哈工程实验七小信号放大器性能分析与仿真.docx

1、哈工程实验七小信号放大器性能分析与仿真 实验七小信号放大器性能分析与仿真一、实验目的：使用MATLAB可以仿真小信号放大器的各种参数，如电压增益、输入阻抗、输出阻抗、频率响应等。本实验要求仿真分析各种小信号放大器的结构、参数及特性。二、实验原理：1、晶体三极管的等效电路常见的晶体三极管等效电路有：低频h参数、共基极T型高频等效电路、混合型高频等效电路，它们通常用于分析各种小信号晶体管放大器的特性。 共发射极h参数的等效电路适用于对低频放大器进行分析。另外，还存在着一种简化的h参数等效电路，其中忽略晶体管内部的电压反馈系数。共发射极的h参数与各电压电流的关系为。Vb,Ic=Hie,Hre;Hfe

2、,HoeIb,Vc。共基极T型高频等效电路适用于对共基极高频放大电路进行分析，频率可高达100MHz以上。混合型高频等效电路适用于对共发射极高频放大电路进行分析。在较宽的频率范围内，等效电路的参数与工作频率无关。另外，还存在着简化的混合型高频等效电路，其中和处于开路状态。2、共发射极放大电路共发射极放大电路是一种使用的最为广泛的放大电路形式，其特点是电压增益和电流增益都比较高。自定义M函数amplif1.m用来仿真共发射极放大电路，使用它可以计算该放大器的直流参数和交流参数（频率在1000Hz左右的中间频率）。MATLAB的特点之一就是适合进行线性代数运算，因此无论在分析直流参数或分析交流参数

3、时，都可以采用基尔霍夫定律，即流入一个节点的电流代数和为零。这样很容易建立起电路方程，然后采用矩阵求逆的方式求出电压和电流的具体数值，进一步便可以得到该放大器的各项参数。在分析共发射极放大的交流参数时，采用的晶体管模型是低频h参数等效电路图。一般来说每个晶体管可以用三个节点来表示，他们分别是：基极、集电极和发射极。在计算交流参数过程之中，忽略各电容器的容抗。Amplif1.m函数的用法是：Av,Zi,Zo,Ie,Vb,Vc,vo=amplif1(Rb1,Rb2,Re,RL,h,Rs,vs,beta,Ec,Kp)输入参数：h=hie hre;hfe hoe，晶体管的h参数；beta晶体管的直流放

4、大系数；Ec电源电压；参数Kp=1表示硅管，Kp=2表示锗管；v信号源的开路电压。输出参数：Av电压放大倍数；Zi输出阻抗；Zo输出阻抗；Ie集电极电流；Vb基极电压；Vc集电极电压；vs放大器输入电压。其中，电压单位为V，电流单位为mA，电阻单位为。 amplif1.m的程序清单如下：functionAv,Zi,Zo,Ie,Vb,Vc,vo=amplif1(Rb1,Rb2,Rc,Re,RL,h,Rs,vs,beta,Ec,Kp);if nargin11;Kp=1;end;if nargin10;Ec=12;end;if nargin9;beta=50;end;if nargin8;vs=10

5、e-03;end;if nargin7;Rs=1e+03;end;if nargin6;h=1.2e+03 3.37e-4;50 27.1e-6;end;if nargin5;RL=6e+03;end;if nargin4;Re=1.5e+03;end;if nargin3;Rc=2e+03;end;if nargin2;Rb2=6e+03;end;if nargin1;Rb1=24e+03;end;Rb=Rb1*Rb2/(Rb1+Rb2);YL=(Rc+RL)/(Rc*RL);Rs1=Rs*Rb/(Rs+Rb);Zi=h(1,1)-h(2,1)*h(1,2)/(YL+h(2,2);Z1=Zi

6、*Rb/(Zi+Rb);vb=vs*Z1/(Z1+Rs);ib=vb/Zi;Ro=1/h(2,2);ic=h(2,1)*ib*Ro/(Ro+1/YL);vo=-ic/YL;Av=vo/vb;format short;Yo=h(2,2)-h(2,1)*h(1,2)/(h(1,1)+Rs1)+1/Rc;Zo=1/Yo;Zi=round(Zi);Zo=round(Zo);Av=round(Av*10)*.1;if Kp=1;Vbe=.6;ns=Si;else;Vbe=.2;ns=Ge;end;A=(Rb1+Rb2)/Rb2 Rb1;1 Rb+(1+beta)*Re;B=inv(A)*Ec Vbe;V

