小信号放大器性能分析与仿真

hiehoe re rc rbb ib hfeib ie CeCc rbb Cc rbc rcerb eCb e 实验七实验七 小信号放大器性能分析与仿真小信号放大器性能分析与仿真 一 实验名称 小信号放大器性能分析与仿真一 实验名称 小信号放大器性能分析与仿真 二 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 掌握实验中的小信号放大器的等效电路及其工作原理 三 实验原理 三 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 四 四 实验内容 实验内容 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 它们经常用于分析各种小信号晶体管放大器的特 性 共发射极 h 参数的等效电路如图所示 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 h 共发射极的 h 参数与各电压电流的关系为 c b oefe reie c b v i hh hh i v 共基极 T 型高频等效电路如下左图所示 它适用于对共基极高频放大电路进行分析 工作频率可高达 100MHz 以上 混合 型高频等效电路如下图右所示 它适用于分析共发射极高频放大电路 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 rb e 和 rce 处于开态 2 共发射极放大电路 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 程序 得到个输出参数 ampif1 m 函数的用法是 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 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 输出参数 Av 电压放大倍数 Zi 输入阻抗 Zo 输出阻抗 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 程序 function Av Zi Zo Ie Vb Vc vo amplifl Rb1 Rb2 Re RL h Rs vs beta Ec Kp if nargin 11 Kp 1 end if nargin 10 Ec 12 end if nargin 9 beta 50 end if nargin 8 vs 10e 03 end if nargin 7 Rs 1e 03 end if nargin 6 h 1 2e 03 3 37e 4 50 27 1e 6 end if nargin 5 RL 6e 03 end if nargin 4 Re 1 5e 03 end if nargin 3 Rc 2e 03 end if nargin 2 Rb2 6e 03 end if nargin 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 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 0 6 ns Si else Vbe 0 2 ns Ge end A Rb1 Rb2 Rb1 Rb2 1 Rb 1 beta Re B inv A Ec Vbe 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 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 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 程序 得到各输出参量 amplif2 m 文件用法如下 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 输入参数 h hie hre hfe hoe 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 输出参数 A Av Av0 Av1 Av2 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 程序 function Av Zi Zo Vb Ie E amplif2 Rb1 Re1 Rc1 R1 R2 Rc2 Re3 Rf h vs beta Ec Ed Kp if nargin 14 Kp 1 end if nargin 13 Ed 15 end if nargin 12 Ec 24 end if nargin 11 beta 50 end if nargin 10 vs 1e 03 end if nargin 9 h 1 2e 03 3 37e 4 80 1e 6 end if nargin 8 Rf 33e 03 end if nargin 7 Re3 3 3e 03 end if nargin 6 Rc2 18e 03 end if nargin 5 R2 3 9e 03 end if nargin 4 R1 130 end if nargin 3 Rc1 100e 03 end if nargin 2 Re1 100 end if nargin 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 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 Rc 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 0 7 ns Si else Vbe 0 2 ns Ge end Z Rb1 R2 1 beta Re 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 Rc1 1 beta Re3 I I1 I2 I3 I round I 1e 04 0 1 V Re1 I1 R1 R2 I2 Re3 I3 Vbe V round V 10 0 1 Zi round Zi Zo round Zo Av round Av E Ec Ed Vb V Ie I format short end Av Zi Zo Vb Ie E amplif2 运行结果 运行结果 Av 326 22917 10 2247 Zi 394848 Zo 12 Vb 0 7000 3 8000 6 9000 Ie 0 1000 0 8000 1 9000 E 24 15 3 差分放大器 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 程序 得到输出参数 amplif3 m 的用法如下 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 输入参数 Zee表示恒流源的等效交流阻抗 h hie hre hfe hoe 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 输出参数 Av Av1 Av2 Av1 1端的电压放大倍数 Av2 2端的电压放大倍数 Zi输入阻抗 Zo输出阻抗 V Vb5 Vb2 Vb4 晶体管T5 T2 T2的基极电压 Ie Ie1 Ie4 晶体管的T1 T4的发射极电流 程序 程序 Function Av Zi Zo V I vo amplif3 Rb Rc Re R1 R2 R3 R4 Re3 Zee h vs beta Ec Kp if nargin 14 Kp 1 end if nargin 13 Ec 12 