哈爾濱工程大學(xué)數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)七講訴

1、實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告課程名稱實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱實(shí)驗(yàn)類型實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)班級(jí)學(xué)號(hào)姓名指導(dǎo)教師實(shí)驗(yàn)室名稱實(shí)驗(yàn)時(shí)間實(shí)驗(yàn)成績(jī)預(yù)習(xí)部分實(shí)驗(yàn)過(guò)程表現(xiàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告部分總成績(jī)教師簽字日期實(shí)驗(yàn)七 小信號(hào)放大器性能分析與仿真 預(yù)習(xí)報(bào)告一、 實(shí)驗(yàn)名稱小信號(hào)放大器性能分析與仿真二、 實(shí)驗(yàn)要求仿真分析各種小信號(hào)放大器的結(jié)構(gòu)、參數(shù)及特性，要求合組討論、單獨(dú)實(shí)驗(yàn)，4學(xué)時(shí)。三、 實(shí)驗(yàn)原理小信號(hào)放大器是電子線路的重要組成部分之一，由于它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可以仿真小信號(hào)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。MATLAB的特點(diǎn)之一就是適合進(jìn)行線性代數(shù)運(yùn)算，因此無(wú)論在分析直流參數(shù)或分

2、析交流參數(shù)時(shí)，都可以采用基爾霍夫定律，即流入一個(gè)節(jié)點(diǎn)電流的代數(shù)和為零。這樣很容易建立起電路方程，然后采用矩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項(xiàng)參數(shù)。本次實(shí)驗(yàn)中要涉及到的電路有：晶體三極管的等效電路、共發(fā)射極放大電路、直接耦合放大電路、差分放大電路、阻容耦合音頻放大電路、共發(fā)射極放大電路和共基極放大電路。我們將學(xué)習(xí)它們的原理，并學(xué)習(xí)使用缺省參數(shù)或設(shè)定參數(shù)調(diào)試運(yùn)行amplif1.m程序，最后得到各輸出參數(shù)。amplif1.m函數(shù)的用法如下：Av,Zi,Zo,Ie,Vb,Vc,vo=amplif1(Rb1,Rb2,Rc,Re,RL,h,Rs,vs,beta,Ec,Kp)

3、;四、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、 學(xué)習(xí)晶體三極管電路的原理。2、 學(xué)習(xí)共發(fā)射極放大電路的原理，使用缺省參數(shù)或自己設(shè)定參數(shù)調(diào)試運(yùn)行amplif1.m程序，得到各輸出參數(shù)。3、 學(xué)習(xí)直接耦合放大電路的原理，使用缺省參數(shù)或自己設(shè)定的參數(shù)調(diào)試運(yùn)行amplif2.m程序，得到各輸出參數(shù)。4、 學(xué)習(xí)差分放大電路的原理，使用缺省參數(shù)或自己設(shè)定的參數(shù)調(diào)試運(yùn)行amplif3.m程序，得到各輸出參數(shù)。5、 學(xué)習(xí)阻容耦合音頻放大電路的原理，使用缺省參數(shù)或自己設(shè)定的參數(shù)調(diào)試運(yùn)行amplif4.m程序，得到各輸出參數(shù)。繪出阻容耦合音頻放大電路的幅頻特性和輸入阻抗曲線。6、 學(xué)習(xí)共發(fā)射極放大電路的高頻頻率響應(yīng)原理，使用缺省參數(shù)或自己

4、設(shè)定的參數(shù)調(diào)試運(yùn)行amplif5.m程序，得到各輸出參數(shù)。并繪出圖形。7、學(xué)習(xí)共基極放大電路的高頻頻率響應(yīng)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amplif6.m程序，得到各輸出參數(shù)。并繪出圖形。實(shí)驗(yàn)七 小信號(hào)放大器性能分析與仿真 實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、 實(shí)驗(yàn)原理小信號(hào)放大器是電子線路的重要組成部分之一，由于它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可以仿真小信號(hào)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。MATLAB的特點(diǎn)之一就是適合進(jìn)行線性代數(shù)運(yùn)算，因此無(wú)論在分析直流參數(shù)或分析交流參數(shù)時(shí)，都可以采用基爾霍夫定律，即流入一個(gè)節(jié)點(diǎn)電流的代數(shù)和為零。這樣很

