Multisim溫度掃描分析在模擬電子技術(shù)的應(yīng)用

孫正鳳，井娥林

（南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院，江蘇 泰州 225300）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用和普及，EDA（Electronic Design Automation）技術(shù)逐漸產(chǎn)生并日趨完善。EDA技術(shù)效率高、周期短、應(yīng)用范圍廣，已成為當(dāng)今電子電路分析和設(shè)計(jì)的主流手段和技術(shù)潮流[1-3]。在眾多的電路仿真軟件中，Multisim以其界面友好，功能強(qiáng)大和容易使用而倍受高校電類(lèi)專(zhuān)業(yè)師生和工程技術(shù)人員的青睞。該軟件集電路設(shè)計(jì)和功能測(cè)試于一件，為設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)功能強(qiáng)大，儀器齊全的虛擬電子工作平臺(tái)。設(shè)計(jì)者可以利用大量的虛擬電子元器件和儀器儀表，搭建虛擬實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行模擬電路、數(shù)字電路、自動(dòng)控制、單片機(jī)和射頻電子線(xiàn)路的仿真和調(diào)試[4]。

模擬電子技術(shù)是電類(lèi)專(zhuān)業(yè)一門(mén)技術(shù)應(yīng)用性較強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，在整個(gè)專(zhuān)業(yè)課程體系中占有十分重要的位置。模擬電子技術(shù)強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐相結(jié)合，著眼于解決復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題，具有很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)性和應(yīng)用性。傳統(tǒng)教學(xué)方式普遍采用理論教學(xué)為主，實(shí)踐為輔的形式，教師授課以分立元件和單元電路為主，側(cè)重理論的分析和公式的推導(dǎo)，缺乏一定的專(zhuān)業(yè)背景和系統(tǒng)的綜合應(yīng)用，無(wú)法將電子電路實(shí)現(xiàn)的功能和現(xiàn)象生動(dòng)直觀的呈現(xiàn)在學(xué)生的眼前，學(xué)生普遍感覺(jué)模擬電子技術(shù)課程抽象、難懂，漸漸失去學(xué)習(xí)積極性、學(xué)習(xí)興趣。 如果在課堂授課中引入Multisim仿真技術(shù)，通過(guò)仿真分析得到的圖表使學(xué)生直觀地看到電路參數(shù)改變對(duì)電路性能的影響，再結(jié)合理論講解就可以達(dá)到事半功倍的效果，有助于學(xué)生更快掌握知識(shí)點(diǎn)。

1 Multisim溫度掃描分析

由于半導(dǎo)體材料的熱敏性，三極管的電流放大系數(shù)β、發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓UBE、穿透電流ICEO等參數(shù)都是溫度的函數(shù)[5-6]。所以溫度變化對(duì)由半導(dǎo)體器件組成的電子電路性能的影響是不可忽視的，這也是模擬電子技術(shù)中分析和設(shè)計(jì)電路時(shí)經(jīng)常要考慮的問(wèn)題。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行溫度變化對(duì)電路性能的測(cè)試，需要把電子電路實(shí)物放入烘箱內(nèi)，進(jìn)行實(shí)際溫度條件測(cè)試，這種方法不僅費(fèi)時(shí)、而且成本較高[7]。

Multisim溫度掃描分析就是模擬環(huán)境溫度變化時(shí)電路性能指標(biāo)的變化情況[8]。通過(guò)設(shè)置溫度的變化范圍，不僅可以對(duì)電路的靜態(tài)工作點(diǎn)進(jìn)行分析，結(jié)果將顯示不同的溫度環(huán)境下，電路中各節(jié)點(diǎn)的電壓值，各電阻上的電壓、電流值，半導(dǎo)體器件的靜態(tài)工作點(diǎn)等數(shù)據(jù)；還可以對(duì)電路進(jìn)行瞬態(tài)分析和交流小信號(hào)分析，即對(duì)所選定的電路節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)域響應(yīng)分析和頻域響應(yīng)分析，觀察每一時(shí)刻的電壓波形和電路的頻率特性曲線(xiàn)。

2 應(yīng)用案例

2.1 單管共射電路中的溫度掃描分析

影響靜態(tài)工作點(diǎn)（Q點(diǎn)）穩(wěn)定性的因素很多，例如溫度變化、電源電壓的波動(dòng)、管子老化等，其中最主要的因素是溫度變化的影響。圖1為固定偏流式共射極放大電路。當(dāng)溫度變化時(shí)，影響放大器的靜態(tài)工作的三極管的參數(shù)有3個(gè)：ICBO（一般溫度升高 10℃增加一倍）；VBE（一般為－2.5 mV/℃）；β（一般 β 相對(duì)變化為（0.5～1%）/℃）[9]。 溫度升高時(shí)，晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)增大；ICQ（=βIBQ+（β+1）ICBO）增大；VCEQ（=VCC－ICQRC）減小，因此該電路的靜態(tài)工作點(diǎn)不穩(wěn)定。

