2022年数字信号处理实小信号放大器性能分析与仿真 .pdf

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1、信号处理实验实验七：小信号放大器性能分析与仿真指导教师：陈立伟姓名：韩 新 胜学号： 2010082202 成绩： _ 实验七：小信号放大器性能分析与仿真精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 9 页小信号放大器是电子线路的重要组成部分之一，由于他工作在晶体管的线性区域之内，因此又称为线性放大器。使用MATLAB可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，频率响应等等。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，他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

2、h 参数的等效电路它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reh。共发射极的h 参数与各电压电流的关系为cboefereiecbvihhhhiv。共基极 T 型高频等效电路适用于共基极高频放大电路进行分析，工作频率可达100MHZ以上。混合 型高频等效电路适用于分析共发射极的高频发达电路。在较宽的频率范围之内，等效电路的参数和工作频率无关。另外还存在着简化的混合型高频等效电路，其中ber和cer处于开路状态。1. 共发射极放大电路一、实验原理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

3、高。自定义M 函数 amplifl.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的智力参数和交流参数。该放大器的电路如下图。MATLAB的特点之一就是适合进行线性代数运算，因此午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理，然后采用矩阵求逆的方式求出电压和电流的具体数值，进一步便可得到该放大器的各种参数。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。一般来说，每个晶体管都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中，忽略各电容器的容抗二、实验内容学习共发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程序，得到各

4、输出参数。程序：function Av,Zi,Zo,le,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=10e-03;end; if nargin7;Rs=1e+03;end; if nargin6;h=1.2e+03 3.37e-4;50 27.1e-06;end; if nargin5;RL=6e+03;end; if nargin4;Re=1.5e+03;end

5、; if nargin3;Rc=2e+03;end; if nargin2;Rb2=6e+03;end; 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 9 页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); % 交流参数Z1=Zi*Rb/(Zi+Rb); vb=vs*Z1/(Z1+Rs); ib=vb/Zi; Ro=1/h(2,2);ic=

6、h(2,1)*ib*Ro/(Ro+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;%直流参数B=inv(A)*Ec Vbe; Vb=B(1);lb=B(2);le=(1+beta)*lb;Vc=Ec-beta*lb*

7、Rc; Vb=round(Vb*10)*.1; Vc=round(Vc*10)*.1; le=round(le*le+04)*.1; 三、程序结果ans = -63.8000 2. 直接耦合放大电路一、 实验原理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，他多用作音响系统中的前置放大器，录音机内的磁头放大器。直接耦合放大器的主要特点是工作点稳定，电压增益高， 下图是一个典型的直接耦合放大电路，它有三个晶体管构成，第一级为低噪声放大，第二级为高增益放大，第三极为射随器，整个放大器的电压增益由负反馈电路确定。由于采用了串联电压负反馈，同时又使用了射随器，因此该电路具有较高的输入阻

8、抗和较低的输出阻抗。二、 实验内容学习直接耦合放大电路的原理，使用缺省参数或自己设定参数调试运行程序，得到各输出参数。程序：functionAv,Ai,Zo,Vb,Ie,E,vo=amplif2(Rb1,Rb2,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

9、;80 27.1e-6;end; if nargin8; Rf=33e+03;end; if nargin7; Re3=3.3e+03;end; 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 9 页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

10、,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/vs; 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*

11、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=.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(

12、2); I3=(1+beta)*(Ec-Vbe-Rc2*beta*Ib(2)/(Rc2+(1+beta)*Re3); I=I1 I2 I3;I=round(1e+04)*.1; V=Re1*I1 (R1+R2)*I2 Re3*I3+Vbe; V=round(V*10)*.1; Zi=round(Zi);Zo=round(Zo); Av=round(Av); E=Ec Ed;Vb=V;Ie=I; format short; 三、 程序结果ans = 331 1275039 -10 -1256113. 差分放大器一、 实验原理差分放大器又称差动放大器，由于它比较好的解决了零点飘逸问题，因此多作为直

13、流放大器来使用。 差动放大器有两个输入端口和两个输出端口，于是可以分为两端输入两端输出，两端输入和一端输出，一段输入两端输出，一端输入一端输出等几种形式。下图是一种单端输入双端输出的差分放大器，是模拟卫星接收机内的视频放大器，为了降低输出阻抗使用了射随器，为了稳定工作点， 使用了晶体管T5 做恒流源， 另外恒流源的交流阻抗是相当大的，这样有利于改善差分放大器的特性。二、 实验内容学习直接耦合放大电路的原理，使用缺省参数或自己设定参数调试运行程序，精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 9 页得到各输出参数。程序functionA

