4.1半導(dǎo)體元件特性仿真

4.1.1二極管

1．利用DCSweep(直流掃描)進(jìn)行測(cè)試

在Multisim8窗口中建立如圖4-1所示的仿真電路，單擊Simulate/Analysis/DCSweep，打開(kāi)DCSweep對(duì)話框，參數(shù)設(shè)置如圖4-2所示。圖4-1仿真電路圖4-2DCSweep對(duì)話框參數(shù)設(shè)置單擊Output選項(xiàng)卡，通過(guò)More按鈕、Adddevice/modelparameter按鈕及parameter選項(xiàng)，將二極管電流iD添加為輸出變量，如圖4-3所示。圖4-3Output選項(xiàng)卡設(shè)置單擊Simulate按鈕，得到二極管的伏安特性曲線如圖4-4所示。從圖中可讀出IN4148型二極管的死區(qū)電壓為0.5?V左右。圖4-4二極管的伏安特性曲線

2．利用IV分析儀進(jìn)行測(cè)試

在Multisim?8窗口中建立如圖4-5所示的仿真電路，雙擊IV分析儀圖標(biāo)，從Components下拉文件框中選擇Diode(二極管)，電流和電壓范圍選擇Lin(線性)，合上仿真開(kāi)關(guān)，得到如圖4-6所示的仿真結(jié)果。圖4-5仿真電路圖4-6二極管的伏安特性曲線4.1.2晶體管BJT特性

1．三極管的輸入特性曲線的測(cè)試

在Multisim?8窗口中建立如圖4-7所示的仿真電路，單擊Simulate/Analysis/DCSweep按鈕，打開(kāi)DCSweep對(duì)話框，參數(shù)設(shè)置如圖4-8所示。圖4-7仿真電路

圖4-8DCSweep對(duì)話框參數(shù)設(shè)置單擊Output選項(xiàng)卡，通過(guò)More按鈕、Adddevice/modelparameter按鈕及parameter選項(xiàng)，將三極管電流iB添加為輸出變量，如圖4-9所示。圖4-9Output選項(xiàng)卡設(shè)置單擊Simulate按鈕，得到三極管的輸入特性曲線如圖4-10所示。圖中三條曲線從左到右依次為UCE=2V、7?V、12?V時(shí)的特性曲線。比較三條曲線可得：隨著UCE的增大，在相同的UBE下，三極管的基極電流下降。圖4-10三極管的輸入特性曲線

2．三極管的輸出特性曲線的測(cè)試

在Multisim?8窗口中建立如圖4-11所示的仿真電路，單擊Simulate/Analysis/DCSweep，打開(kāi)DCSweep對(duì)話框，參數(shù)設(shè)置如圖4-12所示。圖4-11仿真電路圖4-12DCSweep對(duì)話框參數(shù)設(shè)置單擊Output選項(xiàng)卡，通過(guò)More按鈕、Adddevice/modelparameter按鈕及parameter選項(xiàng)，將三極管電流iC添加為輸出變量，如圖4-13所示。圖4-13Output選項(xiàng)卡設(shè)置單擊Simulate按鈕，得到三極管的輸出特性曲線如圖4-14所示。圖4-14三極管的輸出特性曲線4.1.3場(chǎng)效應(yīng)晶體管FET特性

1．轉(zhuǎn)移特性曲線的測(cè)試

在Multisim?8窗口中建立如圖4-15所示的仿真電路，單擊Simulate/Analysis/DCSweep，打開(kāi)DCSweep對(duì)話框，參數(shù)設(shè)置如圖4-16所示。圖4-15仿真電路圖4-16DCSweep對(duì)話框參數(shù)設(shè)置單擊Output選項(xiàng)卡，通過(guò)More按鈕、Adddevice/modelparameter按鈕及parameter選項(xiàng)，將漏極電流iD添加為輸出變量，如圖4-17所示。

單擊Simulate按鈕，得到場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖4-18所示。圖4-17Output選項(xiàng)卡設(shè)置圖4-18場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線

2．輸出特性曲線的測(cè)試

在Multisim8窗口中建立如圖4-19所示的仿真電路。雙擊IV分析儀圖標(biāo)，從Components下拉文件框中選擇NMOS，電流和電壓范圍選擇Lin(線性)，單擊面板右下方的Sim_Param按鈕，彈出SimulateParameters對(duì)話框，對(duì)UGS和UDS進(jìn)行掃描參數(shù)設(shè)置，參數(shù)設(shè)置面板如圖4-20所示。

