小信號放大器性能分析與仿真

1、 小信號放大器性能分析與仿真一 實(shí)驗(yàn)原理 小信號放大器是電子線路的重要組成部分之一，由于他工作在晶體管的線性區(qū)域之內(nèi)，因此又稱為線性放大器。使用matlab可仿真小信號放大器的各種參數(shù)，如電壓增益，輸入阻抗，輸出阻抗，頻率響應(yīng)等等。1 晶體三極管的等效電路常見的晶體三極管等效電路有：低頻h參數(shù)，共基極t型高頻等效電路，混合型高頻等效電路，他們通常用于分析各種小信號晶體管放大器的特性。共發(fā)射極h參數(shù)的等效電路如圖(a)所示，它適用于對低頻放大器進(jìn)行分析。另外，還存在著一種簡化的h參數(shù)等效電路，其中忽略晶體管內(nèi)部的電壓反饋系數(shù)。共發(fā)射極的h參數(shù)與各電壓電流的關(guān)系為。共基極t型高頻等效電路如圖(b)

2、所示，適用于共基極高頻放大電路進(jìn)行分析，工作頻率可達(dá)100mhz以上。混合型高頻等效電路如圖(c)所示，適用于分析共發(fā)射極的高頻發(fā)達(dá)電路。在較寬的頻率范圍之內(nèi)，等效電路的參數(shù)和工作頻率無關(guān)。另外還存在著簡化的混合型高頻等效電路，其中和處于開路狀態(tài)。2 共發(fā)射極放大電路共發(fā)射極放大電路是一種使用的最為廣泛的放大電路形式，其特點(diǎn)是電壓增益和電流增益都比較高。自定義m函數(shù)amplifl.m用來仿真共發(fā)射極放大電路，使用它可以計(jì)算該放大器的的智力參數(shù)和交流參數(shù)。該放大器的電路如下圖。matlab的特點(diǎn)之一就是適合進(jìn)行線性代數(shù)運(yùn)算，因此午在分析直流參數(shù)或分析交流參數(shù)時，都可以采用基爾霍夫定理，然后采用矩

3、陣求逆的方式求出電壓和電流的具體數(shù)值，進(jìn)一步便可得到該放大器的各種參數(shù)。在分析共發(fā)射極放大的交流參數(shù)時，采用的晶體管模型是低頻h參數(shù)等效電路。一般來說，每個晶體管都可以用三個節(jié)點(diǎn)來表示，他們分別是基極集電極和發(fā)射極。在計(jì)算交流參數(shù)過程中，忽略各電容器的容抗。3. 直接耦合放大器 在兩個或三個晶體管之間進(jìn)行直接耦合的放大器稱為直接耦合放大器，他多用作音響系統(tǒng)中的前置放大器，錄音機(jī)內(nèi)的磁頭放大器。直接耦合放大器的主要特點(diǎn)是工作點(diǎn)穩(wěn)定，電壓增益高，下圖是一個典型的直接耦合放大電路，它有三個晶體管構(gòu)成，第一級為低噪聲放大，第二級為高增益放大，第三極為射隨器，整個放大器的電壓增益由負(fù)反饋電路確定。由于采

4、用了串聯(lián)電壓負(fù)反饋，同時又使用了射隨器，因此該電路具有較高的輸入阻抗和較低的輸出阻抗。4. 差分放大器 差分放大器又稱差動放大器，由于它比較好的解決了零點(diǎn)飄逸問題，因此多作為直流放大器來使用。差動放大器有兩個輸入端口和兩個輸出端口，于是可以分為兩端輸入兩端輸出，兩端輸入和一端輸出，一段輸入兩端輸出，一端輸入一端輸出等幾種形式。下圖是一種單端輸入雙端輸出的差分放大器，是模擬衛(wèi)星接收機(jī)內(nèi)的視頻放大器，為了降低輸出阻抗使用了射隨器，為了穩(wěn)定工作點(diǎn)，使用了晶體管t5做恒流源，另外恒流源的交流阻抗是相當(dāng)大的，這樣有利于改善差分放大器的特性。5. 阻容耦合音頻放大器的頻率響應(yīng)阻容耦合音頻放大器的電路如下圖

