第２０卷 第２０期 Ｖ０１．２Ｏ Ｎｏ．２０ 电子设计工程 Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｓｉｇｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ２０１２年１Ｏ月 ０ｃｔ．２０１２ Ｍｕｌｔｉｓｉｍ温度扫描分析在模拟电子技术的应用 孙正凤．井娥林 （南京理工大学泰州科技学院电子电气工程学院，江苏泰州２２５３００） 摘要：为了讨论温度对模拟电子电路的影响，采用Ｍｕｈｉｓｉｍｌ０仿真软件中的温度扫描分析进行仿真，分析了温度对 放大电路的静态．Ｙ－作点以及输出波形的影响，同时验证了负反馈对提高放大电路稳定性的作用和差分放大电路能够 抑制零点漂移的性能特点。研究表明，在课堂上利用Ｍｕｈｉｓｉｍｌ０对模拟电子电路进行计算机仿真，再结合理论讲解， 可以提高教学质量和教学效果 关键词：Ｍｕｈｉｓｉｍ；仿真；温度扫描分析；教学 中图分类号：ＴＮ７１０．９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—６２３６（２０１２）２０—０１２２—０３ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｕｌｔｉｓｉｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｗｅｅｐ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｎ ａｎａｌｏｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＳＵＮ Ｚｈｅｎｇ—ｆｅｎｇ，Ｊｉｎｇ Ｅ—ｌｉｎ （Ｔａｉｚｈｏｕ Ｉｎｓｔｉｔｕｄｅ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｆＳｃｉｏｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｚｈｏｕ ２２５３００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｄｉｓｃｕｓｓ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｎ ｔｈｅ ａｎａｌｏｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｗｅｅｐ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｍｕｈｉｓｉｍ １０ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｗａｓ ｕｓｅｄ．Ｉｔ ａｎａｌｙｓｅｄ ｔｈｅ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｏｎ ｔｈｅ ａｍｐｌｉｆｙｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ，ａｎｄ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｅｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｏｎ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ａｍｐｌｉｆｙｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｏｌｅ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ａｍｐｌｉｆｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ ｃａｎ ｒｅｓｔｒａｉｎ ｔｈｅ ｚｅｒｏ ｄｒｉｆｔ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｉｔ ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｑｕａｌｉｔｙ ａｎｄ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｕｈｉｓｉｍｌ０ ｉｎ ｔｈｅ ｃｌａｓｓ，ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｅｘｐｌａｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｍｕｈｉｓｉｍ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｗｅｅｐ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｔｅａｃｈｉｎｇ 随着计算机技术的应用和普及，ＥＤＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｓｉｇｎ 使学生直观地看到电路参数改变对电路性能的影响．冉结合 理论讲解就可以达到事半功倍的效果，有助于学生更快掌握 知识点。 Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ）技术逐渐产生并日趋完善。ＥＤＡ技术效率高、周 期短、应用范围广．已成为当今电子电路分析和设计的主流 手段和技术潮流ｌ】－３］。在众多的电路仿真软件中．Ｍｕｈｉｓｉｍ以 其界面友好，功能强大和容易使用而倍受高校电类专业师生 和工程技术人员的青睐。该软件集电路设计和功能测试于一 件，为设计者提供了一个功能强大，仪器齐全的虚拟电子工 １ Ｍｕｌｔｉｓｉｍ温度扫描分析 由于半导体材料的热敏性，三极管的电流放大系数 、发 射结导通电压 、穿透电流 等参数都是温度的函数 。所 作平台。设计者可以利用大量的虚拟电子元器件和仪器仪 表，搭建虚拟实验室，进行模拟电路、数字电路、自动控制、 单片机和射频电子线路的仿真和调试 。 模拟电子技术是电类专业一门技术应用性较强的专业 以温度变化对由半导体器件组成的电子电路性能的影响是 不可忽视的，这也是模拟电子技术中分析和设计电路时经常 要考虑的问题。传统实验中进行温度变化对电路性能的测 试，需要把电子电路实物放人烘箱内，进行实际温度条件测 基础课，在整个专业课程体系中占有十分重要的位置。模拟 电子技术强调理论与实践相结合，着眼于解决复杂的实际问 题，具有很强的专业性和应用性。传统教学方式普遍采用理 论教学为主，实践为辅的形式，教师授课以分立元件和单元 电路为主．侧重理论的分析和公式的推导．缺乏一定的专业 背景和系统的综合应用，无法将电子电路实现的功能和现象 生动直观的呈现在学生的眼前，学生普遍感觉模拟电子技术 试，这种方法不仅费时、而且成本较高＿７ｌ。 Ｍｕｈｉｓｉｍ温度扫描分析就是模拟环境温度变化时电路性 能指标的变化情况 。通过设置温度的变化范围，不仅可以对 电路的静态工作点进行分析，结果将显示不同的温度环境 下，电路中各节点的电压值，各电阻上的电压、电流值，半导 体器件的静态工作点等数据；还可以对电路进行瞬态分析和 交流小信号分析，即对所选定的电路节点进行时域响应分析 课程抽象、难懂，渐渐失去学习积极性、学习兴趣。如果在课 堂授课中引入Ｍｕｈｉｓｉｍ仿真技术．通过仿真分析得到的图表 收稿日期：２０１２—０６—２７ １２２－ 和频域响应分析，观察每一时刻的电压波形和电路的频率特 性曲线 稿件编号：２０１２０６１６８ 作者简介：孙正凤（１９７６一），女，江苏泰州人，硕士研究生，讲师。研究方向：电子信息工程及电子线路ＣＡＤ。 ．．孙正风．等Ｍｕｈｉｓｉｍ温度扫描分析在模拟电子技术的应用 ２应用案例 ２．１单管共射电路中的温度扫描分析 影响静态工作点（Ｑ点）稳定性的因素很多，例如温度 变化、电源电压的波动、管子老化等，其中最主要的因素是温 度变化的影响。图１为固定偏流式共射极放大电路。当温度 变化时，影响放大器的静态工作的三极管的参数有３个： （一般温度升高１０℃增加一倍）； （一般为一２．５ ｍＶ／￣Ｃ）； （一般卢相对变化 为（０．５～１％）／℃） 。温度升高时，晶体 管的静态工作点：Ｉｓｏ（＝ ）增大； （ ， （ １） ）增大； ｃＥＱ（： Ｃｃ一 ）减小，因此该电路的静态工作点不稳定。 ＶＣＣ ＲＬ ２ｋ０ Ｖ 图１ 固定偏流式共射极放大电路 Ｆｉｇ．１ Ｆｉｘｅｄ ｂｉａｓ ｔｙｐｅ ｃｏｍｍｏｎ—ｅｍｉｔｔｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ 为了研究温度的变化对该电路静态工作点的影响，利用 Ｍｕｌｔｉｓｉｍ的温度扫描分析进行直流工作点分析，将测量探针 放置于结点２处．