合上仿真開(kāi)關(guān)，輸出特性曲線的仿真結(jié)果如圖4-21所示。在輸出特性仿真曲線中，從下到上分別為UGS=2?V、3?V、4V、5V時(shí)的輸出特性曲線。圖4-19仿真電路圖4-20SimulateParameters對(duì)話框參數(shù)設(shè)置圖4-21場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性曲線

4.2BJT單管放大電路

4.2.1基本共射放大電路

基本共射電路的仿真在2.4.4節(jié)已詳細(xì)敘述，此處不再

重復(fù)。

4.2.2基本共集放大電路

在Multisim?8窗口中建立如圖4-22所示的共集放大電路，其中函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)置如圖4-23所示，對(duì)其進(jìn)行如下的

分析。圖4-22共集放大電路圖4-23函數(shù)信號(hào)發(fā)生器設(shè)置

1．放大倍數(shù)的分析

在電路中加入雙通道示波器，啟動(dòng)仿真，得到如圖4-24所示的輸入和輸出波形。從圖中可以看出：共集放大電路的輸出與輸入同相，放大倍數(shù)約為1。

2．交流分析

單擊Simulate/Analysis/ACAnalysis，選擇節(jié)點(diǎn)4和節(jié)點(diǎn)5作為輸出節(jié)點(diǎn)，其余保持默認(rèn)設(shè)置。單擊Simulate按鈕，得到的仿真結(jié)果如圖4-25所示。圖4-24輸入和輸出波形圖4-25交流分析仿真結(jié)果

3．輸入、輸出電阻的測(cè)量

這里介紹另外一種方法，利用電壓表、電流表來(lái)測(cè)量。

(1)測(cè)量輸入電阻，電路的連接如圖4-26所示。打開(kāi)仿真開(kāi)關(guān)，根據(jù)電壓表和電流表的讀數(shù)，得出該電路的輸入電阻為：0.707?V/5.792?mA=122.1?kW。圖4-26輸入電阻的測(cè)試電路

(2)測(cè)量輸出電阻，根據(jù)輸出電阻的定義：當(dāng)輸入電壓源等于零時(shí)，從輸出端看進(jìn)去的交流等效電阻為輸出電阻，可得到輸出電阻的測(cè)試電路如圖4-27所示。打開(kāi)仿真開(kāi)關(guān)，根據(jù)電壓表和電流表的讀數(shù)，得出該電路的輸出電阻為：1.000?V/

7.422?mA=134.7?W。比較可知：共集電極電路的輸入電阻值很大，輸出電阻值很小。圖4-27輸出電阻的測(cè)試電路4.2.3基本共基放大電路

在Multisim8窗口中建立如圖4-28所示的共基放大電路，函數(shù)信號(hào)發(fā)生器用來(lái)產(chǎn)生幅值為10?mV、頻率為1?kHz的正弦波信號(hào)。對(duì)其進(jìn)行如下的分析。圖4-28共基放大電路

1．放大倍數(shù)的分析

在電路中加入兩個(gè)數(shù)字萬(wàn)用表，分別用來(lái)測(cè)量輸入和輸出電壓。啟動(dòng)仿真，兩個(gè)萬(wàn)用表顯示的數(shù)值如圖4-29所示。從圖中可以看出：共基放大電路的輸出與輸入同相，放大電路的放大倍數(shù)約為10。圖4-29萬(wàn)用表仿真結(jié)果

2．交流分析

單擊Simulate/Analysis/ACAnalysis，選擇節(jié)點(diǎn)3和節(jié)點(diǎn)6作為輸出節(jié)點(diǎn)，其余保持默認(rèn)設(shè)置。單擊Simulate按鈕，得到的仿真結(jié)果如圖4-30所示。圖4-30交流分析仿真結(jié)果

3．輸入、輸出電阻的測(cè)量

(1)測(cè)量輸入電阻，電路的連接如圖4-31所示。打開(kāi)仿真開(kāi)關(guān)，根據(jù)電壓表和電流表的讀數(shù)，算出該電路的輸入電阻為：7.071?mV/0.043?mA=164.4?W。圖4-31輸入電阻的測(cè)試電路

(2)測(cè)量輸出電阻，電路的連接如圖4-32所示。打開(kāi)仿真開(kāi)關(guān)，根據(jù)電壓表和電流表的讀數(shù)，算出該電路的輸出電阻為：1.000?V/0.501?mA=1.996?kW。圖4-32輸出電阻的測(cè)試電路

