)：

示波器圖像如圖1-1（1）所示，用Channel A（紅色）在T1和T2處的讀數(shù)分別為輸入信號的負(fù)向和正向峰值，Channel B（藍(lán)色）在T1和T2處的讀數(shù)分別為輸出信號的負(fù)向和正向峰值，AuL就是輸出信號與輸入信號峰值的比值，于是有:

輸出電壓峰值= 1.897V

輸入電壓峰值= 19.2075mV

圖1-1（1）

AuL = -3.794/38.415 * 1000 ≈ -98.69

(2)輸出端電阻（RL）對放大性能的影響

當(dāng)RL->∞時，即放大電路輸出端處于空載狀態(tài)。測得示波器波形如圖1-2(1)。

圖1-2(1)

算得：Au ≈ -190.24

由此可得出結(jié)論：

可見，當(dāng)負(fù)載電阻RL 與集電極負(fù)載電阻Rc 相等時，負(fù)載后放大倍數(shù)約下降了一半，說明共射放大電路的負(fù)載能力不強(qiáng)。這是由于共射放大電路的輸出電阻較大造成的。放大電路的負(fù)載電阻大小極易影響放大電路的性能。在示波器上還可以看出，輸入信號的正向峰值對應(yīng)輸出信號的負(fù)向峰值，說明在中頻段共射放大電路輸入與輸出信號的極性相反，相位差為180°。

(3)輸入端電阻（Rs）對放大性能的影響

當(dāng)Rs = 200Ω時，數(shù)據(jù)如圖1-3（1）所示。

圖1-3（1）

同理可得：Au‘ =-8.150/45.451*1000 ≈ -179.3

若信號源內(nèi)阻RS 減小到200Ω，放大電路的輸入信號ui 和輸出信號uo 的幅度會增大；若RS 增加到10kΩ（圖略），ui和uo 的幅度將下降很多，說明共射放大電路對電壓信號的獲取能力不強(qiáng)。這是由于其輸入電阻（也就是rbe）不高造成的。將共射放大電路看成輸入端的一個電阻Ri則更容易理解，輸入的電阻為Ri對電源Us的分壓，Rs越大共射放大電路的輸入端分壓越小，則放大的性能降低。Rs降低，則Ri共射放大電路電路輸入端分壓更多，于是也就放大的更多。

(4)頻率響應(yīng)分析

數(shù)據(jù)如圖1-4（1）所示。

圖1-4（1）

圖1-4（1）為共射放大電路AC Analysis交流小信號分析。對Uo進(jìn)行掃描分析的結(jié)果如下：移動光標(biāo)測量縱坐標(biāo)的最大值為68.452，再將T1 和T2 分別向低頻和高頻方向移動到縱坐標(biāo)約為0.707 AUM（≈48.3691）處，分別測得下限截止頻率為161.8386Hz 和上限截止頻率為1.0511 MHz?？梢姡采浞糯箅娐返纳舷藿刂诡l率不高。應(yīng)用有局限性。這其實也是阻容耦合放大電路的共同缺點(diǎn)。

(5)共射放大電路溫度掃描分析

Q 點(diǎn)溫度穩(wěn)定性分析：圖1-5（1）為共基放大電路的溫度掃描分析。溫度變化范圍設(shè)置在0℃~ 100℃。對三極管靜態(tài)集電極電流IC 進(jìn)行掃描。移動光標(biāo)T1 到0℃，T2 到100℃位置，從彈出的光標(biāo)窗口可以讀出溫度變化100℃時集電極電流的變化量：dX ＝100℃時，dY ＝ 160.4640μA。

圖1-5（1）

由此可以看出，由于溫度升高而引起的Q點(diǎn)變化幾乎可以忽略不計（電流隨溫度變化率一直在10^(-3)次方數(shù)量級）。電阻RB2起到了穩(wěn)定Q點(diǎn)的作用，使共射放大電路基本不可能因溫度變化而發(fā)生截止失真或飽和失真。

2.共源放大電路的仿真模擬

實驗器材：

①JEFT 2N4858；

②1kΩ電阻一個，3kΩ電阻兩個，10MΩ電阻一個，10kΩ電阻一個；

③10uF電容兩個；

④雙蹤示波器；

⑤電流表一個；

⑥電壓表三個；

⑦1Vrms 10kHz正弦交流源一個。

仿真電路圖如圖2-1所示。

圖2-1

(1)共源放大電路主要性能指標(biāo)

①靜態(tài)參數(shù)測試：

UGS1 = -1.978V，UDS1 = 4.089V，

U01 = 0.372V，ID1 = 1.319mA

②主要性能指標(biāo)：

示波器圖像如圖2-1（1）所示，用Channel A（紅色）在T1和T2處的讀數(shù)分別為輸入信號的負(fù)向和正向峰值，Channel B（藍(lán)色）在T1和T2處的讀數(shù)分別為輸出信號的負(fù)向和正向峰值，AuL就是輸出信號與輸入信號峰值的比值，于是有:

輸出電壓峰值= 0.517V

輸入電壓峰值= 27.754mV

計算的Au = -18.628

圖2-1（1）

通過對比，可以發(fā)現(xiàn)共源放大電路的放大倍數(shù)比共射要小很多。

(2)輸出端電阻（RL）對放大性能的影響

當(dāng)RL = 10kΩ時，即放大電路輸出端開關(guān)A閉合。測得示波器波形如圖2-2(1)。

圖2-2（1）

算出：AuL = -1.033/55.509 * 1000 ≈ -18.610

可以看出，負(fù)載電阻的大小對共源放大電路的影響微乎其微。共源放大電路有電壓放大能力；輸出電壓與輸入電壓的相位相反；輸出電阻較高。但共源極放大電路的電壓放大能力通常低于共射極放大電路。

(3)輸入端電阻（Rs）對放大性能的影響

Rs = 3kΩ時,如圖2-3（1）：

圖2-3（1）

Rs = 10kΩ時,如圖2-3（2）：

圖2-3（2）

即使Rs變化了100倍，共源放大電路的放大倍數(shù)變化也不大，沒有出現(xiàn)像共射放大電路那樣近乎放大倍數(shù)折半的情況。其實道理非常簡單，我們可以拿共射放大電路做類比：Ri的值非常大，Rs <

(4)頻率響應(yīng)分析

圖2-4(1)

圖2-4（1）為共源放大電路AC Analysis交流小信號分析。對Uo進(jìn)行掃描分析的結(jié)果如下：移動光標(biāo)測量縱坐標(biāo)的最大值（即輸出電壓幅值為39.8m）處，再將T1 和T2 分別向低頻和高頻方向移動到縱坐標(biāo)約為0.707 幅值（≈28.1m）處，分別測得下限截止頻率為2.96Hz 和上限截止頻率為8.541 MHz?？梢姡苍捶糯箅娐返纳舷藿刂狗浅８?，同時下限也低。應(yīng)用比共射放大電路廣泛。

(5)共源放大電路溫度掃描分析

Q 點(diǎn)溫度穩(wěn)定性分析：圖2-5（1）為共源放大電路的溫度掃描分析。溫度變化范圍設(shè)置在0℃~ 100℃。對三極管靜態(tài)集電極電流IC 進(jìn)行掃描。移動光標(biāo)T1 到0℃，T2 到100℃位置，從彈出的光標(biāo)窗口可以讀出溫度變化100℃時集電極電流的變化量：dX ＝100℃時，dY ＝ 95.8345u A。

圖2-5（1）

由此可以看出，由于溫度升高而引起的Q點(diǎn)變化幾乎可以忽略不計（電流隨溫度變化率一直在10^(-5)次方數(shù)量級）。JEFT本身良好的特性使溫度升高時靜態(tài)工作點(diǎn)幾乎不變，使共源放大電路基本不可能因溫度變化而發(fā)生截止失真或飽和失真。

場效應(yīng)管共源放大電路的優(yōu)缺點(diǎn)有：

優(yōu)點(diǎn)：（1）輸入電阻大。用普通三極管做成放大電路，共射電路的輸入電阻約幾KΩ，（我們一般稱之為10^3級），共集電極電路的輸入電阻也只能做到幾十K歐到一百多K歐（10^5級），而使用結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）就可做到輸入電阻10^6級，使用MOS管能做到10^8級以上。（2）溫度穩(wěn)定性好，由于場效應(yīng)管里沒有漂移電流，基本不受溫度變化的影響。

缺點(diǎn)：（1）放大倍數(shù)小，一級放大只能做到幾倍（可能不到10倍），（2）輸入端由于靜電感應(yīng)容易產(chǎn)生擊穿。

小結(jié)

場效應(yīng)管共源極放大電路分別與三極管共射極放大電路相對應(yīng)，但比三極管放大電路輸入電阻高、噪聲系數(shù)低、電壓放大倍數(shù)小。共源電路與共射電路均有電壓放大作用，而且輸出電壓與輸入電壓相位相反。因此，這兩種放大電路可統(tǒng)稱為反相電壓放大器。

場效應(yīng)管放大電路最突出的優(yōu)點(diǎn)是，共源電路的輸入電阻高于相應(yīng)的共射電路的輸入電阻。此外，場效應(yīng)管還有噪聲低、溫度穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)于三極管的特點(diǎn)，而且便于集成。必須指出，由于場效應(yīng)管的低頻跨導(dǎo)一般比較小，所以場效應(yīng)管的放大能力比三極管差，如共源電路的電壓增益往往小于共射電路的電壓增益。在實際應(yīng)用中，我們更多的選擇FET管。