小信号放大器性能分析与仿真

1、 小信号放大器性能分析与仿真一 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。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，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h参数的等效电路如图(a)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。共发射极的h参数与各电压电流的关系为。共基极t型高频等效电路如图(b)

2、所示，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如图(c)所示，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

3、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。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

4、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抗和较低的输出阻抗。4. 差分放大器 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。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如下图

5、，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。6. 共发射极放大电路的高频频率响应分析共发

6、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，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 (s)发射结电容 （f）发射极交流电阻 （）基区体积电阻 （）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： 于是有 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

7、比较小，同时其特征频率也要高一些，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。7. 共基极放大电路的高频频率响应分析共基极放大电路的高频响应，晶体管应该采用共基极t型高频等效电路，这样整个共基极放大器的高频等效电路如下图，其参数可有混合型高频等效电路的参数和低频h参数折算出来。共基极交流放大系数 发射结电阻 发射结电容 对于均匀基区晶体管 m=0.2，对于扩散性基区晶体管m=0.4集电极交流电阻 分析共基极放大电路仍可使用a矩阵的方法。晶体管共基极等效电路的a矩阵可以有以下的方程组求出： 于是

8、有 2 实验内容学习其原理，使用缺省参数或自己设定的参数调试运行amplif（）.m程序，得到各输出参数。3 实验程序及结果分析2. 共发射极放大电路function av,zi,zo,ie,vb,vc,vo=amplif1(rb1,rb2,rc,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

9、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*rb/(zi+rb);vb=vs*z1/(z1+rs);ib=vb/zi;ro=1/h(2,2);ic=h(2,1)*

10、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;vb=b(1);ib=b(2);ie=(1+beta)*ib;vc=ec-beta*ib*rc;vb=round(vb

11、*10)*.1; vc=round(vc*10)*.1;ie=round(ie*1e+04)*.1;程序运行结果 ans = -61.30003. 直接耦合放大器function av,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=

12、1.2e+03 3.37e-4;80 27.1e-6;end;if nargin8; rf=33e+03;end;if nargin7; re3=3.3e+03;end;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=h

13、oe+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*rc*ib2/(rc+hie);zo=abs(zo);b=re1/(rf+re1);f=1+av0*b;av=av0

14、/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(2);i3=(1+beta)*(ec-vbe-rc2*beta*ib(2)/(rc2+(1+beta)*re3);i=i1 i2 i3

15、;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;程序运行结果ans = 331 1275039 -10 -1256114. 差分放大器functionav,zi,zo,v,i,vo=amplif3(rb,rc,re,r1,r2,r3,r4,re3,zee,h,vs,beta,ec,kp);%usage:functionav,zi,zo,v,i,vo=amplif3(rb

16、,rc,re,r1,r2,r3,zee,h,vs,beta,ec%,kp);%amplif3(4700,6.8e+03,68,40e+03,20e+03,680,47,2200);%bbi 2000if 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; %hie hre;hfe hoe endif nargin9; zee=1e+05;end;if nargin8; re

17、3=3300;end;if nargin7; r4=47;end;if nargin6; 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); 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*h

18、oe) -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

19、(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;程序运行结果error: file: c:matlab7wor

20、klesson7amplif3.m line: 52 column: 54this statement is incomplete.5. 阻容耦合音频放大器的频率响应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;end;if nargin7; re=1.5e+03;end;if nargin6; rc=2e+03;end;if nargin5; rb2

21、=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=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/

22、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

23、);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,units,pix,pos,200,120,560,420,name,common emitter amplifer,bbi2000,num,off);程序运行结果6. 共发射极放大电路的高频频率响应

24、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 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 n

25、argin1; 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*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)

26、;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(requency(hz);ylabel(av(db);tstr=f_3_d_b= num2str(round(

27、f3db*1e-04)*.01) (mhz);tstr=tstr blanks(6) av_0= num2str(round(avm*10)*.01) db;title(tstr);subplot(212);semilogx(f,angle(h)*180/pi-180);grid;xlabel(requency(hz);ylabel(phase(!a);set(gcf,units,pix,pos,200,120,560,420,name,common emitter amplifer,bbi2000,num,off);程序运行结果7. 共基射极放大电路的高频频率响应function h,zi=amplif6(cc,ft,ic,rl,rs,h,rc,m);if nargin8; m=0.2;end;if nargin7; rc=5e+06;end;if nargin6; h=1200 3.37e-4;50 27.1e-6;end;if nargin5; rs=1e+03;end;i