Multisim溫度掃描分析在模擬電子技術的應用

孫正鳳，井娥林

（南京理工大學泰州科技學院 電子電氣工程學院，江蘇 泰州 225300）

隨著計算機技術的應用和普及，EDA（Electronic Design Automation）技術逐漸產生并日趨完善。EDA技術效率高、周期短、應用范圍廣，已成為當今電子電路分析和設計的主流手段和技術潮流[1-3]。在眾多的電路仿真軟件中，Multisim以其界面友好，功能強大和容易使用而倍受高校電類專業師生和工程技術人員的青睞。該軟件集電路設計和功能測試于一件，為設計者提供了一個功能強大，儀器齊全的虛擬電子工作平臺。設計者可以利用大量的虛擬電子元器件和儀器儀表，搭建虛擬實驗室，進行模擬電路、數字電路、自動控制、單片機和射頻電子線路的仿真和調試[4]。

模擬電子技術是電類專業一門技術應用性較強的專業基礎課，在整個專業課程體系中占有十分重要的位置。模擬電子技術強調理論與實踐相結合，著眼于解決復雜的實際問題，具有很強的專業性和應用性。傳統教學方式普遍采用理論教學為主，實踐為輔的形式，教師授課以分立元件和單元電路為主，側重理論的分析和公式的推導，缺乏一定的專業背景和系統的綜合應用，無法將電子電路實現的功能和現象生動直觀的呈現在學生的眼前，學生普遍感覺模擬電子技術課程抽象、難懂，漸漸失去學習積極性、學習興趣。 如果在課堂授課中引入Multisim仿真技術，通過仿真分析得到的圖表使學生直觀地看到電路參數改變對電路性能的影響，再結合理論講解就可以達到事半功倍的效果，有助于學生更快掌握知識點。

1 Multisim溫度掃描分析

由于半導體材料的熱敏性，三極管的電流放大系數β、發射結導通電壓UBE、穿透電流ICEO等參數都是溫度的函數[5-6]。所以溫度變化對由半導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中分析和設計電路時經常要考慮的問題。傳統實驗中進行溫度變化對電路性能的測試，需要把電子電路實物放入烘箱內，進行實際溫度條件測試，這種方法不僅費時、而且成本較高[7]。

Multisim溫度掃描分析就是模擬環境溫度變化時電路性能指標的變化情況[8]。通過設置溫度的變化范圍，不僅可以對電路的靜態工作點進行分析，結果將顯示不同的溫度環境下，電路中各節點的電壓值，各電阻上的電壓、電流值，半導體器件的靜態工作點等數據；還可以對電路進行瞬態分析和交流小信號分析，即對所選定的電路節點進行時域響應分析和頻域響應分析，觀察每一時刻的電壓波形和電路的頻率特性曲線。

2 應用案例

2.1 單管共射電路中的溫度掃描分析

影響靜態工作點（Q點）穩定性的因素很多，例如溫度變化、電源電壓的波動、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。當溫度變化時，影響放大器的靜態工作的三極管的參數有3個：ICBO（一般溫度升高 10℃增加一倍）；VBE（一般為－2.5 mV/℃）；β（一般 β 相對變化為（0.5～1%）/℃）[9]。 溫度升高時，晶體管的靜態工作點增大；ICQ（=βIBQ+（β+1）ICBO）增大；VCEQ（=VCC－ICQRC）減小，因此該電路的靜態工作點不穩定。

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該電路靜態工作點的影響，利用Multisim的溫度掃描分析進行直流工作點分析，將測量探針放置于結點2處，將溫度設置為0～200℃之間，步長為40℃的6個不同溫度值，在輸出選項卡中將輸出電路變量設置為V（探針），I（探針）（即晶體管的 VCE和 IC），經過仿真分析得到 6組不同溫度下的晶體管的VCE和IC值，并導出到Excel中繪制出VCE和IC值隨溫度變化的散點圖如圖2中“▲”所示。由圖2可見，隨著溫度的升高，VCE減小，IC增大，晶體管的Q點在輸出特性曲線圖中向左上方（即飽和區）移動，與分析結果一致。

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

同時，利用Multisim的溫度掃描分析進行瞬態分析，仍將溫度設置為0℃～200℃之間，步長為40℃的6個不同溫度值，在輸出選項卡中將輸出電路變量設置為V（5）（即負載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，在輸入信號保持不變的情況下，隨著溫度的升高，由于Q點的相應移動，晶體管更容易進入飽和區工作，在200℃時輸出波形出現了明顯的飽和失真。

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

2.2 負反饋電路中的溫度掃描分析

在低頻放大電路中引入適當負反饋會使放大器多方面的性能得以改善，如提高靜態工作點的穩定性和放大器增益的穩定性，展寬通頻帶，減少非線性失真，抑制干擾和噪聲，改變輸入電阻和輸出電阻等。 所以在各種電子設備中，人們常常引入負反饋來改善電路的性能，以達到實際工作中的技術指標。

在討論負反饋對電路穩定性的影響時，可以利用Multisim的溫度掃描分析來進行。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負反饋。

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的溫度掃描分析進行該電路直流工作點分析，仍將測量探針放置于結點2處，將溫度設置為0℃～200℃之間，步長為40℃的6個不同溫度值，在輸出選項卡中將輸出電路變量設置為V（探針），I（探針）（即晶體管的VCE和IC），經過仿真分析得到6組不同溫度下的晶體管的VCE和IC值，并導出到Excel中，繪制出VCE和IC值隨溫度變化的散點圖，如圖2中“■”所示。由圖2可見，引入負反饋以后，Q點的穩定性大大提高。

同樣，利用Multisim的溫度掃描分析進行瞬態分析，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，在輸入信號保持不變的情況下，盡管溫度不斷升高，由于Q點比較穩定，輸出波形基本沒有變化，比較穩定。

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靜態工作點是相互影響的，當輸入短路時 （由于一些原因使輸入級的Q點發生微弱變化），經過各級的放大作用，輸出電壓偏離起始值并隨時間做無規則地緩慢變化，這樣就形成了零點漂移。產生零點漂移的原因很多，如電源電壓不穩、元器件參數變值、環境溫度變化等。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構和電路參數的對稱性，能有效地抑制零點漂移，廣泛應用于多級直接耦合放大電路的輸入級，也是集成運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漂移的性能。圖6所示電路為長尾式差分放大電路。將該電路的兩個輸入端口I01、I02分別接地，進行溫度掃描直流工作點分析，將溫度設置為0～200℃之間，步長為40℃的6個不同溫度值，在輸出選項卡中將輸出電路變量設置為V（1）和V（2），經過仿真分析得到6組不同溫度下電路的結點1和結點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，兩個結點的電位值始終相等，負載RL上得到的輸出電壓均為0，即所謂的“0輸入，0輸出”，很好的抑制了零點漂移現象的產生。

圖6 差分放大電路Fig.6 Differential amplifier

3 結束語

圖7 結點1和結點2的電位值Fig.7 Potential value of node1 and node2

在教學過程中引入Multisim仿真軟件，并利用溫度掃描分析，可以使模擬電子技術中關于電路穩定性的討論分析，由抽象變為具體，將復雜的理論分析簡單化，激發了學生的求知欲望和學習積極性，因此教師應該在注重基礎課程知識教學的同時，應加入EDA仿真分析技術，更加注重學生動手能力的培養，激發他們對實踐操作的興趣，從而提高學生發現問題、分析問題和解決問題的能力。

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