Multisim和Excel在二極管特性研究中的應用

陳慶平，江有永

(浙江水利水電?？茖W校，浙江杭州 310018)

0 引言

Multisim是美國國家儀器公司(National Instruments)發(fā)布的交互式SPICE仿真和電路分析的軟件，專門用于原理圖捕獲、交互式仿真、PCB設計和集成測試［1-3］.對于電子工作者來說，能擁有自己的一間實驗工作室，是一個夢寐以求的夙愿和奢求.Multisim軟件具有種類豐富的電子元器件，品種齊全的虛擬儀器，現(xiàn)在能夠掌握和應用Multisim軟件就相當于擁有了一個具有世界先進水平的實驗室，可以隨意在虛擬仿真的電子平臺上搭建電路進行實驗，自由的在電子世界翱翔，盡情的在電子技術淵深的海洋中探索.

二極管是電子電路中最基本的電子元件，使用最為廣泛，認識和掌握二極管的特性是分析電子電路的一個前提，是二極管能學以致用的一個必要條件，同時也是分析其他的電子元件和電子電路的基礎.本文克服傳統(tǒng)二極管實驗中繁瑣、費時、特性曲線繪制不準等缺陷，通過Multisim軟件對二極管特性進行便捷而形象的仿真測試，應用Excel軟件對測試結果進行精準的曲線擬合和顯示.

1 二極管特性的仿真與分析

1.1 理論分析

二極管的伏安特性表達式為:

其中:I—流過PN結的電流;

U—外加電壓;

Is—反向飽和電流;

UT—溫度的電壓當量，當T=300 K時，近似取UT=26 mV來進行分析和計算［4-5］.

當外加正向電壓U比UT大數(shù)倍時，eU/UT?1，于是I≈IseU/UT，即正向電流隨正向電壓的增大按指數(shù)規(guī)律迅速增大.

當外加反向電壓時，|U|比UT大數(shù)倍時，eU/UT?1，于是I≈-Is，即加反向電壓時.二極管只流過很小的反向飽和電流.當加到二極管上的反向電壓增大到某個數(shù)值時，反向電流急劇增加，這種現(xiàn)象稱為二極管的反向擊穿.

1.2 仿真設計

進行二極管特性測試的仿真電路見圖1，采用外接電流表的方式進行測試，包括2V的電壓源V1、電位器R1、電流表A1、電壓表U1和二極管D1組成，電位器R1接電壓源V1進行分壓處理，電位器R1的阻值可調，如果按下鍵盤“A”鍵，可使電位器R1的百分比數(shù)值會減小，相當于電位器的觸頭向上移動，阻值就會減小，如果同時按下電腦鍵盤“Shift”和“A”鍵，可使電位器R1的百分比數(shù)值增大，相當于電位器的觸頭向下移動，阻值增大.通過改變電位器R1的阻值來調節(jié)二極管D1兩端的電壓，這是一種比較方便和快捷的調整電壓大小的方法.

圖1 仿真電路

分別將電位器R1的百分比數(shù)值調節(jié)為表1所示數(shù)據(jù)，進行仿真測試，觀察并記錄電壓表U1和電流表A1的示值，將它們填入表1.

表1 二極管伏安特性仿真測試數(shù)據(jù)

1.3 仿真結果

得到測試數(shù)據(jù)后，二極管特性分析的傳統(tǒng)實驗方法是用手工的方法繪制出伏安特性曲線，這樣做既費工又費時，更致命的是準確性不高，會對我們的直觀效果產(chǎn)生負面的影響，產(chǎn)生誤導，為了避免此類問題的發(fā)生，本文采用大家常用的Excel軟件對仿真測試數(shù)據(jù)進行處理，運用擬合方法繪制出二極管的伏安特性曲線.把表1中的仿真測試數(shù)據(jù)按順序錄入Excel表格中，見圖2.

選取二極管兩端電壓及對應電流的數(shù)據(jù)，即Excel表格中的B3-B19和C3-C19，依次按照“插入”、“圖表”、“標準”、“XY 散點圖”、“無數(shù)據(jù)點平滑線散點圖”等進行操作［6-7］，設置為時行顯示方式，就可以得到二極管特性的擬合曲線，見圖3.

2 仿真結果分析

從圖2中的仿真測試數(shù)據(jù)和圖3中的擬合曲線可以發(fā)現(xiàn)，加在二極管兩端的電壓與二極管兩端流過的電流不成正比，它的伏安特性曲線也并非一條直線，它表明二極管是非線性元件.

從圖3中的二極管特性參數(shù)擬合曲線可以發(fā)現(xiàn)，當加在二極管兩端的電壓比較小，在0～0.5 V之間時，流過二極管的電流是非常小的，特別是在0～0.3 V之間時，所對應流過二極管的電流，用同一比例(傳統(tǒng)的特性曲線中的正向和反向曲線是使用的不同比例)擬合出來的特性曲線，從視覺上看不出電流的變化，可以近視的認為為流過二極管的電流為零，此時看作二極管處于截止狀態(tài).

但從圖2仿真測試數(shù)據(jù)上看，還可以發(fā)現(xiàn)另一規(guī)律，當加在二極管兩端的電壓在0～0.5 V之間時，流過二極管的電流又是在隨著二極管兩端的電壓增大而呈現(xiàn)緩慢增大的趨勢.

研究圖2測試數(shù)據(jù)和圖3擬合曲線可以發(fā)現(xiàn)，當加在二極管兩端的電壓＞0.5 V以后，流過二極管的電流會就隨著二極管兩端的電壓增大而迅速增大，但不成線性正比，0.5 V電壓為此1N4001型整流二極管的開啟電壓.

使用此測試方案還可以進一步對二極管的反向伏安特性進行實驗和研究.

3 結語

使用Multisim對二極管的特性進行仿真實驗，實驗數(shù)據(jù)非常接近傳統(tǒng)的實物實驗操作的效果，由以上分析可知，仿真測試結果與理論分析一致，Multisim中各元器件選擇范圍廣，參數(shù)的設定和修改也很方便，不會象實物實驗操作那樣多次焊接元件會損壞元件和印刷電路板，而仿真實驗使電路調試變得快捷方便.在Multisim對二極管的特性進行測試仿真實驗，用Excel對測試數(shù)據(jù)進行曲線擬合和顯示，在此實踐過程中，可以得到一一對應的二極管兩端的電壓和流過二極管的電流的數(shù)據(jù)，使我們對二極管特性有一個數(shù)字量的概念認識.同時我們還得到一準確的二極管特性參數(shù)擬合曲線，使我們對二極管特性有一個形象的概念認識，更加深了我們對二極管特性的認識和了解.

［1］黃培根，任清褒.Multisim10計算機虛擬仿真實驗室［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008:106-112.

［2］崔文華.Multisim10在高頻電子電路實驗中的應用［J］.實驗室科學，2009(6):92-94.

［3］李 端，艾永樂.二極管非線性模型分析及其諧波產(chǎn)生仿真［J］.工礦自動化，2009(12):77-78.

［4］王 遠.模擬電子技術［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007:15-27.

［5］曾令琴，杜詩超.電子技術基礎［M］.北京:人民郵電出版社，2006:6-12.

［6］神龍工作室.Excel數(shù)據(jù)透視表與數(shù)據(jù)分析范例應用［M］.北京:人民郵電出版社，2010:74-126.

［7］何列鋒.完全精通Excel［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2010:45-89.