实验七小信号放大器性能分析与仿真.docx
《实验七小信号放大器性能分析与仿真.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《实验七小信号放大器性能分析与仿真.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
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
1、实验目的：
1、仿真分析各种小信号放大器的结构，参数及特性，如电压增益、输入阻抗、输出阻抗、频率响应等等。
2、掌握各种小信号放大器的等效电路。
2、实验原理：
小信号放大器是电子线路的重要组成部分之一，由于它工作在晶体管的线性区域之内，因此又称为线性放大器。
晶体管存在等效电路，常见的三极管等效电路有：
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。
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。
共基极T型高频等效电路：
适用于分析共基极高频放大电路，工作频率可以高达100MHz以上。
混合
型高频等效电路：
适应于分析共射极高频放大电路，在较宽的频率范围之内，等效电路的参数与工作频率无关。
3、实验内容：
1、共发射极放大电路
共发射极放大电路是一种使用广泛的电路，其电压和电流增益都比较高。
自定义M函数amplif.m来仿真共发射极放大电路，使用它计算放大器的直流参数和交流参数（频率在1000HZ左右的中间频率）。
学习共射极放大电路的原理，使用缺省参数或自己设定参数调试运行amplif1.m程序，得到个输出参数。
ampif1.m函数的用法是：
[Av,Zi,Zo,Ie,Vb,Vc,Vo]=amplif1（Rb1,Rb2,Rc,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（V），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输入阻抗（Ω），Zo输出阻抗（Ω）Ie集电极电流（mA）,Vb基极电压（V），Vc集电极电压（V）vs放大器输出电压（V）。
程序：
function[Av,Zi,Zo,Ie,Vb,Vc,vo]=amplifl（Rb1,Rb2,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=0.6;ns='Si';
elseVbe=0.2;ns='Ge';
end
A=[Rb1+Rb2/Rb1Rb2;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）*0.1;Vc=round（Vc*10）*0.1;
Ie=round（Ie*1e+04）*0.1;
End
[Av,Zi,Zo,Ie,Vb,Vc,vo]=amplif1（）
运行结果：
Av=
-61.3000
Zi=
1176
Zo=
1949
Ie=
0.4000
Vb=
0
Vc=
11.3000
vo=
-0.6130
2、直接偶合放大器：
在两个或三个晶体管之间进行直接偶合的放大器称为直接偶合放大器，它多作用于音响系统中的前置放大器，录音机内的磁头放大器。
直接偶合放大器的特点是直流工作点稳定，电压增益高。
学习直接耦合放大电路的原理，使用缺省参量或者自己设定参量调试运行amplif2.m程序，得到各输出参量。
amplif2.m文件用法如下：
[Av,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]为晶体管的h参数。
beta为晶体管的直流放大系数。
Ec为电源电压（V），Ed为第一级的电源电压。
参数Kp=1表示硅管，Kp=2表示锗管。
输出参数：
A=[AvAv0Av1Av2]Av表示电压放大倍数，Av0开环放大倍数，Av1第一级电压放大倍数，Av2第二级电压放大倍数。
Zi表示输入阻抗，Zo表示输出阻抗。
Vb=[Vb
（1）Vb
（2）Vb（3）]表示三晶体管的基极电压。
Ie=[Ie
（1）Ie
（2）Ie（3）]表示三个晶体管的发射极电流。
程序：
function[Av,Zi,Zo,Vb,Ie,E]=amplif2（Rb1,Re1,Rc1,R1,R2,Rc2,Re3,Rf,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;801e-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=Rc/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=0.7;ns='Si';
elseVbe=0.2;ns='Ge';
end
Z=[Rb1+R2+（1+beta）*Re-（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））/（Rc1+（1+beta）*Re3）;
I=[I1I2I3];
I=round（I*1e+04）*0.1;
V=[Re1*I1（R1+R2）*I2Re3*I3]+Vbe;
V=round（V*10）*0.1;
Zi=round（Zi）;Zo=round（Zo）;Av=round（Av）;
E=[EcEd];Vb=V;Ie=I;formatshort;
end
[Av,Zi,Zo,Vb,Ie,E]=amplif2（）
运行结果：
Av=
32622917-10-2247
Zi=
394848
Zo=
12
Vb=
0.70003.80006.9000
Ie=
0.10000.80001.9000
E=
2415
3、差分放大器
