基于multisim的模拟电路仿真与实现

基于multisim的模拟电路仿真与实现内容摘要：

二极管 特性 电路软件仿真 在 Multisim中构建 二极管 电路如图 ，图中 D1是虚拟二极管输入端加入最大值沈阳理工大学学士学位论文 12 为 4V，频率为 1kHz的正弦波电压，接入一台虚拟滤波器，虚拟滤波器的 A端接二极管电路的输入端， B端接电路的输出端。 图 二极管仿真 电路 及 波形图 电路仿真之后，由示波器观察输入、输出波形，发现输入为一双向正弦波，输出为单方向的脉动电压，可见二极管具有单向导电性。 本节总结 沈阳理工大学学士学位论文 13 二极管是电子电路中最普通最常见的元器件，也是最基础的元器件，对它的研究是对其它电路研究的 基础。 三极管放大电路研究 双极结型三极管又称为双极型三极管、半导体三极管或晶体管，简称三极管。 它们常常是组成各种电子电路的核心器件。 我们日常用的三极管分别两类 NPN型和 PNP型 ，无论是 NPN型或 PNP型三极管，内部均包含三个区：发射区、基区和集电区，并相应地引出三个电极：发射极 (e)、基极(b)和集电极 (c)，同时，在三个区的两两交界处，形成两个 PN结 , 分别称为发射结和几点结 ，如图。 图 三极管的结构示意图和符号 从三极管内部制造工艺来看，主要有两 个特点。 第一，发射区高掺杂，即发射区中多数载流子的浓度很高。 第二，基区很薄，而且掺杂浓度比较低 ]7[。 从外部条件来看，外加电源的极性应使发射结正向偏置，集电结反向偏置。 BEP N PC基极集电极发射区集电区集电结发射结基区E CBP N P( a )BEN NPCE 区C 区C 结E 结B 区E CBN P N( b )发射极沈阳理工大学学士学位论文 14 图 三极管内部载流子的运动如图 发射区向基区注入电子。 由于发射结正偏，则 E区自由电子（多子）扩散（注入）到 B区形成电流 IEn ，同时 B区空穴也注入到 E区形成电流 IEp。 由于是 N+P， ∴ IEn IEp。 注入的电子在基区边扩散边复合。 由 E 区注入到 B 区自由电子小部分在 B 区和空穴复合形成 IBp ，大部分继续扩散到集电结边沿。 集电区收集扩散来的电子和集电结两边少子的漂移。 集电结加的是较大的反向电压，在该反向电压作用下，扩散到集电结边沿的自由电子全部被拉到集电极，形成电流I 1Cn。 同时，在该电压作用下， B 区的少 子自由电子和 C 区的少子空穴分别漂移到对方形成电流 I 1Cn 和 ICp。 它们的和就为集电结反向饱和电流 ICBO。 几个电流关系： IE = IEn + IEp (主要是 IEn ） () IB = IEp + IBp ICBO (主要是 IBp ） () IC = I 1Cn + ICBO (主要是 I 1Cn ) () IB + IC = IEp + IBp ICBO + I 1Cn + ICBO = IEp + IEn = IE () 三极管的特性曲线 现在用三极管的输入、输出特性曲线，来全面地描述三极管各极电流和电压之间的关系。 主要介绍 NPN 三极管的共射特性曲线。 逐点测试三极管共射输入、输出特性曲线的电路如图 所示。 oooIIIIIIIEnEp BpCn 1Cn 2CpCBOR1 R2V1 V2N NP+IIIEBCCBE沈阳理工大学学士学位论文 15 图 三极管共射特性曲线测试电路 一、输人特性 当 不变时，输入回路中的电流 与电压 之间的关系曲线称为输入特性，可用以下表达式来表示： IB =f（ UBE ）∣常数CEU () 先来研究 =0 时的输入特性曲线。 由图 (a)可见，当 UCE =0 时，从三极管的输入回路看，基极和发射极之间相当于两个 PN 结〔发射结和集电结 )并联，如图 (b)所示。 