哈工程实验七小信号放大器性能分析与仿真.docx
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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,Hoe][Ib,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=[hiehre;hfehoe]，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；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：
function[Av,Zi,Zo,Ie,Vb,Vc,vo]=amplif1（Rb1,Rb2,Rc,Re,RL,h,Rs,vs,beta,Ec,Kp）;
ifnargin<11;Kp=1;end;
ifnargin<10;Ec=12;end;
ifnargin<9;beta=50;end;
ifnargin<8;vs=10e-03;end;
ifnargin<7;Rs=1e+03;end;
ifnargin<6;h=[1.2e+033.37e-4;5027.1e-6];end;
ifnargin<5;RL=6e+03;end;
ifnargin<4;Re=1.5e+03;end;
ifnargin<3;Rc=2e+03;end;
ifnargin<2;Rb2=6e+03;end;
ifnargin<1;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*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;formatshort;
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;
ifKp==1;Vbe=.6;ns='Si';else;Vbe=.2;ns='Ge';end;
A=[（Rb1+Rb2）/Rb2Rb1;1Rb+（1+beta）*Re];
B=inv（A）*[EcVbe]';
Vb=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,,vs,beta,Ec,Ed,Kp）
输入参数：
h=[hiehre;hfehoe]，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=[AvAv0Av1Av2]，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Ω。
amplif2.m的程序清单如下：
function[Av,Zi,Zo,Vb,Ie,E,vo]=amplif2（Rb1,Re1,Rc1,R1,R2,Rc2,Re3,R
f,h,vs,beta,Ec,Ed,Kp）;
ifnargin<14;Kp=1;end;
ifnargin<13;Ed=15;end;
ifnargin<12;Ec=24;end;
ifnargin<11;beta=50;end;
ifnargin<10;vs=1e-03;end;
ifnargin<9;h=[1.2e+033.37e-4;8027.1e-6];end;
ifnargin<8;Rf=33e+03;end;
ifnargin<7;Re3=3.3e+03;end;
ifnargin<6;Rc2=18e+03;end;
ifnargin<5;R2=3.9e+03;end;
ifnargin<4;R1=130;end;
ifnargin<3;Rc1=100e+03;end;
ifnargin<2;Re1=100;end;
ifnargin<1;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;-hoehoe+1/Rchfe;10hie];
V=inv（T）*[00vs]';v2=V
（2）;ib2=v2/hie;Av1=v2/vs;
Zi=vs/V（3）;
Re=Re3/hoe/（Re3+1/hoe）;Rc=Rc2/hoe/（Rc2+1/hoe）;
T=[1/Re-1-hfe;1hie+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=[AvAv0Av1Av2];
ifKp==1;Vbe=.7;ns='Si';else;Vbe=.2;ns='Ge';end;
Z=[Rb1+R2+（1+beta）*Re1-（1+beta）*R2;beta*Rc1-R2Rc1+（1+beta）*（R1+R2）];
Ib=inv（Z）*[-VbeEd-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=[I1I2I3];I=round（I*1e+04）*.1;
V=[Re1*I1（R1+R2）*I2Re3*I3]+Vbe;
V==round（V*10）*.1;
Zi=round（Zi）;Zo=round（Zo）;Av=round（Av）;
E=[EcEd];Vb=V;Ie=I;formatshort;
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恒流源的等效交流阻抗；h=[hiehre;hfehoe]，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=[Av1Av2]，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=[Ie1Ie4]，晶体管T1、T4的发射极电流；V=[Vb5Vb2Vb4]，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Ω。
amplif3.m的程序清单如下：
function[Av,Zi,Zo,V,I,vo]=amplif3（Rb,Rc,Re,R1,R2,R3,R4,Re3,Zee,h,vs,beta,Ec,Kp）;
ifnargin<14;Kp=1;end;
ifnargin<13;Ec=12;end;
ifnargin<12;beta=50;end;
ifnargin<11;vs=1e-03;end;
ifnargin<10;h=[1.2e+033.37e-4;10027.1e-6];end;
ifnargin<9;Zee=1e+05;end;
ifnargin<8;Re3=3300;end;
ifnargin<7;R4=47;end;
ifnargin<6;R3=680;end;
ifnargin<5;R2=2400;end;
ifnargin<4;R1=4800;end;
ifnargin<3;Re=68;end;
ifnargin<2;Rc=560;end;
ifnargin<1;Rb=4700;end;
hie=h（1,1）;hfe=h（2,1）;hoe=h（2,2）;
