神奇的有源负载：模电设计精髓之一
Hello，大家好，今天我们来简单讨论一下有源负载（Active Load）的基本概念及其使用方法。
有源负载是有源器件（例如三极管、场效应管）的一种“高级”应用，其在模拟电路中应用非常广泛（尤其在模拟集成电路中更是标配电路，当然，分立元件放大电路中也很常用），对提升放大电路性能起着至关重要的作用。可以这么说，如果学习（或接触，或使用）模拟放大电路数年却仍然不理解有源负载的奥妙，从某种程度上来讲，还真算不上深刻理解模拟放大电路设计的精髓。
有源负载可以提升放大电路多方面的性能，本文我们就来看看它是如何提升“放大电路的电压放大系数”，具体方法是：先观察最常见的普通基极分压式三极管放大电路的电压放大系数，然后再对比使用有源负载后的电压放大系数。
普通基极分压式放大电路的仿真电路如下图所示（RL=1MΩ表示不考虑负载）。请务必记住节点2电位7.00036V，因为后续需要对比不同方案的电压放大系数，为了使两者有可比性，使用有源负载方案的静态工作点也应该是相同的。
相应的输入与输出波形如下图所示，输入波形（蓝色）的幅值为5mV，而输出波形（红色）的幅值约为9.6mV，所以电压放大系数约为-2，放大能力比较差。
接下来我们使用有源负载方案修改前述放大电路，那么具体如何使用有源负载呢？我们可以从基极分压式三极管放大电路的电压放大系数表达式引出“有源负载”的概念，相应的公式如下所示：
上式告诉我们，如果三极管的电流放大系数β远大于1（例如，大于10），基极分压式放大电路的电压放大系数AV可以认为是“集电极电阻RC与发射极电阻RE的比值”。也就是说，理论上，在其他参数保持不变的条件下，如果你需要更高的电压放大系数，那么RC应该是越大越好，而RE应该是越小越好，这一点你肯定不会反对吧？此处的有源负载方案就是从RC角度入手获得的！
很明显，我们应该想办法提升RC，但是RC过大的话，其两端的压降就会过高，很容易使三极管进入饱和区，似乎也没有其他办法可以再造另一个传奇，然而就在这山穷水尽疑无路之时，或许会柳暗花明又一村呢？
实际上，可以从两方面来看待RC：对于直流通路，RC的确不应该（也不需要）过大，因为我们只需要使用它设置合适的静态工作点，但是对于交流通路，我们总是希望RC越大越好，这样才能够使电压放大系数最大化，没错吧？
所以咱们最好寻找一种元器件（或电路）来代替集电极电阻RC，它应该有“直流电阻小，交流电阻大”的特点，但问题是：到底有没有这种神奇的器件或电路呢？有！三极管C-E之间就有此特点，如果将其代替RC就应该可以提升电压放大系数，相应的仿真电路如下图所示。
在新方案中，黄色填充方框内就是一个有源负载，此时与VT1集电极直接相连的不再是一个单纯的电阻器，而是一个PNP三极管(2N2907A)，它与RB3、RB4、RE2也组成了基极分压式共射放大电路，而VT2的集电极能够输出恒定的电流，所以我们称其为恒流源（constant current source）或电流源电路，又由于该恒流源相当于是VT1集电极的负载，所以也可以称为恒流源负载或有源负载。
请特别注意：RB3的“怪”阻值是我们通过参数扫描方式确定的，这样可以保证该方案与原来方案的静态工作点基本一致（此处节点2的电位为7.00038V，与原来的7.00036极为接近）。
我们最后来看看使用有源负载后的仿真结果，相应的输入输出波形如下图所示。根据标尺测量的数据可以看到，其电压放大系数现在约为-51mV/5mV=-10，远比之前的-2高得多，这就是有源负载带来的惊人效果。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/if8O2qxeCi9HBDWy_vOW_w
以上内容节选自2021年出版的拙作《三极管应用分析精粹：从单管放大到模拟集成电路设计》第16章“再次提升电压增益：殊途同归”，其中还详细讨论了如何设计有源负载、如何通过改变三极管的参数（或电路结构）进一步提升有源负载的恒流能力，受限于篇幅不再赘述。
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