5、容易建立起電路方程，然后采用矩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項(xiàng)參數(shù)。本次實(shí)驗(yàn)中要涉及到的電路有：晶體三極管的等效電路、共發(fā)射極放大電路、直接耦合放大電路、差分放大電路、阻容耦合音頻放大電路、共發(fā)射極放大電路和共基極放大電路。我們將學(xué)習(xí)它們的原理，并學(xué)習(xí)使用缺省參數(shù)或設(shè)定參數(shù)調(diào)試運(yùn)行amplif1.m程序，最后得到各輸出參數(shù)。amplif1.m函數(shù)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=hie hre;hfe hoe為晶體管的h參數(shù)，beta為晶體管的直

6、流放大系數(shù)，Ec為電源電壓，參數(shù)Kp=1表示硅管，Kp=2表示鍺管，vs為信號(hào)源的開路電壓輸出參數(shù)： Av 電壓放大倍數(shù)（V），Zi 輸入阻抗()，Zo 輸出阻抗()，Ie 集電極電流(mA)，Vb基極電壓（V）,Vc集電極電壓（V），Vo放大器輸出電壓（V）二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、 學(xué)習(xí)共發(fā)射極放大電路的原理，使用缺省參數(shù)或自己設(shè)定參數(shù)調(diào)試運(yùn)行amplif1.m程序，得到各輸出參數(shù)。首先編寫函數(shù)amplif1.m程序清單如下：function Av,Zi,Zo,Ie,Vb,Vc,vo=amplif1(Rb1,Rb2,Rc,Re,RL,h,Rs,vs,beta,Ec,Kp);if nargin<

7、;11;Kp=1;end; %缺省參數(shù) 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 nar

8、gin<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); %交流參數(shù)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);Z

9、o=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; %交流參數(shù)B=inv(A)*Ec Vbe'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;調(diào)用程序如下：clcAv,Zi,Zo,Ie,Vb,Vc,vo=amplif

10、1()仿真結(jié)果如圖：結(jié)果分析：以上為輸入程序后顯示的輸出結(jié)果，所用的都是缺省參數(shù)默認(rèn)值。得到的值是在默認(rèn)參數(shù)的設(shè)定下計(jì)算出的共發(fā)射極放大電路的各種指標(biāo)參數(shù)值。如上圖所示。2、 學(xué)習(xí)直接耦合放大電路的原理，使用缺省參數(shù)或自己設(shè)定的參數(shù)調(diào)試運(yùn)行amplif2.m程序，得到各輸出參數(shù)。實(shí)驗(yàn)講義第54頁(yè)圖3.8是一個(gè)典型的直接耦合放大電路，由3個(gè)晶體管組成，第一級(jí)為低噪聲放大，第二級(jí)為高增益放大，第三級(jí)為射隨器，整個(gè)放大器的電壓有負(fù)反饋電路決定，該電路具有較高的輸入阻抗和較低的輸出阻抗。首先編寫函數(shù)amplif2.m程序清單如下：functionAv,Zi,Zo,Vb,Ie,E=amplif2(Rb1

11、,Re1,Rc1,R1,R2,Rc2,Re3,Rf,h,vs,beta,Ec,Ed,Kp);%BBI 2000if 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 27.1e-6;end; if nargin<8;Rf=33e+03;end;if nargin<7;Re3=3.3e+03;end;if

12、 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

13、=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; %Av0 Av1 Av2 Av1*Av2Zo=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

14、*vs;if Kp=1;Vbe=.7;ns='Si'else;Vbe=.2;ns='Ge'endZ=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;I=round(I*1e+04)*.1;V=Re1*I1 (R1+R2)*I2 R

15、e3*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;調(diào)用程序如下：clcA,Zi,Zo,Vb,Ie,E=amplif2()仿真結(jié)果如圖：結(jié)果分析：以上為輸入程序后顯示的輸出結(jié)果，所用的都是缺省參數(shù)默認(rèn)值。得到的值是在默認(rèn)參數(shù)的設(shè)定下計(jì)算出的直接耦合放大器的各種指標(biāo)參數(shù)值。如上圖所示。3、學(xué)習(xí)差分放大電路的原理，使用缺省參數(shù)或自己設(shè)定的參數(shù)調(diào)試運(yùn)行amplif3.m程序，得到各輸出參數(shù)。在分析差分放大器交流參數(shù)的過(guò)程中，可忽略射隨輸入阻抗對(duì)前一級(jí)的影響，