所以，当 b、 e 之间加上正向电压时，三极管的输入特性应为两个二极管并联后的正向伏安特性，见图 中左边一条特性。 图 UCE =0时三极管的输入回路 当 ＞ 0 时，这个电压的极性将有利于将发射区扩散到基区的电子收集到集电极。 如果 ＞ ，则三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置，三极管处于放大状态。 此时发射区发射的电子只有一小部分在基区与空穴 复合，成为 ，大部分将集电沈阳理工大学学士学位论文 16 极收集，成为。 所以，与 =0 时相比，在同样的 之下，基极电流 将大大减小，结果输入特性将右移，见图 中右边一条特性。 当 继续增大时，严格地说，输入特性应继续右移。 但是，当 大于某一数值 (例如 1V )以后，在一定的 之下，集电极的反向偏置电压已足以将注入基区的电子基本上都收集到集电极，即使 再增大， 也不会减小很多。 因此， 大于某一数值以后，不同 的各条输入特性十分密集，几乎重叠在 —起，所以，常常用 大丁1V时的一条输入特性 (例如 ＝ 2V)来代表 更高的情况。 在实际的放大电路中，三极管的 一般都大于零，因而 大于 1V时的输入特性更有实用意义。 图 三极管的输入特性 二 、输出特性 当 IB 不变 时，输出回路中的电流 与电压 之间的关系曲线称为输出特性，其表达式为 =f（ ）∣ 常数BI () NPN 三极管的输出特性曲线见图。 在输出特性曲线上可以划分为三个区域：截止区、放大区和饱和区。 下面分别进行介绍。 沈阳理工大学学士学位论文 17 图 三极管的输出特性 1. 截止区 一般将 的区域称为截止区，在图中为 ＝ 0 的一条曲线以下的部分，此时 也近似为零。 由于管子的各极电流都基本上等于零，所以三极管处于截止状想，没有放大作用。 其实当 =0 时，集电极回路的电流并不真正为零，而是有一个较小的穿透电流。 一般硅三极管的穿透电流较小，通常小于 1 A，所以在输出持性曲线上无法表示出来。 锗三极管的穿透电流较大，约为几十 ~几百微安。 可以认为当发射结反向偏置时，发射区不再向基区注入电子，则三极管处于截止状态。 所以，在截止区，三极管的发射结和集电结部处于反向偏置状态。 对于 NPN 三极管来说，此时 0， 0。 2．放大区 在放大区内，各条输出特性曲线比较平坦，近似 为水平的直线，表示当 一定时，的值基本上不随 而变化。 而当基极电流有一个微小的变化量 时，相应的集电极电流将产生较大的变化最 △ IC ，比 △ IB 放大 倍，即 △ IC = △ IB () 这个表达式体现了三极管的电流放大作用。 在放大区，三极管的发时结正向偏置，集电结反向偏置。 对于 NPN 三极管来说，＞ 0，而 0。 图 中靠近纵坐标的附近，各条输出特性曲线的上升部分属于三 极管的饱和区，见沈阳理工大学学士学位论文 18 图中纵坐标附近虚线以左的部分。 在这个区域，不同 值的各条特性曲线几乎重叠在 —起，十分密集。 也就是说，当 较小时，管子的集电极电流 基本上不随基极电流 而变化，这种现象称为饱和。 在饱和区，三极管失去了放大作用，此时不能用放大区中的来描述 和 的关系。 一般认为，当 = ，即 ＝ 0 时，三极管达到临界饱和状态。 当 时称为过饱和。 三极管饱和时的管压降用 表示，一般小功率硅三极管的饱和管压降 ＜。 三极管工作在饱和区时，发射结和集电结都处于正向偏置状态。 对与 NPN 三极管来说， 0， 0。 以上介绍了三极管的输入特性和输出特性。 管子的特性曲线和参数是根据需要选用三极管的主要依据。 各种型号三极管的特性曲线可从半导体器件手册查得。 如欲测试某个管子的特性曲线，除了逐点测试以外，还可利用 专用的晶体管特性图示仪，它能够在荧光屏上完整地显示三极管的特性曲线族。 