7、b=B(1);Ib=B(2);Ie=(1+beta)*Ib;Vc=Ec-beta*Ib*Rc;Vb=round(Vb*10)*.1; Vc=round(Vc*10)*.1;Ie=round(Ie*1e+04)*.1;3、直接耦合放大器在两个或三个晶体管之间进行直接耦合的放大器称为直接耦合放大器，他多用作音响系统的前置放大器、录音机内的磁头放大器。直接耦合放大器的主要特点是直流工作点稳定，电压增益高。自定义M 函数amplif2.m 用来分析直接耦合放大器的交流参数和直流参数，其用法是：A,Zi,Zo,Vb,Ie,E=amplif2(Rb1,Re1,Rc1,R1,R2,Rc2,Re3,Rf,h,

8、vs,beta,Ec,Ed,Kp)输入参数：h=hie hre;hfe hoe，晶体管的h 参数；beta 晶体管的直流放大系数；Ec 电源电压；Ed 第一级的电源电压；参数Kp=1 表示硅管，Kp=2 表示锗管。输出参数：A=Av Av0 Av1 Av2，其中Av 电压放大倍数，Av0 开环电压放大倍数，Av1 第一级电压放大倍数，Av2 第二级电压放大倍数；Zi 输出阻抗；Zo 输出阻抗；Ie= Ie(1) Ie(2) Ie(3)，三个晶体管的发射极电流；Vb=Vb(1) Vb(2) Vb(3)，三个晶体管的基极电压。其中，电压单位为V，电流单位为mA，电阻单位为 。amplif2.m的程

9、序清单如下：functionAv,Zi,Zo,Vb,Ie,E,vo=amplif2(Rb1,Re1,Rc1,R1,R2,Rc2,Re3,Rf,h,vs,beta,Ec,Ed,Kp);if nargin14;Kp=1;end;if nargin13;Ed=15;end;if nargin12;Ec=24;end;if nargin11;beta=50;end;if nargin10;vs=1e-03;end;if nargin9;h=1.2e+03 3.37e-4;80 27.1e-6;end;if nargin8;Rf=33e+03;end;if nargin7;Re3=3.3e+03;end

10、;if nargin6;Rc2=18e+03;end;if nargin5;R2=3.9e+03;end;if nargin4;R1=130;end;if nargin3;Rc1=100e+03;end;if nargin2;Re1=100;end;if nargin1;Rb1=1000e+03;end;hie=h(1,1);hfe=h(2,1);hoe=h(2,2);Rc=hie*Rc1/(hie+Rc1);T=hoe+1/Re1 -hoe -1-hfe;-hoe hoe+1/Rc hfe;1 0 hie;V=inv(T)*0 0 vs;v2=V(2);ib2=v2/hie;Av1=v2/v

11、s;Zi=vs/V(3);Re=Re3/hoe/(Re3+1/hoe);Rc=Rc2/hoe/(Rc2+1/hoe);T=1/Re -1-hfe;1 hie+Rc;V=inv(T)*0-hfe*Rc*ib2;Av2=V(1)/v2;Av0=V(1)/vs;Zo=V(1)/(1+hfe)*hfe*Rc*ib2/(Rc+hie);Zo=abs(Zo);B=Re1/(Rf+Re1);F=1+Av0*B;Av=Av0/F;Zi=Zi*F;Zi=Zi*Rb1/(Zi+Rb1);Zo=Zo/F;vo=Av*vs;Av=Av Av0 Av1 Av2;if Kp=1;Vbe=.7;ns=Si;else;Vbe

12、=.2;ns=Ge;end;Z=Rb1+R2+(1+beta)*Re1 -(1+beta)*R2;beta*Rc1-R2 Rc1+(1+beta)*(R1+R2);Ib=inv(Z)*-Vbe Ed-Vbe;I1=(1+beta)*Ib(1);I2=(1+beta)*Ib(2);I3=(1+beta)*(Ec-Vbe-Rc2*beta*Ib(2)/(Rc2+(1+beta)*Re3);I=I1 I2 I3;I=round(I*1e+04)*.1;V=Re1*I1 (R1+R2)*I2 Re3*I3+Vbe;V=round(V*10)*.1;Zi=round(Zi);Zo=round(Zo);A