圖1 固定偏流式共射極放大電路Fig.1 Fixed bias type common-emitter amplifier

為了研究溫度的變化對(duì)該電路靜態(tài)工作點(diǎn)的影響，利用Multisim的溫度掃描分析進(jìn)行直流工作點(diǎn)分析，將測(cè)量探針?lè)胖糜诮Y(jié)點(diǎn)2處，將溫度設(shè)置為0～200℃之間，步長(zhǎng)為40℃的6個(gè)不同溫度值，在輸出選項(xiàng)卡中將輸出電路變量設(shè)置為V（探針），I（探針）（即晶體管的 VCE和 IC），經(jīng)過(guò)仿真分析得到 6組不同溫度下的晶體管的VCE和IC值，并導(dǎo)出到Excel中繪制出VCE和IC值隨溫度變化的散點(diǎn)圖如圖2中“▲”所示。由圖2可見(jiàn)，隨著溫度的升高，VCE減小，IC增大，晶體管的Q點(diǎn)在輸出特性曲線(xiàn)圖中向左上方（即飽和區(qū)）移動(dòng)，與分析結(jié)果一致。

圖2 VCE和IC隨溫度變化曲線(xiàn)圖Fig.2 Scatter diagramof VCE and IC with the change of temperature

同時(shí)，利用Multisim的溫度掃描分析進(jìn)行瞬態(tài)分析，仍將溫度設(shè)置為0℃～200℃之間，步長(zhǎng)為40℃的6個(gè)不同溫度值，在輸出選項(xiàng)卡中將輸出電路變量設(shè)置為V（5）（即負(fù)載RL上獲得的輸出電壓），得到6組輸出波形圖，如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，在輸入信號(hào)保持不變的情況下，隨著溫度的升高，由于Q點(diǎn)的相應(yīng)移動(dòng)，晶體管更容易進(jìn)入飽和區(qū)工作，在200℃時(shí)輸出波形出現(xiàn)了明顯的飽和失真。

圖3 不同溫度下輸出電壓波形圖Fig.3 Output voltage waveform under different temperature

2.2 負(fù)反饋電路中的溫度掃描分析

在低頻放大電路中引入適當(dāng)負(fù)反饋會(huì)使放大器多方面的性能得以改善，如提高靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定性和放大器增益的穩(wěn)定性，展寬通頻帶，減少非線(xiàn)性失真，抑制干擾和噪聲，改變輸入電阻和輸出電阻等。 所以在各種電子設(shè)備中，人們常常引入負(fù)反饋來(lái)改善電路的性能，以達(dá)到實(shí)際工作中的技術(shù)指標(biāo)。

在討論負(fù)反饋對(duì)電路穩(wěn)定性的影響時(shí)，可以利用Multisim的溫度掃描分析來(lái)進(jìn)行。圖4所示分壓式射極偏置共射放大電路，與圖1所示電路相比，該電路利用射極電阻RE引入交直流電流串聯(lián)負(fù)反饋。

圖4 分壓式射極偏置共射放大電路Fig.4 Voltage divider emitter bias type common－emitter amplifier

利用Multisim的溫度掃描分析進(jìn)行該電路直流工作點(diǎn)分析，仍將測(cè)量探針?lè)胖糜诮Y(jié)點(diǎn)2處，將溫度設(shè)置為0℃～200℃之間，步長(zhǎng)為40℃的6個(gè)不同溫度值，在輸出選項(xiàng)卡中將輸出電路變量設(shè)置為V（探針），I（探針）（即晶體管的VCE和IC），經(jīng)過(guò)仿真分析得到6組不同溫度下的晶體管的VCE和IC值，并導(dǎo)出到Excel中，繪制出VCE和IC值隨溫度變化的散點(diǎn)圖，如圖2中“■”所示。由圖2可見(jiàn)，引入負(fù)反饋以后，Q點(diǎn)的穩(wěn)定性大大提高。

同樣，利用Multisim的溫度掃描分析進(jìn)行瞬態(tài)分析，得到同樣溫度變化下6組輸出波形圖，如圖5所示。由圖5可見(jiàn)，在輸入信號(hào)保持不變的情況下，盡管溫度不斷升高，由于Q點(diǎn)比較穩(wěn)定，輸出波形基本沒(méi)有變化，比較穩(wěn)定。

