共射、共基和共集三种基本放大电路特性的仿真分析

前面的博文总结了共射、共基和共集三种基本放大电路的动态参数，接下来进一步通过仿真分析共射、共基和共集三种基本放大电路的特性。

一、共射放大电路的仿真分析

能够稳定静态工作点的共射放大电路如图 1 所示，也称为分压式偏置阻容耦合共射放大电路。射极偏置电阻 Re 具有直流负反馈作用，可以稳定静态工作点。信号源采用有效值 20mV、频率为 10kHz 的正弦信号（其目的是在共射放大电路的中频段进行测试），信号源内阻 R_s取值 1kΩ（与共射放大电路的输入电阻匹配以利于获取输入信号）。

共射、共基和共集三种基本放大电路特性的仿真分析 — 图 1 共射放大电路的输出波形

分别读取信号源经内阻后的输入信号的峰峰值，输出信号的峰峰值，并做比值，即可得到放大电路的放大倍数：

Au = Uop-p/Uip-p = 2.35V/30mV = 78

在放大电路各器件的参数一致的情况下，放大倍数与参考的文章略有差异，可能是仿真模型和仿真工具的差异。

当断开负载电阻 R_L（即空载）时的电压放大倍数（仿真图略）：

Au = Uop-p/Uip-p = 4.47V/30mV = 149

可见，当负载电阻 R_L 与集电极负载电阻 R_c 相等时，负载后放大倍数约下降了一半，说明共射放大电路的负载能力不强。这是由于共射放大电路的输出电阻（Ro ≈ Rc）较大造成的。在示波器上还可以看出，输入信号的正向峰值对应输出信号的负向峰值，说明在中频段共射放大电路输入与输出信号的极性相反。

若信号源内阻 R_S 减小到 500Ω，放大电路的输入信号 ui 和输出信号 uo 的幅度会增大；若 R_S 增加到 1 0kΩ，ui 和 uo 的幅度将下降很多，说明共射放大电路对电压信号的获取能力不强。这是由于其输入电阻（Ri ≈ rbe）不高造成的。

图 2 为共射放大电路 AC. Analysis（交流小信号分析）。移动光标测量纵坐标的最大值（即中频放大倍数 A_UM＝ 68.4166）处，再将 T1 和 T2 分别向低频和高频方向移动到纵坐标约为 0.707A_UM（＝ 48.3705）处，分别测得下限 f_L ＝ 141.99Hz 和上限截止频率 f_H ＝ 1.09MHz。可见，共射放大电路的上限截止频率不高。

二、共基放大电路的仿真分析

共基放大电路如图 3 所示，观察其直流通路，可以看出与图 1 的分压式共射放大电路一致，两者有相同的静态工作点。信号源采用有效值 20mV、频率为 1MHz 的正弦信号（其目的是在共基放大电路的中频段进行测试），信号源内阻 R_S 取值 20Ω（与共基放大电路的输入电阻匹配以利于获取输入信号）。

分别读取信号源经内阻后的输入信号的峰峰值，输出信号的峰峰值，并做比值，即可得到放大电路的放大倍数：

Au = Uop-p/Uip-p = 2.76V/20mV = 138

在放大电路各器件的参数一致的情况下，放大倍数与参考的文章略有差异，可能是仿真模型和仿真工具的差异。

当断开负载电阻 R_L（即空载）时的电压放大倍数（仿真图略）：

Au = Uop-p/Uip-p = 260

可见，当负载电阻 R_L 与集电极负载电阻 R_C 相等时，负载后放大倍数约下降了一半，说明共基放大电路的负载能力不强，这是由于共基放大电路输出电阻（Ro ≈ Rc）较大造成的。在示波器上还可以看出，输入信号的正向峰值对应输出信号的正向峰值，说明在中频段共基放大电路输入与输出信号的极性相同。

