哈尔滨工程大学数字信号处理实验七讲诉.docx

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哈尔滨工程大学数字信号处理实验七讲诉

实验报告

课程名称

实验项目名称

实验类型

实验学时

班级

学号

姓名

指导教师

实验室名称

实验时间

实验成绩

预习部分

实验过程

表现

实验报告

部分

总成绩

教师签字

日期

实验七小信号放大器性能分析与仿真预习报告

一、实验名称

小信号放大器性能分析与仿真

二、实验要求

仿真分析各种小信号放大器的结构、参数及特性，要求合组讨论、单独实验，4学时。

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。

使用MATLAB可以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。

MATLAB的特点之一就是适合进行线性代数运算，因此无论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律，即流入一个节点电流的代数和为零。

这样很容易建立起电路方程，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项参数。

本次实验中要涉及到的电路有：

晶体三极管的等效电路、共发射极放大电路、直接耦合放大电路、差分放大电路、阻容耦合音频放大电路、共发射极放大电路和共基极放大电路。

我们将学习它们的原理，并学习使用缺省参数或设定参数调试运行amplif1.m程序，最后得到各输出参数。

amplif1.m函数的用法如下：

[Av,Zi,Zo,Ie,Vb,Vc,vo]=amplif1（Rb1,Rb2,Rc,Re,RL,h,Rs,vs,beta,Ec,Kp）;

四、实验内容

1、学习晶体三极管电路的原理。

2、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amplif1.m程序，得到各输出参数。

3、学习直接耦合放大电路的原理，使用缺省参数或自己设定的参数调试运行amplif2.m程序，得到各输出参数。

4、学习差分放大电路的原理，使用缺省参数或自己设定的参数调试运行amplif3.m程序，得到各输出参数。

5、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的参数调试运行amplif4.m程序，得到各输出参数。

绘出阻容耦合音频放大电路的幅频特性和输入阻抗曲线。

6、学习共发射极放大电路的高频频率响应原理，使用缺省参数或自己设定的参数调试运行amplif5.m程序，得到各输出参数。

并绘出图形。

7、学习共基极放大电路的高频频率响应原理，使用缺省参数或自己设定的参数调试运行amplif6.m程序，得到各输出参数。

并绘出图形。

实验七小信号放大器性能分析与仿真实验报告

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，由于它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可以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。

MATLAB的特点之一就是适合进行线性代数运算，因此无论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律，即流入一个节点电流的代数和为零。

这样很容易建立起电路方程，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项参数。

本次实验中要涉及到的电路有：

晶体三极管的等效电路、共发射极放大电路、直接耦合放大电路、差分放大电路、阻容耦合音频放大电路、共发射极放大电路和共基极放大电路。

我们将学习它们的原理，并学习使用缺省参数或设定参数调试运行amplif1.m程序，最后得到各输出参数。

amplif1.m函数的用法如下：

[Av,Zi,Zo,Ie,Vb,Vc,vo]=amplif1（Rb1,Rb2,Rc,Re,RL,h,Rs,vs,beta,Ec,Kp）;

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，参数Kp=1表示硅管，Kp=2表示锗管，vs为信号源的开路电压

输出参数：

Av电压放大倍数（V），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），Vo放大器输出电压（V）

二、实验内容

1、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amplif1.m程序，得到各输出参数。

首先编写函数amplif1.m

程序清单如下：

function[Av,Zi,Zo,Ie,Vb,Vc,vo]=amplif1（Rb1,Rb2,Rc,Re,RL,h,Rs,vs,beta,Ec,Kp）;

ifnargin<11;Kp=1;end;%缺省参数

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））;%交流参数

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=.6;ns='Si';else;Vbe=.2;ns='Ge';end;

A=[（Rb1+Rb2）/Rb2Rb1;1Rb+（1+beta）*Re];%交流参数

B=inv（A）*[EcVbe]';

Vb=B

（1）;Ib=B

（2）;Ie=（1+beta）*Ib;Vc=Ec-beta*Ib*Rc;

Vb=round（Vb*10）.*1;Vc=round（Vc*10）.*1;

Ie=round（Ie*1e+04）*.1;

调用程序如下：

clc

[Av,Zi,Zo,Ie,Vb,Vc,vo]=amplif1（）

仿真结果如图：

结果分析：

以上为输入程序后显示的输出结果，所用的都是缺省参数默认值。

得到的值是在默认参数的设定下计算出的共发射极放大电路的各种指标参数值。

如上图所示。

2、学习直接耦合放大电路的原理，使用缺省参数或自己设定的参数调试运行amplif2.m程序，得到各输出参数。

实验讲义第54页图3.8是一个典型的直接耦合放大电路，由3个晶体管组成，第一级为低噪声放大，第二级为高增益放大，第三级为射随器，整个放大器的电压有负反馈电路决定，该电路具有较高的输入阻抗和较低的输出阻抗。