13、v=round(Av);E=Ec Ed;Vb=V;Ie=I;format short;4、差分放大器 差分放大器又称，差分放大器又称差动放大器。由于它比较好的解决了零点漂移问题因此多作为直流 差分放大器又称动，由于它比较好的解决了零点漂移问题因此多作为直流 放大器来使用。差分有两个输 入端口和出，于是可以为双放大器来使用。差分有两个输 入端口和出，于是可以为双放大器来使用。差分有两个输入端口和出，于是可以为双出、双电输入单端输出、单端出入双端输出、单端输入单端输出等几种形式。由于射随器的输入阻抗很大，因此在分析差分放大器交流参数的过程中，完全可以忽略射随器输入阻抗对前一级的影响，这样该放大器的

14、交流等效电路就可以用7 个节点来描述，这7 个节点是：晶体管T1 的基极、发射极和集电极，晶体管T2 的基极、发射极和集电极，晶体管T5 的集电极。T1 的基极为放大器的输入端，而T2 的基极在交流上是接地的，因此节点方程有5 个，另外再加上2 个晶体管的基极电流方程，这样一共就得到7 个方程。使用矩阵的方法求解这些方程，就可以得到差分放大器的各项交流参数。自定义M 函数amplif3.m 用来分析差分放大器的各项交流参数和直流参数，其用法是：Av,Zi,Zo,V,I=amplif3(Rb,Rc,Re,R1,R2,Rc2,R3,zee,h,vs,beta,Ec,Kp)输入参数：Zee 恒流源的

15、等效交流阻抗；h=hie hre;hfe hoe，晶体管的h 参数；beta 晶体管的直流放大系数；Ec 电源电压；参数Kp=1 表示硅管，Kp=2 表示锗管。输出参数：Av=Av1 Av2，其中Av1 是1 端电压放大倍数，Av2 是2 端电压放大倍数；Zi 输出阻抗；Zo 输出阻抗；Ie= Ie1 Ie4，晶体管T1、T4 的发射极电流；V=Vb5 Vb2 Vb4，晶体管T5、T2、T4 的基极电压。其中，电压单位为V，电流单位为mA，电阻单位为 。amplif3.m的程序清单如下：functionAv,Zi,Zo,V,I,vo=amplif3(Rb,Rc,Re,R1,R2,R3,R4,R

16、e3,Zee,h,vs,beta,Ec,Kp);if nargin14;Kp=1;end;if nargin13;Ec=12;end;ifnargin12;beta=50;end;if nargin11;vs=1e-03;end;if nargin10;h=1.2e+03 3.37e-4;100 27.1e-6;end;if nargin9;Zee=1e+05;end;if nargin8;Re3=3300;end;if nargin7;R4=47;end;if nargin6;R3=680;end;if nargin5;R2=2400;end;if nargin4;R1=4800;end;i

17、f nargin3;Re=68;end;if nargin2;Rc=560;end;if nargin1;Rb=4700;end;hie=h(1,1);hfe=h(2,1);hoe=h(2,2);A=1 0 0 0 0 hie 0;0 0 1 0 0 0 hie;A=A;(1+Re*hoe) -Re*hoe 0 0 -1 -(1+hfe)*Re 0;A=A;0 0 (1+Re*hoe) -Re*hoe -1 0 -(1+hfe)*Re;A=A;Zee 0 Zee 0 -(2*Zee+Re) 0 0;A=A;Rc*hoe -(1+Rc*hoe) 0 0 0 -hfe*Rc 0;A=A;0 0 R

18、c*hoe -(1+Rc*hoe) 0 0 -hfe*Rc;V=inv(A)*vs 0 0 0 0 0 0;vo=V(2) V(4);Av=vo/vs;Av=round(Av*10)*.1;Rb1=1/(1/Rb+1/R2+1/R1);Zi=vs/V(6);Zi=Zi*Rb1/(Zi+Rb1);Zo=(Rc+hie)/(1+hfe);Zo=round(Zo);Zi=round(Zi);if Kp=1;Vbe=.8;ns=Si;else;Vbe=.2;ns=Ge;end;A=(R1+R2+R3)/R3 R1+R2 R2;1 -(1+beta)*R4 0;0 beta -2*(1+beta);B=