若信号源内阻 R_S 增加到 200Ω，输入和输出信号将大幅度下降，说明共基放大电路对电压信号的获取能力很弱，这是由于其输入电阻（Ri ≈ rbe/(1 + β) // Re）很低造成的。

图 4 为共基放大电路 AC. Analysis（交流小信号分析）。移动光标测量纵坐标的最大值（即中频放大倍数 A_UM＝ 42.5550）处，再将 T1 和 T2 分别向低频和高频方向移动到纵坐标约为 0.707A_UM（＝ 30.086）处，分别测得下限 f_L ＝ 41.39Hz 和上限截止频率 f_H ＝ 9.75MHz。

从以上的仿真结果可以看出，参数基本一致的共射和共基放大电路，电压放大倍数相当，但是共基放大电路的上限截止频率比共射高很多。说明共基放大电路的高频特性好，这也是共基放大电路常用于高频振荡电路中的原因。

三、共集放大电路的仿真分析

共集放大电路如图 5 所示，设置其静态集电极电流与图 1 和图 3 的共射和共基放大电路基本相同，耦合方式也相同。信号源采用有效值 20mV、频率为 1MHz 的正弦信号（其目的是在共集放大电路的中频段进行测试），信号源内阻 R_S 取值 100Ω（模拟低内阻电压源）。

分别读取信号源经内阻后的输入信号的峰峰值，输出信号的峰峰值，并做比值，即可得到放大电路的放大倍数：

Au = Uop-p/Uip-p = 2.769V/2.798V = 0.9896

当断开负载电阻 R_L（即空载）时的电压放大倍数（仿真图略）：

Au = Uop-p/Uip-p = 2.778V/2.793V = 0.9946

可见，当负载电阻 R_L 与放大电路的射极电阻 Re 相等时，负载后放大倍数略有下降，说明共集放大电路的负载能力很强，这是由于其输出电阻（Ro ≈ (Rs + rbe)/(1 + β) // Re）很低造成的。在示波器上还可以看出，输入信号的正向峰值对应输出信号的正向峰值，说明在中频段共集放大电路的输入与输出信号的极性相同。

若信号源内阻 R_S 增加到 1kΩ，输入和输出信号略有下降，没有重大影响，这是由于共集放大电路输入电阻（Ri = Rb1 // Rb2 // [rbe+(1 +β)*(Re//RL)]）很高造成的。

可见，共集放大电路信号获取能力和负载能力都很强，而且其输入信号与输出信号的极性相同，幅度也接近，所以共集放大电路也称为射极跟随器，可以作为输入、输出缓冲级使用。

图 6 为共集放大电路 AC. Analysis（交流小信号分析）。移动光标测量纵坐标的最大值（即中频放大倍数 A_UM ＝ 986.4522m）处，再将 T1 和 T2 分别向低频和高频方向移动到纵坐标约为 0.707A_UM （＝ 697.422）处，分别测得下限 f_L ＝ 5.4268Hz 和上限截止频率 f_H ＝ 759.6MHz。

从以上的仿真结果可以看出，静态参数基本一致的共射、共基和共集放大电路相比，共集放大电路的上限截止频率比共射和共基均高很多，说明共集放大电路的高频特性好。

通用型集成运算放大器的输入级通常采用共集－共基差分放大电路，中间级采用共射放大电路，输出级采用互补对称功率放大电路，其级连方式为共集→共基→共射→互补共集组成的多级放大电路。究其原因主要是考虑级间信号传输与放大。输入级之所以采用共集－共基组合，是因为共集放大电路输入电阻很高，从信号源获取信号能力强；而共集的输出电阻低，与共基的输入电阻相当，前者的输出电阻就是后者的输入电阻，刚好匹配。从输入级到中间级的共基－共射级连也是如此，共基的输出电阻与共射的输入电阻值相当，有利于信号传输。输出级互补对称功放电路实际上是轮流工作的 NPN 和 PNP 管分别构成的共集放大电路，其获取信号能力和负载能力都很强，且具有电流放大作用，是输出级的不二选择。