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）

随着计算机技术的应用和普及，EDA（Electronic Design 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[1-3]。在众多的电路仿真软件中，Multisim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[4]。

模拟电子技术是电类专业一门技术应用性较强的专业基础课，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Multisim仿真技术，通过仿真分析得到的图表使学生直观地看到电路参数改变对电路性能的影响，再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。

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β、发射结导通电压UBE、穿透电流ICEO等参数都是温度的函数[5-6]。所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入烘箱内，进行实际温度条件测试，这种方法不仅费时、而且成本较高[7]。

Multisim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[8]。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。

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：ICBO（一般温度升高 10℃增加一倍）；VBE（一般为－2.5 mV/℃）；β（一般 β 相对变化为（0.5～1%）/℃）[9]。 温度升高时，晶体管的静态工作点增大；ICQ（=βIBQ+（β+1）ICBO）增大；VCEQ（=VCC－ICQRC）减小，因此该电路的静态工作点不稳定。

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V（探针），I（探针）（即晶体管的 VCE和 IC），经过仿真分析得到 6组不同温度下的晶体管的VCE和IC值，并导出到Excel中绘制出VCE和IC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，VCE减小，IC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Fig.2 Scatter diagramof 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V（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，人们常常引入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。

图4 分压式射极偏置共射放大电路Fig.4 Voltage divider emitter bias type common－emitter amplifier

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℃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V（探针），I（探针）（即晶体管的VCE和IC），经过仿真分析得到6组不同温度下的晶体管的VCE和IC值，并导出到Excel中，绘制出VCE和IC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。

图5 不同温度下输出电压波形图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[10]。利用Multisim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I01、I02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V（1）和V（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输入，0输出”，很好的抑制了零点漂移现象的产生。

图6 差分放大电路Fig.6 Differential amplifier

3 结束语

图7 结点1和结点2的电位值Fig.7 Potential value of node1 and node2

在教学过程中引入Multisim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，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，更加注重学生动手能力的培养，激发他们对实践操作的兴趣，从而提高学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。

[1]张新喜.Multisim10仿真与应用[M].北京:机械工业出版社，2011.

[2]卢艳红.基于Multisim 10的电子电路设计、仿真与应用[M].北京：人民邮电出版社，2009.

[3]聂典，丁伟.Multisim10计算机仿真在电子电路设计中的应用[M].北京：电子工业出版社，2009.

[4]石嘉顺.基于Multisim环境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 Multisim[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Multisim.仿真研究[J].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[J].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，2011，34（14）:169－172.CAO Hong－xia，MAO Xiao－li，ZHANG Jia－hong.Application ofMultisim10 in single transistoramplifier[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.Multisim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[J].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.