14、v,Zi,Zo,V,I,vo=amplif3(Rb,Rc,Re,R1,R2,R3,R4,Re3,Zee,h,vs,beta,Ec,Kp); if nargin14; Kp=1;end; if nargin13; Ec=12;end; if nargin12; beta=50;end; if nargin11; vs=10e-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 na

15、rgin6; R3=680;end; if nargin5; R2=2400;end; if nargin4; R1=4800;end; if 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);%计算交流参数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

16、)*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 Rc*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; Vb

17、e=.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=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;三、 程序结果ans = -3.5000 3.5000 4.阻容耦合音频放大器的频率

18、响应一、 实验原理分析阻容耦合音频放大器，自定义 M 函数 amplif4.m 在分析该放大器交流参数时未考虑电容之间的容抗， 而分析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是一个电型的两端口网络，分析其特性时使用A 参数较精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 9 页为方便将晶体管h 参数转化为z参数后， 考虑到发射机的电阻和电容，这相当是两个串联的两端口网络 .即总的 z 参数之和，然

19、后再将z 参数转化成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。二、 实验内容学习阻容耦合音频放大电路的原理，使用缺省参数或自己设定参数调试运行程序，得到各输出参数。绘出阻容耦合音频放大器的幅频特性和输入阻抗曲线。程序：function H,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;

20、end; if nargin7; Re=1.5e+03;end; if nargin6; Rc=2e+03;end; if nargin5; Rb2=6e+03;end; if nargin4; Rb1=24e+03;end; if nargin3; C2=20e-06;end; if nargin2; C1=20e-06;end; if 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=z

21、t+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 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)

22、;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;zoom xon; xlabel(requency(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(requency(Hz);ylabel(Zi(Ohm); set(gcf,uni

23、ts,pix,pos,200,120,560,420,name,Common Amplifer,BBI2000,num,off);三、 程序结果精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 9 页5.共发射极放大电路的高频频率响应一、 实验原理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， 这样整个共发射极放大器的高频等效电路如下图。表征一个晶体管高频工作特性的参数主要有：特征频率tf，集电极电容Cc，集电极工作电流Ic，其他参数可有上述参数和低频h 参数得到。跨导26/ )(mAIgcm(S) 发射结电容T

24、mbefgC2（F）发射极交流电阻mfebeghr/（）基区体积电阻beiebbrhr（）集电极交流电阻的数值通常在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。晶体管等效电路中B 和 C 之间的 A 矩阵可以有以下的方程组求出：121iZvvvgiiccbebem精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 9 页于是有1111mccmgZZgA为了提高阻容阻容耦合放大器的上限工作频率，应该采用高频晶体管，高频晶体管hie参数值要小一些，约在500 左右，因此其基极电阻也比较小，同时其特征频率也

25、要高一些，一般在 400MHZ 以上；另外，减小晶体管的工作电流，降低放大器的负载阻抗，降低信号原的内阻也可以在一定程度上提高阻容耦合放大电路的上线工作频率。二、 实验内容学习共发射极放大电路的高频频率响应的原理，使用缺省参数或自己设定参数调试运行程序，得到各输出参数，并绘出图形。程序：function H=amplif5(Cc,ft,Ic,Rb1,Rb2,Rc,RL,h,rbc); if nargin10; rbc=5e+06;end; if nargin9; h=1200 3.37e-4;50 27.1e-6;end; if nargin8; Rs=1e+03;end; if nargin

26、7; 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=Ic/26;hfe=min(hfe .95*hie*gm); rbe=hfe/gm;rbb=hie-rbe;cbe=gm/(2*pi*ft); Rb=Rb1

27、*Rb2/(Rb1+Rb2); RL1=1/(hoe+1/Rc+1/RL); ybe=1/rbe+s*cbe; zc=1/(1/rbe+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=freqs(b,a,2*pi*f); Av=20*log10(abs(H);Avm=max(Av);I=find(abs(Av-(Avm-

28、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(requency(Hz);ylabel(Av(dB); tstr=f_3_d_B= num2str(round(f3db*1e-04)*.01) (MHz); tstr=tstr blanks(6) Av_0= num2str(round(Avm*10)*.01) dB; title(tstr); subplot(212); 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 9 页semilogx(f,angle(H)*180/pi-180);grid; xlabel(requency(Hz);ylabel(Phase(!a); set(gcf,units,pix,pos,200,120,560,420,name,CommonEmitter Amplifer,BBI2000,num off); 三、程序结果精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 9 页