19、inv(A)*Ec+(R1+R2)/R3*Vbe Vbe 0;format short;V=B(1) Ec-R1*(B(1)-Vbe)/R3+B(2)+B(3)-Rb*B(3) Ec-beta*B(3)*Rc;I=B(3)*(1+beta) (V(3)-Vbe)/Re3;I=round(I*1e+04)*.1;5、阻容耦合音频放大器的频率响应阻容耦合音频放大器的电路，自定义M 函数amplif1.m 在分析该放大器交流参数时未考虑电容的容抗，而分析该电路的频率响应时不能忽略各个电容的影响。由于音频的频率范围在20-20000Hz 之间，因此在分析音频放大器时可以采用低频h 参数，同时忽略晶体管

20、内部的反馈，于是阻容耦合音频放大器的交流等效电路是一个典型的两端口网络，分析其特性使用A 参数较为方便。将晶体管的h 参数转换为Z 参数后，有，考虑到发射极的电阻和电容，这相当于两个串联的两端口网络，即总的Z 参数转换成A 参数。这样就可以使用T 型网络A 参数相乘的方式求出整个等效电路的A 参数，进一步即可得到其幅频特性、相频特性和输入阻抗。自定义M 函数amplif4.m 分析阻容耦合音频放大器的各项交流参数和直流参数，其用法是：H,Zi=amplif4(Ce,C1,C2,Rb1,Rb2,Rc,Re,RL,h,Rs)输入参数：C1 基极耦合电容；C2 集电极耦合电容；Ce 发射极旁路电容；

21、Rs 信号源内阻；h=hie hre;hfehoe，晶体管的h 参数。输出参数：H=vo/vi 放大器的转移函数，Zi 输入阻抗。其中，电容单位为F，电阻单位为 。amplif4.m的程序清单如下：functionH,Zi=amplif4(Ce,C1,C2,Rb1,Rb2,Rc,Re,RL,h,Rs);if nargin10;Rs=1e+03;end;if nargin9;h=1.2e+03 3.37e-4;50 27.1e-6;end;if nargin8;RL=6e+03;end;if nargin7;Re=1.5e+03;end;if nargin6;Rc=2e+03;end;if na

22、rgin5;Rb2=6e+03;end;if nargin4;Rb1=24e+03;end;if nargin3;C2=20e-06;end;if nargin2;C1=20e-06;endif nargin1;Ce=200e-06;end;syms s;hie=h(1,1);hfe=h(2,1);hoe=h(2,2);zt=hie 0;-hfe/hoe 1/hoe;ze=Re/(1+s*Re*Ce);ze=ones(2,2)*ze;Z=zt+ze;A=Z(1,1) det(Z);1 Z(2,2)/Z(2,1);Rb=Rb1*Rb2/(Rb1+Rb2);A=1 Rs+1/s/C1;0 1*1

23、0;1/Rb 1*A*1 0;1/Rc 1*1 1/s/C2;0 1;A=A*1 0;1/RL 1;Zi=A(1,1)/A(2,1)-Rs;f=logspace(1,5,101);b,a=numden(Zi);b=sym2poly(b);a=sym2poly(a);Zi=freqs(b,a,2*pi*f);k=max(abs(Zi+Rs)/Zi);H=k/A(1,1);b,a=numden(H);b=sym2poly(b);a=sym2poly(a);H=freqs(b,a,2*pi*f);Av=20*log10(abs(H);Avm=round(max(Av)*10)*.1;subplot(

24、211);semilogx(f,Av);grid;zoom xon;xlabel(frequency(Hz);ylabel(Av(dB);title(Av_m_a_x,=num2str(Avm),(dB);subplot(212);semilogx(f,real(Zi),f,imag(Zi);grid;zoom xon;xlabel(frequency(Hx);ylabel(Zi(Ohm);set(gcf,units,pix,pos,200,120,560,420,name,Common Emitter Amplifer,BBI 2000,num,off);6、共发射极放大电路的高频频率响应分