差分放大器有两个输入端口和两个输出端口，可以分为双端输入双端输出，双端输入单端输出，单端输入双端输出，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5个，另外再加上两个晶体管的基极电流方程，这样就可以得到7个方程。
学习差分放大器的原理，使用缺省参量或自己设定参量调试运行amplif3.m程序，得到输出参数。
amplif3.m的用法如下：
[Av,Zi,Zo,V,I,vo]=amplif3（Rb,Rc,Re,R1,R2,R3,R4,Re3,Zee,h,vs,beta,Ec,Kp）
输入参数：
Zee表示恒流源的等效交流阻抗，
h=[hiehre;hfehoe]为晶体管的h参数，beta为晶体管的直流放大系数,Ec为电源电压（V），参数Kp=1表示硅管，Kp=2表示锗管。
输出参数：
Av=[Av1Av2],Av11端的电压放大倍数，Av22端的电压放大倍数
Zi输入阻抗，Zo输出阻抗
V=[Vb5Vb2Vb4],晶体管T5，T2，T2的基极电压。
Ie=[Ie1Ie4],晶体管的T1，T4的发射极电流。
程序：
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=10e-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;
End
运行结果：
[Av,Zi,Zo,V,I,vo]=amplif3（）
Av=
-3.50003.5000
Zi=
1110
Zo=
17
V=
1.54263.82877.7480
I=
7.70002.1000
vo=
-0.03460.0346
4、阻容耦合音频放大器的频率响应：
自定义M函数amplifl.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放大电路显然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。
学习阻容耦合音频放大电路原理，使用缺省参量或自己设定参量调试运行amplif4.m程序，得到输出参数。
绘出阻容耦合音频放大器的幅频特性和输入阻抗曲线。
amplif4.m的用法如下：
[H，Zi]=amplif4（Cc，C1，C2，Rb1，Rb2，Rc，Re，RL，h，Rs）；
输入函数：
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=[hie，hre；hfe，hoe]为晶体管的h参数
输出参数：
H=vo/vs放大器的转移函数，Zi输入阻抗
程序：
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（'requency（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（Hz）'）;ylabel（'Zi（Ohm）'）;
set（gcf,'units','pix','pos',[200,120,560,420],'name','CommonEmitterAmplifer,BBI2000','num','off'）;
End
运行结果：
5、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，晶体管应该采用混合
型高频等效电路，表征一个晶体管高频工作特性的参数主要有：
特征频率
，集电极电容Cc，集电极工作电流Ic，其它参数可以由上述参数和低频h参数得到。
跨导
（S）
发射结电容
（F）
发射极交流电阻
（
）
基区体积电阻
（
）
学习共发射极放大电路的高频频率响应原理，使用缺省参量或自己设定参量调试运行amplif5.m程序，得到输出参数，绘出图形。
amplif5.md的用法如下:
H=amplif5（Cc，ft，Ic，Rb1,Rb2，Rc，RL,h,Rs,rbc）;
输入参数：
Cc集电极电容，ft晶体管的特征频率，Ic集电极电流，单位为mA
Rb1和Rb2基极偏流电阻，两者并联之后为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/vs放大器的转移函数
程序:
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*Cc;
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（ia）'）;
set（gcf,'units','pix','pos',[200,120,560,420],'name','CommonEmitterAmplifier,BBI2000','num','off'）;
end
运行结果：
6、共基级放大电路的高频频率响应：
分析共基级放大电路的高频频率响应，晶体管应该采用共基级T型高频等效电路，这样整个共基级放大器的高频等效电路起参数可以由混合
型高频等效电路的参数和低频h参数折算出来。
共基级交流放大系数
=
=
/（1+
）
发射结电阻
=
发射结电容
=
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
集电极交流电阻
=
学习共基极放大电路的高频频率响应原理，使用缺省参量或自己设定参量调试运行amplif6.m程序，得到输出参数，绘出图形。
amplifi6.m的用法如下:
H=amplif6（Cc，ft，Ic，RL，h，Rs，rc，m）；
输入参数：
Cc集电极电容，ft晶体管的特征频率Ic集电极电流，单位为mA
RL负载电阻，Rs信号源内阻，rc集电极交流电阻
h=【hie，hre；hfe，hoe】晶体管的h参数
m晶体管基区参数m=0.2（均匀基区）m=0.4（扩散基区）
输出参数：
H=vo/vs放大器的转移函数
程序：
function[H,Zi]=amplif6（Cc,ft,Ic,RL,Rs,h,rc,m）
if
升级会员 