首先编写函数amplif2.m

程序清单如下：

function[Av,Zi,Zo,Vb,Ie,E]=amplif2（Rb1,Re1,Rc1,R1,R2,Rc2,Re3,Rf,h,vs,beta,Ec,Ed,Kp）;

%BBI2000

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;8027.1e-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=Rc2/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;%[Av0Av1Av2Av1*Av2]

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;

ifKp==1;Vbe=.7;ns='Si';

else;Vbe=.2;ns='Ge';

end

Z=[Rb1+R2+（1+beta）*Re1-（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））/（Rc2+（1+beta）*Re3）;

I=[I1I2I3];I=round（I*1e+04）*.1;

V=[Re1*I1（R1+R2）*I2Re3*I3]+Vbe;

V=round（V/10）*.1;

Zi=round（Zi）;Zo=round（Zo）;Av=round（Av）;

E=[Ec,Ed];Vb=V;Ie=I;formatshort;

调用程序如下：

clc

[A,Zi,Zo,Vb,Ie,E]=amplif2（）

仿真结果如图：

结果分析：

以上为输入程序后显示的输出结果，所用的都是缺省参数默认值。

得到的值是在默认参数的设定下计算出的直接耦合放大器的各种指标参数值。

如上图所示。

3、学习差分放大电路的原理，使用缺省参数或自己设定的参数调试运行amplif3.m程序，得到各输出参数。

在分析差分放大器交流参数的过程中，可忽略射随输入阻抗对前一级的影响，这样该放大器可用晶体管T1的基极，发射极和集电极；晶体管T2多的基极，发射极和集电极；晶体管T5的集电极，7个节点来描述。

T1的基极为放大器的输入端，T2的基极在交流上是接地的，因此节点方程有5个，另外再加上两个晶体管的基极电流方程一共得到7个方程，使用矩阵方法求解这些方程就可以得到差分放大器的各项交流参数。

首先编写函数amplif3.m

程序清单如下：

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=[1.2+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;

调用程序如下：

clc;

[Av,Zi,Zo,V,I,vo]=amplif3（）

仿真结果如图：

结果分析：

如图为在默认参数的设定下计算出的差分放大器的指标参数值。

4、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的参数调试运行amplif4.m程序，得到各输出参数。

绘出阻容耦合音频放大电路的幅频特性和输入阻抗曲线。

首先编写函数amplif4.m

程序清单如下：

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（'frequency（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'）;

调用程序如下：

clc;

[H,Zi]=amplif4（）

仿真结果如图：

结果分析：

学习阻容耦合音频放大电路的原理，使用缺省参数设定参数运行amplif4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。

运行程序，得到输出结果如上图所示。

5、学习共发射极放大电路的高频频率响应原理，使用缺省参数或自己设定的参数调试运行amplif5.m程序，得到各输出参数。

并绘出图形。

首先编写函数amplif5.m

程序清单如下：

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*cbe;

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'）;

set（gcf,'units','pix','pos',[200,120,560,420],'name','CommonEmitterAmplifier,BBI2000','num','off'）;

调用程序如下：

clc;

[H]=amplif5（）

仿真结果如图：

结果分析：

学习共发射极放大电路的高频频率原理，使用缺省参数设定参数运行amplif4程序，得到各输出参数，绘出共发射极放大电路的高频频率的幅频特性和输入阻抗曲线。

运行程序，得到输出结果如上图所示。

7、学习共基极放大电路的高频频率响应原理，使用缺省参数或自己设定的参数调试运行amplif6.m程序，得到各输出参数。

并绘出图形。

首先编写函数amplif6.m

程序清单如下：

function[H]=amplif6（Cc,ft,Ic,RL,Rs,h,rc,m）;

ifnargin<8;m=0.2;end;

ifnargin<7;rc=5e+06;end;

ifnargin<6;h=[12003.37e-4;5027.1e-6];end;

ifnargin<5;Rs=1e+03;end;

ifnargin<4;RL=2e+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）;a0=hfe/（1+hfe）;

gm=Ic/26;hfe=min（[hfe.95*hie*gm]）;

re=a0/gm;rbb=hie-hfe/gm;

cbe=gm/（2*pi*ft）;Ce=cbe/（1+m）;

ze=1/（1/re+s*Ce）;zc=1/（1/rc+s*Cc）;

A=[rbb+zerbb*（（1-a0）*zc+ze）+zc*ze;1rbb+zc]/（rbb+a0*zc）;

A=[1Rs;01]*A*[10;1/RL1];

H=1/A（1,1）;[b,a]=numden（H）;b=sym2poly（b）;a=sym2poly（a）;