将温度设置为０—２００℃之间．步长为４０℃的 ６个不同温度值，在输出选项卡中将输出电路变量设置为 （探针），，（探针）（即晶体管的 ｃＥ和 ），经过仿真分析得到６ 组不同温度下的晶体管的 和 值，并导出到Ｅｘｃｅｌ中绘制 出 ｃＥ和 值随温度变化的散点图如图２中“▲”所示。由图２ 可见，随着温度的升高， 减小，，ｆ增大，晶体管的Ｑ点在输 出特性曲线图中向左上方（即饱和区）移动，与分析结果一致。 图２ ＶＣＥ和ＩＣ随温度变化曲线图 Ｆ培２ Ｓｃａｔｔｅｒ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ＶＣＥ ａｎｄ ＩＣ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ 同时，利用Ｍｕｌｔｉｓｉｍ的温度扫描分析进行瞬态分析，仍 将温度设置为０ｏＣ一２００￣Ｃ之间，步长为４０℃的６个不同温度 值，在输出选项卡中将输出电路变量设置为 （５）（即负载ＲＬ 上获得的输出电压），得到６组输出波形图，如图３所示。由 图３可见，在输入信号保持不变的情况下，随着温度的升高， 由于Ｑ点的相应移动，晶体管更容易进入饱和区工作，在 ２００℃时输出波形出现了明显的饱和失真。 图３不同温度下输出电压波形图 Ｆｉｇ．３ Ｏｕｔｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ２．２负反馈电路中的温度扫描分析 在低频放大电路中引入适当负反馈会使放大器多方面的性 能得以改善，如提高静态工作点的稳定性和放大器增益的稳定 性，展宽通频带，减少非线性失真，抑制干扰和噪声，改变输入 电阻和输出电阻等。所以在各种电子设备中，人们常常引人负 反馈来改善电路的性能，以达到实际工作中的技术指标。 在讨论负反馈对电路稳定性的影响时，可以利用 Ｍｕｌｔｉｓｉｍ的温度扫描分析来进行。图４所示分压式射极偏置 共射放大电路，与图１所示电路相比，该电路利用射极电阻 ＲＥ引入交直流电流串联负反馈。 ２ｋＱ 图４分压式射极偏置共射放大电路 Ｆｉｇ．４ Ｖｏｌｔａｇｅ ｄｉｖｉｄｅｒ ｅｍｉｔｔｅｒ ｂｉａｓ ｔｙｐｅ 利用Ｍｕｌｔｉｓｉｍ的温度扫描分析进行该电路直流工作点 分析，仍将测量探针放置于结点２处．将温度设置为０℃～ ２００ ｏＣ之间．步长为４Ｏ ｃＣ的６个不同温度值。在输出选项卡 中将输出电路变量设置为 （探针），，（探针）（即晶体管的 和，ｃ），经过仿真分析得到６组不同温度下的晶体管的 ｃＥ和 值，并导出到Ｅｘｃｅｌ中，绘制出 ｃＥ和 值随温度变化的散 点图，如图２中“■”所示。由图２可见．引入负反馈以后，Ｑ 点的稳定性大大提高。 同样，利用Ｍｕｌｔｉｓｉｍ的温度扫描分析进行瞬态分析，得 到同样温度变化下６组输出波形图，如图５所示。由图５可 见，在输入信号保持不变的情况下，尽管温度不断升高，由于 Ｑ点比较稳定，输出波形基本没有变化，比较稳定。 一】２３－ 《电子设计工程｝２０１２年第２０期 分压武射极偏置共射放大电路共射电路 ∞∞０∞ ３００ｏ００ｍ ∞∞０００ｍ １０㈣ｍ ０ ．１Ｏ脚ｍ ．∞船００幽椎 ３ｏＯ自ｍ ０ ２５００００ｏｕ瑚Ｏ０００１ａ ７５０．￣００ｐ ｌ嗍ｍ ｉｔｍｅ 图５不同温度Ｆ输出电压波形图 Ｆｉｇ．５ Ｏｕｔｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ２．３差分放大电路中的温度扫描分析 直接耦合式放大电路中各级静态工作点是相互影响的， 当输入短路时（由于一些原因使输入级的Ｑ点发生微弱变 化），经过各级的放大作用，输出电压偏离起始值并随时间做 无规则地缓慢变化，这样就形成了零点漂移。产生零点漂移 的原因很多，如电源电压不稳、元器件参数变值、环境温度变 化等。其中最主要的因素是温度的变化。 差分放大电路利用电路结构和电路参数的对称性，能有 效地抑制零点漂移，广泛应用于多级直接耦合放大电路的输 入级，也是集成运算放大电路的重要组成部分［１ｏ１。利用 Ｍｕｈｉｓｉｍ的温度扫描分析可以很好地研究差分放大电路抑制 零点漂移的性能。图６所示电路为长尾式差分放大电路。将 该电路的两个输入端口１０。、 分别接地，进行温度扫描直流 工作点分析，将温度设置为０—２００℃之间．步长为４０ 的６ 个不同温度值，在输出选项卡中将输出电路变量设置为 （１）和 （２），经过仿真分析得到６组不同温度下电路的结点 １和结点２的电位值，如图７所示。