圖5 不同溫度下輸出電壓波形圖Fig.5 Output voltage waveform under different temperature

2.3 差分放大電路中的溫度掃描分析

直接耦合式放大電路中各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)是相互影響的，當(dāng)輸入短路時(shí) （由于一些原因使輸入級(jí)的Q點(diǎn)發(fā)生微弱變化），經(jīng)過(guò)各級(jí)的放大作用，輸出電壓偏離起始值并隨時(shí)間做無(wú)規(guī)則地緩慢變化，這樣就形成了零點(diǎn)漂移。產(chǎn)生零點(diǎn)漂移的原因很多，如電源電壓不穩(wěn)、元器件參數(shù)變值、環(huán)境溫度變化等。其中最主要的因素是溫度的變化。

差分放大電路利用電路結(jié)構(gòu)和電路參數(shù)的對(duì)稱(chēng)性，能有效地抑制零點(diǎn)漂移，廣泛應(yīng)用于多級(jí)直接耦合放大電路的輸入級(jí)，也是集成運(yùn)算放大電路的重要組成部分[10]。利用Multisim的溫度掃描分析可以很好地研究差分放大電路抑制零點(diǎn)漂移的性能。圖6所示電路為長(zhǎng)尾式差分放大電路。將該電路的兩個(gè)輸入端口I01、I02分別接地，進(jìn)行溫度掃描直流工作點(diǎn)分析，將溫度設(shè)置為0～200℃之間，步長(zhǎng)為40℃的6個(gè)不同溫度值，在輸出選項(xiàng)卡中將輸出電路變量設(shè)置為V（1）和V（2），經(jīng)過(guò)仿真分析得到6組不同溫度下電路的結(jié)點(diǎn)1和結(jié)點(diǎn)2的電位值，如圖7所示。由圖7可以看出，不管溫度如何變化，兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的電位值始終相等，負(fù)載RL上得到的輸出電壓均為0，即所謂的“0輸入，0輸出”，很好的抑制了零點(diǎn)漂移現(xiàn)象的產(chǎn)生。

圖6 差分放大電路Fig.6 Differential amplifier

3 結(jié)束語(yǔ)

圖7 結(jié)點(diǎn)1和結(jié)點(diǎn)2的電位值Fig.7 Potential value of node1 and node2

在教學(xué)過(guò)程中引入Multisim仿真軟件，并利用溫度掃描分析，可以使模擬電子技術(shù)中關(guān)于電路穩(wěn)定性的討論分析，由抽象變?yōu)榫唧w，將復(fù)雜的理論分析簡(jiǎn)單化，激發(fā)了學(xué)生的求知欲望和學(xué)習(xí)積極性，因此教師應(yīng)該在注重基礎(chǔ)課程知識(shí)教學(xué)的同時(shí)，應(yīng)加入EDA仿真分析技術(shù)，更加注重學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)，激發(fā)他們對(duì)實(shí)踐操作的興趣，從而提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

[1]張新喜.Multisim10仿真與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[2]盧艷紅.基于Multisim 10的電子電路設(shè)計(jì)、仿真與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[3]聶典，丁偉.Multisim10計(jì)算機(jī)仿真在電子電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[4]石嘉順.基于Multisim環(huán)境下的電路設(shè)計(jì)與仿真[J].計(jì)算機(jī)仿真，2007，24（12）:306－308.SHI Jia-shun.Design&simulation of the circuit based on Multisim[J].Computer Simulation，2007，24（12）:306－ 308.

[5]郝寧眉，李芳.雙極型晶體管溫度特性的Multisim.仿真研究[J].儀表技術(shù)與傳感器，2010（4）:81－83.HAO Ning-mei，LI Fang. Research on temperature characteristics of bipolar transistors based on Multisim[J].Instrument Technique and Sensor，2010（4）:81－83.

[6]曹鴻霞，冒曉莉，張加宏.Multisim10在單管共射放大電路中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（14）:169－172.CAO Hong－xia，MAO Xiao－li，ZHANG Jia－h(huán)ong.Application ofMultisim10 in single transistoramplifier[J].Modern Electronics Technique，2011，34（14）:169－172.

[7]熊偉，侯傳教，梁青.Multisim7電路設(shè)計(jì)及仿真應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[8]張選，盧超.Multisim中溫度掃描仿真分析應(yīng)用[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2010（5）:1－2.ZHANG Xuan，LU Chao.Application of Multisim temperature sweep analysis[J].China New Technologies and Products，2010（5）:1－2.

[9]周淑閣.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社，2005.