16、這樣該放大器可用晶體管T1的基極，發(fā)射極和集電極；晶體管T2多的基極，發(fā)射極和集電極；晶體管T5的集電極，7個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)描述。T1的基極為放大器的輸入端，T2的基極在交流上是接地的，因此節(jié)點(diǎn)方程有5個(gè)，另外再加上兩個(gè)晶體管的基極電流方程一共得到7個(gè)方程，使用矩陣方法求解這些方程就可以得到差分放大器的各項(xiàng)交流參數(shù)。首先編寫函數(shù)amplif3.m程序清單如下：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=

17、12;end;if nargin<12;beta=50;end;if nargin<11;vs=10e-03;end;if nargin<10;h=1.2+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

18、;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+R

19、c*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

20、*(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;調(diào)用程序如下：clc;Av,Zi,Zo,V,I,vo=amplif3()仿真結(jié)果如圖：結(jié)果分析：如圖為在默認(rèn)參數(shù)的設(shè)定下計(jì)算出的差分放大器的指標(biāo)參數(shù)值。4、 學(xué)習(xí)阻容耦合音頻放大電路的原理，使用缺省參數(shù)或自己設(shè)定的參數(shù)調(diào)試運(yùn)行amplif4.m程序，得到各

21、輸出參數(shù)。繪出阻容耦合音頻放大電路的幅頻特性和輸入阻抗曲線。首先編寫函數(shù)amplif4.m程序清單如下：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

22、 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/R

23、b 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)

24、;semilogx(f,Av);grid;zoom xon;xlabel('frequency(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','

25、;pos',200,120,560,420,'name','Common Emitter Amplifer,BBI2000','num','off');調(diào)用程序如下：clc;H,Zi=amplif4()仿真結(jié)果如圖：結(jié)果分析：學(xué)習(xí)阻容耦合音頻放大電路的原理，使用缺省參數(shù)設(shè)定參數(shù)運(yùn)行amplif4程序，得到各輸出參數(shù)，繪出阻容耦合音頻放大器的幅頻特性和輸入阻抗曲線。運(yùn)行程序，得到輸出結(jié)果如上圖所示。5、 學(xué)習(xí)共發(fā)射極放大電路的高頻頻率響應(yīng)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amplif5.m程序，得到各輸出參數(shù)。并繪出

26、圖形。首先編寫函數(shù)amplif5.m程序清單如下：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 na

27、rgin<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*cbe;zc=1/(1/rbc+s*Cc);A=1 zc;gm 1/(1-gm*zc);A=1 Rs;0

28、 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:');gri

29、d;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)&

30、#39;);ylabel('Phase');set(gcf,'units','pix','pos',200,120,560,420,'name','Common Emitter Amplifier,BBI2000','num','off');調(diào)用程序如下：clc;H=amplif5()仿真結(jié)果如圖：結(jié)果分析：學(xué)習(xí)共發(fā)射極放大電路的高頻頻率原理，使用缺省參數(shù)設(shè)定參數(shù)運(yùn)行amplif4程序，得到各輸出參數(shù)，繪出共發(fā)射極放大電路的高頻頻率的幅頻特性和輸入阻抗曲線。運(yùn)行程序，

31、得到輸出結(jié)果如上圖所示。7、學(xué)習(xí)共基極放大電路的高頻頻率響應(yīng)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amplif6.m程序，得到各輸出參數(shù)。并繪出圖形。首先編寫函數(shù)amplif6.m程序清單如下：functionH=amplif6(Cc,ft,Ic,RL,Rs,h,rc,m);if nargin<8;m=0.2;end;if nargin<7;rc=5e+06;end;if nargin<6;h=1200 3.37e-4;50 27.1e-6;end;if nargin<5;Rs=1e+03;end;if nargin<4;RL=2e+03;end;if nar

32、gin<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);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+ze rbb*(1-a0)*zc+ze)+zc*ze;1 rbb+zc/(rbb+a0*zc);A=1 Rs;0 1*A*1 0;1/RL 1;H=1/A(1,1);b,a=numden(H);b=sym2poly(b);a=sym2poly(a);f=logspace(3,8,401