A=[10000hie0;001000hie];
A=[A;（1+Re*hoe）-Re*hoe00-1-（1+hfe）*Re0];
A=[A;00（1+Re*hoe）-Re*hoe-10-（1+hfe）*Re];
A=[A;Zee0Zee0-（2*Zee+Re）00];
A=[A;Rc*hoe-（1+Rc*hoe）000-hfe*Rc0];
A=[A;00Rc*hoe-（1+Rc*hoe）00-hfe*Rc];
V=inv（A）*[vs000000]';
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）;
ifKp==1;Vbe=.8;ns='Si';else;Vbe=.2;ns='Ge';end;
A=[（R1+R2+R3）/R3R1+R2R2;1-（1+beta）*R40;0beta-2*（1+beta）];
B=inv（A）*[Ec+（R1+R2）/R3*VbeVbe0]';formatshort;
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；Rs信号源内阻；h=[hiehre;hfe
hoe]，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Ω。
amplif4.m的程序清单如下：
function[H,Zi]=amplif4（Ce,C1,C2,Rb1,Rb2,Rc,Re,RL,h,Rs）;
ifnargin<10;Rs=1e+03;end;
ifnargin<9;h=[1.2e+033.37e-4;5027.1e-6];end;
ifnargin<8;RL=6e+03;end;
ifnargin<7;Re=1.5e+03;end;
ifnargin<6;Rc=2e+03;end;
ifnargin<5;Rb2=6e+03;end;
ifnargin<4;Rb1=24e+03;end;
ifnargin<3;C2=20e-06;end;
ifnargin<2;C1=20e-06;end
ifnargin<1;Ce=200e-06;end;
symss;
hie=h（1,1）;hfe=h（2,1）;hoe=h（2,2）;
zt=[hie0;-hfe/hoe1/hoe];ze=Re/（1+s*Re*Ce）;ze=ones（2,2）*ze;
Z=zt+ze;A=[Z（1,1）det（Z）;1Z（2,2）]/Z（2,1）;
Rb=Rb1*Rb2/（Rb1+Rb2）;
A=[1Rs+1/s/C1;01]*[10;1/Rb1]*A*[10;1/Rc1]*[11/s/C2;01];
A=A*[10;1/RL1];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（211）;semilogx（f,Av）;grid;zoomxon;
xlabel（'frequency（Hz）'）;ylabel（'Av（dB）'）;
title（['Av_m_a_x',=num2str（Avm）',（dB）']）;
subplot（212）;semilogx（f,real（Zi）,f,imag（Zi））;grid;zoomxon;
xlabel（'frequency（Hx）'）;ylabel（'Zi（Ohm）'）;
set（gcf,'units','pix','pos',[200,120,560,420],'name','CommonEmitterAmplifer,BBI2000','num','off'）;
6、共发射极放大电路的高频频率响应
分析共发射极放大电路的高频频率响应，晶体管应采用混合π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Tf，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gIc（mA）/26（S）m=
反射结电容
发射极交流电阻befemrh/g'=
基区积极电阻bbieberhr''=-
集电极交流电阻bcr'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=[hiehre;hfehoe]，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Ω。
Amplif5.m的程序清单如下：
function[H]=amplif5（Cc,ft,Ic,Rb1,Rb2,Rc,RL,Rs,h,rbc）;
ifnargin<10;rbc=5e+06;end;
ifnargin<9;h=[12003.37e-4;5027.1e-6];end;
ifnargin<8;Rs=1e+03;end;
ifnargin<7;RL=6e+03;end;
ifnargin<6;Rc=2e+03;end;
ifnargin<5;Rb2=6e+03;end;
ifnargin<4;Rb1=24e+03;end;
ifnargin<3;Ic=2.5;end;
ifnargin<2;ft=100e+06;end;
ifnargin<1;Cc=3e-012;end;
symss;
hie=h（1,1）;hfe=h（2,1）;hoe=h（2,2）;
gm=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=[1zc;gm1]/（1-gm*zc）;
A=[1Rs;01]*[10;1/Rb1]*[1rbb;01]*[10;ybe1]*A*[10;1/RL11];
H=1/A（1,1）;[b,a]=numden（H）;b=sym2poly（b）;a=sym2poly（a）;
f=logspace（3,8,201）;H=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,[f3dbf3db],Avm-[020],'r:
'）;
grid;zoomxon;
xlabel（'frequency（Hz）'）;ylabel（'Av（dB）'）;
tstr=['f_3_d_B=',num2str（round（f3db*1e-04）*.01）,'（MHz）'];
tstr=[tstrblanks（6）'Av_0=',num2str（round（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','CommonEmitterAmplifier,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π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α=β（β+1）=hfe/（1+hfe）
发射结电阻re=α/ɡ
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。
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