由图７可以看出，不管温 度如何变化，两个结点的电位值始终相等，负载ＲＬ上得到的 输出电压均为０，即所谓的“０输人，０输出”，很好的抑制了零 点漂移现象的产生。 Ｖ ｒ ｌ ２Ｖ 图６差分放大电路 Ｆｉｇ．６ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ａｍｐｌｉｉｆｅｒ ３ 结束语 在教学过程中引人Ｍｕｈｉｓｉｍ仿真软件，并利用温度扫描 分析，可以使模拟电子技术中关于电路稳定性的讨论分析， ——１２４－ 差分放大电路 温度扫描： 网７结点１和结点２的电位值 Ｆｉｇ．７ Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｎｏｄｅｌ ａｎｄ ｎｏｄｅ２ 由抽象变为具体，将复杂的理论分析简单化．激发了学生的 求知欲望和学习积极性，因此教师应该在注重基础课程知识 教学的同时，应加入ＥＤＡ仿真分析技术，更加注重学生动＿Ｆ 能力的培养，激发他们对实践操作的兴趣，从 提高学生发 现问题、分析问题和解决问题的能力。 参考文献： ［１］张新喜．Ｍｕｈｉｓｉｍｌ０＠真与应用［Ｍ】．北京：机械工业出版社， ２０１１． ［２】卢艳红．基ｉｆ－Ｍｕｈｉｓｉｍ １０的电子电路设计、仿真与应用【ｎ１． 北京：人民邮电出版社．２００９． 【３１聂典，丁伟．Ｍｕｈｉｓｉｍｌ０计算机仿真在电子电路设计中的应 用［ＭＩ．北京：电子工业出版社，２００９． 【４】石嘉顺．基５－Ｍｕｌｔｉｓｉｍ￣Ｙ， 下的电路设计与仿真『Ｊ］．计算机 仿真，２００７，２４（１２）：３０６—３０８． ＳＨＩ Ｊｉａ—ｓｈｕｎ．Ｄｅｓｉｇｎ＆ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍｕｈｉｓｉｍ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，２００７，２４（１２）：３０６—３０８． 【５］郝宁眉，李芳．双极型晶体管温度特性的Ｍｕｈｉｓｉｍ．仿真研 究Ⅲ．仪表技术与传感器，２０１０（４）：８１—８３． ＨＡＯ Ｎｉｎｇ—ｍｅｉ，ＬＩ Ｆａｎｇ． Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｂｉｐｏｌａｒ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍｕｌｔｉｓｉｍ ｌＪ１． Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ，２０１０（４）：８１—８３． ［６］曹鸿霞，冒晓莉，张加宏．Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０在单管共射放大电路 中的应用【Ｊ］．现代电子技术，２０１ｌ，３４（１４）：１６９—１７２． ＣＡＯ Ｈｏｎｇ－ｘｉａ，ＭＡＯ Ｘｉａｏ－ｌｉ，ＺＨＡＮＧ Ｊｉａ－ｈｏｎｇ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｕｈｉｓｉｍｌ０ ｉｎ ｓｉｎｇｌｅ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ［Ｊ］．Ｍｏｄｅｒｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，２０１１，３４（１４）：１６９—１７２． ［７］熊伟，侯传教，梁青．Ｍｕｌｔｉｓｉｍ７电路设计及仿真应用【Ｍ】．北 京：清华大学出版社．２００５． 【８］张选，卢超．Ｍｕｈｉｓｉｍ中温度扫描仿真分析应用［Ｊ］．中国新 技术新产品．２０１０（５）：１－２． ＺＨＡＮＧ Ｘｕａｎ．ＬＵ Ｃｈａｏ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｕｌｔｉｓｉｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｗｅｅｐ ａｎａｌｙｓｉｓ［Ｊ１．Ｃｈｉｎａ Ｎｅｗ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｎｄ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ， ２０１０（５）：１—２． 【９］周淑阁．模拟电子技术基础【Ｍ］．北京：高等教育出版社， ２００５．