5、，自定義m函數(shù)amplif1.m在分析該放大器交流參數(shù)時未考慮電容之間的容抗，而分析電路的頻率響應(yīng)時不能忽略各個電容的影響。由于音頻的頻率范圍在20-20000hz之間，因此在分析音頻放大器時可以采用低頻h參數(shù)，同時忽略晶體管內(nèi)部的反饋，于是阻容耦合音頻放大器是一個電型的兩端口網(wǎng)絡(luò)，分析其特性時使用a參數(shù)較為方便將晶體管h參數(shù)轉(zhuǎn)化為z參數(shù)后，考慮到發(fā)射機(jī)的電阻和電容，這相當(dāng)是兩個串聯(lián)的兩端口網(wǎng)絡(luò).即總的z參數(shù)之和，然后再將z參數(shù)轉(zhuǎn)化成a參數(shù)。這樣就可以使用t型網(wǎng)絡(luò)a參數(shù)相乘的方式求出整個等效電路的a參數(shù)，進(jìn)一步即可得到其幅頻特性，相頻特性和輸入阻抗。6. 共發(fā)射極放大電路的高頻頻率響應(yīng)分析共發(fā)

6、射極放大電路的高頻頻率響應(yīng)，晶體管應(yīng)該采用混合型高頻等效電路，這樣整個共發(fā)射極放大器的高頻等效電路如下圖。表征一個晶體管高頻工作特性的參數(shù)主要有：特征頻率，集電極電容cc，集電極工作電流ic，其他參數(shù)可有上述參數(shù)和低頻h參數(shù)得到。 跨導(dǎo) (s)發(fā)射結(jié)電容 （f）發(fā)射極交流電阻 （）基區(qū)體積電阻 （）集電極交流電阻的數(shù)值通常在1m以上。由于共發(fā)射極放大電路為兩端口網(wǎng)絡(luò)，故分析其特性使用a參數(shù)是非常方便的。晶體管等效電路中b和c之間的a矩陣可以有以下的方程組求出： 于是有 為了提高阻容阻容耦合放大器的上限工作頻率，應(yīng)該采用高頻晶體管，高頻晶體管hie參數(shù)值要小一些，約在500左右，因此其基極電阻也

7、比較小，同時其特征頻率也要高一些，一般在400mhz 以上；另外，減小晶體管的工作電流，降低放大器的負(fù)載阻抗，降低信號原的內(nèi)阻也可以在一定程度上提高阻容耦合放大電路的上線工作頻率。7. 共基極放大電路的高頻頻率響應(yīng)分析共基極放大電路的高頻響應(yīng)，晶體管應(yīng)該采用共基極t型高頻等效電路，這樣整個共基極放大器的高頻等效電路如下圖，其參數(shù)可有混合型高頻等效電路的參數(shù)和低頻h參數(shù)折算出來。共基極交流放大系數(shù) 發(fā)射結(jié)電阻 發(fā)射結(jié)電容 對于均勻基區(qū)晶體管 m=0.2，對于擴(kuò)散性基區(qū)晶體管m=0.4集電極交流電阻 分析共基極放大電路仍可使用a矩陣的方法。晶體管共基極等效電路的a矩陣可以有以下的方程組求出： 于是

8、有 2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容學(xué)習(xí)其原理，使用缺省參數(shù)或自己設(shè)定的參數(shù)調(diào)試運(yùn)行amplif（）.m程序，得到各輸出參數(shù)。3 實(shí)驗(yàn)程序及結(jié)果分析2. 共發(fā)射極放大電路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;程序運(yùn)行結(jié)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;程序運(yùn)行結(jié)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;程序運(yùn)行結(jié)果error: file: c:matlab7wor

20、klesson7amplif3.m line: 52 column: 54this statement is incomplete.5. 阻容耦合音頻放大器的頻率響應(yīng)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);程序運(yùn)行結(jié)果6. 共發(fā)射極放大電路的高頻頻率響應(yīng)

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);程序運(yùn)行結(jié)果7. 共基射極放大電路的高頻頻率響應(yīng)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