end if nargin 12 beta 50 end if nargin 11 vs 10e 03 end if nargin 10 h 1 2e 03 3 37e 4 100 27 1e 6 end if nargin 9 Zee 1e 05 end if nargin 8 Re3 3300 end if nargin 7 R4 47 end if nargin 6 R3 680 end if nargin 5 R2 2400 end if nargin 4 R1 4800 end if nargin 3 Re 68 end if nargin 2 Rc 560 end if nargin 1 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 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 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 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 End 运行结果 运行结果 Av Zi Zo V I vo amplif3 Av 3 5000 3 5000 Zi 1110 Zo 17 V 1 5426 3 8287 7 7480 I 7 7000 2 1000 vo 0 0346 0 0346 4 阻容耦合音频放大器的频率响应 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 绘出程序 得到输出参数 绘出阻容耦合音频放大器的幅阻容耦合音频放大器的幅 频特性和输入阻抗曲线 频特性和输入阻抗曲线 amplif4 m 的用法如下 的用法如下 H Zi amplif4 Cc C1 C2 Rb1 Rb2 Rc Re RL h Rs 输入函数 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 输出参数 H vo vs 放大器的转移函数 Zi 输入阻抗 程序 程序 function H Zi amplif4 Ce C1 C2 Rb1 Rb2 Rc Re RL h Rs if nargin 10 Rs 1e 03 end if nargin 9 h 1 2e 03 3 37e 4 50 27 1e 6 end if nargin 8 RL 6e 03 end if nargin 7 Re 1 5e 03 end if nargin 6 Rc 2e 03 end if nargin 5 Rb2 6e 03 end if nargin 4 Rb1 24e 03 end if nargin 3 C2 20e 06 end if nargin 2 C1 20e 06 end if nargin 1 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 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 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 frequency Hz ylabel Zi Ohm set gcf units pix pos 200 120 560 420 name Common Emitter Amplifer BBI2000 num off End 运行结果 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 26 28 30 32 34 36 requency Hz Av dB Avmax 35 6 dB 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 4000 2000 0 2000 4000 frequency Hz Zi Ohm 5 共发射极放大电路的高频频率响应 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 T f 跨导 S 26 mAIg cm 发射结电容 F Tmeb fgC 2 发射极交流电阻 mfeeb ghr 基区体积电阻 ebiebb rhr 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 程序 得到输出参数 绘出图形 amplif5 md 的用法如下的用法如下 H amplif5 Cc ft Ic Rb1 Rb2 Rc RL h Rs rbc 输入参数 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 输出参数输出参数 H vo vs 放大器的转移函数 程序程序 function H amplif5 Cc ft Ic Rb1 Rb2 Rc RL Rs h rbc if nargin 10 rbc 5e 06 end if nargin 9 h 1200 3 37e 4 50 27 1e 6 end if nargin 8 Rs 1e 03 end if nargin 7 RL 6e 03 end if nargin 6 Rc 2e 03 end if nargin 5 Rb2 6e 03 end if nargin 4 Rb1 24e 03 end if nargin 3 Ic 2 5 end if nargin 2 ft 100e 06 end if nargin 1 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 Rb2 Rb1 Rb2 RL1 1 hoe 1 Rc 1 RL ybe 1 rbe s Cc 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 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 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 Common Emitter Amplifier BBI2000 num off end 运行结果 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 20 10 0 10 20 30 frequency Hz Av db f3dB 9 44 MHz Av0 29 3dB 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 100 80 60 40 20 0 frequency Hz Phase ia 6 共基级放大电路的高频频率响应 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 0 a 1 00 fe h fe h 发射结电阻 e r m ga 0 发射结电容 e C 1 mC eb 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 be r cb r 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 程序 得到输出参数 绘出图形 amplifi6 m 的用法如下的用法如下 H amplif6 Cc ft Ic RL h Rs rc m 输入参数 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 输出参数 H vo vs 放大器的转移函数 程序 程序 function H Zi amplif6 Cc ft Ic RL