25、析共发射极放大电路的高频频率响应，晶体管应采用混合 型高频等效电路。表征一个晶体管高频工作特性参数主要有：特性频率T f ，集电极电容Cc，集电极工作电流Ic，其他参数可以由上述参数和低频h 参数得到。跨导 g Ic(mA) / 26 (S) m =反射结电容发射极交流电阻 b e fe m r h / g =基区积极电阻bb ie b e r h r = -集电极交流电阻b c r 的数值通常在1M 以上。由于共发射极放大电路为两端口网络，故分析其特性使用A 参数是非常方便的。晶体管特效电路中B和C 之间的A矩阵可以由一下方程组求出： 自定义M 函数amplif5.m 分析共发射极放大器的高

26、频频率响应，其用法是：H=amplif5(Cc,ft,Ic,Rb1,Rb2,Rc,Re,RL,h,rbc)输入参数：Cc 集电极电容；ft 晶体管的特性频率；Ic 集电极电流；Rb1 和Rb2 基极偏流电阻，两者合并之后为Rb；Rc 集电极电阻；RL 负载电阻；Rs 信号源内阻；rbc 集电极交流电阻；h=hie hre;hfe hoe，晶体管的h 参数。输出参数：H=vo/vi 放大器的转移函数。其中，电流单位为mA，电容单位为F，电阻单位为 。Amplif5.m的程序清单如下：functionH=amplif5(Cc,ft,Ic,Rb1,Rb2,Rc,RL,Rs,h,rbc);if nar

27、gin10;rbc=5e+06;end;if nargin9;h=1200 3.37e-4;50 27.1e-6;end;if nargin8;Rs=1e+03;end;if nargin7;RL=6e+03;end;if nargin6;Rc=2e+03;end;if nargin5;Rb2=6e+03;end;if nargin4;Rb1=24e+03;end;if nargin3;Ic=2.5;end;if nargin2;ft=100e+06;end;if nargin1;Cc=3e-012;end;syms s;hie=h(1,1);hfe=h(2,1);hoe=h(2,2);gm=

28、Ic/26;hfe=min(hfe .95*hie*gm);rbe=hfe/gm;rbb=hie-rbe;cbe=gm/(2*pi*ft);Rb=Rb1*Rb2/(Rb1+Rb2);RL1=1/(hoe+1/Rc+1/RL);ybe=1/rbe+s*cbe;zc=1/(1/rbc+s*Cc);A=1 zc;gm 1/(1-gm*zc);A=1 Rs;0 1*1 0;1/Rb 1*1 rbb;0 1*1 0;ybe 1*A*1 0;1/RL1 1;H=1/A(1,1);b,a=numden(H);b=sym2poly(b);a=sym2poly(a);f=logspace(3,8,201);H=

29、freqs(b,a,2*pi*f);Av=20*log10(abs(H);Avm=max(Av);I=find(abs(Av-(Avm-3).1);I=fix(mean(I);f3db=f(I);Av3db=Av(I);subplot(211);semilogx(f,Av,f3db f3db,Avm-0 20,r:);grid;zoom xon;xlabel(frequency(Hz);ylabel( Av(dB);tstr=f_3_d_B=,num2str(round(f3db*1e-04)*.01),(MHz);tstr=tstr blanks(6) Av_0=,num2str(round

30、(Avm*10)*.1),(dB);title(tstr);subplot(212);semilogx(f,angle(H)*180/pi-180);grid;xlabel(frequency(Hz);ylabel(Phase(a);set(gcf,units,pix,pos,200,120,560,420,name,Common Emitter Amplifier,BBI2000,num,off);7、共基极放大电路的高频频率特性分析共基极放大电路的高频频率响应，晶体管应该采用共基极型高频等效电路其参数可以由混合 型高频电路的参数和低频h 参数折算出来。共基极交流放大系数=（+1）=hfe/(1+hfe）发射结电阻 re=/反射结电容 Ce=Cbe/(1+m)集电极交流电阻 re=rbc对于均匀基区晶体管，m=0.2；对于扩散型基区晶体管，m=0.4。分析共基极放大电路仍可以使用A 矩阵的方法。晶体管