三极管的主要参数 一、 三极管的电流放大系数是表征管子放大作用大小的参数。 综合前面的讨论，有以下几个参数： 1. 共射电流放大系数 体现共射接法时三极管的电流放大作用。 所谓共射接法指输入回路和输出回路的公共端是发射极，见图 (a)。 的定义为集电极电流与基极电流的变化量之比，即 ≈ IC /IB () (a)共射接法 (b)共基接法 图 三极管的电流放大关系 沈阳理工大学学士学位论文 19 2. 共射直流电流放大系数 当忽略穿透电流 时， 近似等于集电极电流与基极电流的直流量之比，即 ≈ IC /IB () 3．共基电流放大系数 体现共基接法时三极管的电流放大作用。 共基接法指输入回路和输出回路的公共端为基极，如图 (b)所示。 的定义是集电极电流与发射极电流的变化量之比，即 ≈△ IC /△ IE () 4．共基直流电流放大系数 当忽略反向饱和电流 时， 近似等于集电极电流与发射极电流的直流量之比，即 ≈ IC /IE () 通过前面的分析已经知道， 和 这两个参数不是独立的，而是互有联系，二者之间存在以下关系： = /(1+ )或 = /(1 ) () 二、反向饱和电流 1．集电极和基极之间的反向饱和电流 表示当发射极 e 开路时，集电极 c 和基极 b 之间的反向电流。 测量 的电路见图(a)。 一般小功率锗三极管的 约为几微安～几十微安。 硅三极管的 要小得多，有的可以达到纳安数量级。 2．集电极和发射极之间的穿透电流 表示当基极 b 开路时，集电极 c 和发射极 e 之间的电流。 测量 的电路见图 (b)。 (a) (b) 图 反向饱和电流的测量电路 沈阳理工大学学士学位论文 20 由式 ()可知，上述两个反向电流之间存在以下关系 ： =(1+ ) () 因此，如果三极管的 值愈大，则该管的 也愈大。 因为 和 都是由少数载流子的运动形成的，所以对温度非常敏感。 当温度升高时， 和 都将急剧地增大。 实际工作中选用三极管时，要求三极管的反向饱和电流和穿透电流 尽可能小一些，这两个反向电流的值愈小，表明三极管的质量愈高 ]8[。 三、极限参数 三极管的极限参数是指使用时不得超过的限度，以保证三极管的安全或保证三极管参数的变化不超过规定的允许值。 主要有以下几项： 1. 集电极最大允许电流 当集电极电流过大时，三极管的 值就要减小。 当 IC = ICM 时，管子的 值下降到额定值的三分之二。 2．集电极最大允许耗散功率 当三极管工作时，管子两端的压降为 ，集电极流过的电流力 ，因此损耗的功率为。 集电极消耗的电能将转化为热能使管子的温度升离。 如果温度过高，将使三极管的性能恶化甚至被破坏，所以集电极损耗有一定的限制。 在三极管的输出特性上，将 与 的乘积等于规定的 值的各 点连接起来，可以得到一条双曲线，如图 中的虚线所示。 双曲线下方的区域中，满足 的关系，是安全的。 而在双曲线的右上方 ，即三极管的功率损耗超过了允许的最大值，属于过损耗区。 3．极间反向击穿电压 表示外加在三极管各电极之间的最大允许反向电压，如果超过这个限度，则管子的反向电流急剧增大，甚至可能被击穿而损坏。 极间反向击穿电压主要有以下几项：。 基极开路时，集电极和发射极之间的反向击穿电压。 发射极开路时，集电极和基极之间的反向击穿电压。 根据给定的极限参数 、 和 ，可以在三极管的输出特性曲线上画出管子的安全工作区，如图 所示。 沈阳理工大学学士学位论文 21 图 三极管的安全工作区 测试双极结型三极管的电流放大作用 如图 所示，三极管的基极回路接入一个电流源，集电极电压 UCE =10V保持不变。 改变基极电流的数值，并从虚拟仪表上测得相应的集电极电流 iC ,可得如下数据： i B / A 0 10 20 30 40 50 i C / A 6 500.933 1002 1501 202。