4.3MOSFET單管放大電路

在Multisim8窗口中建立如圖4-33所示的共源放大電路，對(duì)其進(jìn)行如下的分析。圖4-33共源放大電路

1．靜態(tài)工作點(diǎn)的分析

單擊Simulate/Analysis/DCOperatingPointAnalysis，在彈出的對(duì)話框中將全部電壓節(jié)點(diǎn)都作為輸出節(jié)點(diǎn)，單擊Simulate按鈕，得到的仿真結(jié)果如圖4-34所示。從圖中可以看出：柵源電壓UGS=UG－US=－0.139V；漏源電壓UDS=UD－US=7.72V。圖4-34靜態(tài)工作點(diǎn)分析結(jié)果

2．放大倍數(shù)的分析

在電路中加入雙通道示波器，啟動(dòng)仿真，得到如圖4-35所示的輸入和輸出波形。從圖中可以看出：共源放大電路的輸出與輸入反相，放大電路的放大倍數(shù)約為8。圖4-35輸入和輸出波形

4.4負(fù)反饋放大電路

在Multisim8窗口中建立如圖4-36所示的放大電路，函數(shù)信號(hào)發(fā)生器用來(lái)產(chǎn)生10?mV/1?kHz的正弦信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行如下的分析。圖4-36負(fù)反饋放大電路

1．開(kāi)環(huán)電路測(cè)試

啟動(dòng)仿真，示波器顯示的仿真結(jié)果如圖4-37所示，利用顯示屏幕上的讀數(shù)指針可以讀出輸入和輸出的幅值，從而計(jì)算出電路的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)，即在輸出端接上RL=1.5?kW?的負(fù)載電阻，再次啟動(dòng)仿真，示波器的仿真結(jié)果如圖4-38所示。此時(shí)，可見(jiàn)，負(fù)載電阻減小，電路的開(kāi)環(huán)放大倍降低。圖4-38RL=1.5kW時(shí)示波器的仿真結(jié)果

2．閉環(huán)電路測(cè)試

閉環(huán)電路如圖4-39所示，將反饋元件Cf

(C6=10mF)和Rf?(R10=22kW)接入，即構(gòu)成閉環(huán)電路。啟動(dòng)仿真，示波器

顯示的仿真結(jié)果如圖4-40所示，可算出電路的閉環(huán)放大倍數(shù)為20，因此引入負(fù)反饋之后，電路的放大倍數(shù)大大下降。圖4-39電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路圖4-40接入負(fù)反饋時(shí)示波器的仿真結(jié)果

3．測(cè)試放大電路的頻率特性

(1)電路接成開(kāi)環(huán)狀態(tài)，輸出負(fù)載為RL=1.5kW，如圖4-41所示。啟動(dòng)仿真，波特圖儀顯示的仿真結(jié)果如圖4-42所示。頻率特性曲線中間的平坦部分為放大電路的中頻段，放大電路的增益基本不變且最大，從圖中可讀出，此放大電路的中頻增益為38.042?dB。圖4-41無(wú)反饋時(shí)頻率特性的測(cè)量電路圖4-42無(wú)反饋時(shí)中頻增益的測(cè)量將讀數(shù)指針?lè)謩e移到圖4-43和圖4-44所示的下限頻率和上限頻率點(diǎn)，分別讀出電路的下限頻率fL=107.156Hz和上限頻率fH=1.109MHz，通頻帶為BW=fH－fL。圖4-43下限頻率的測(cè)量圖圖4-44上限頻率的測(cè)量圖

(2)電路接成閉環(huán)狀態(tài)，即接入反饋元件Cf(C6=10mF)和Rf(R10=22kW)，用同樣的方法重新測(cè)量電路的下限頻率和上限頻率點(diǎn)，波特圖儀的仿真結(jié)果如圖4-45、圖4-46和圖4-47所示?？梢?jiàn)，接入反饋后，中頻增益下降，同時(shí)頻帶展寬了。圖4-45有反饋時(shí)中頻增益的測(cè)量圖4-46下限頻率的測(cè)量圖圖4-47上限頻率的測(cè)量圖4.5差分放大電路

1．差模電壓放大倍數(shù)的分析

圖4-49所示電路為差模信號(hào)輸入，在Multisim?8窗口啟動(dòng)仿真，仿真結(jié)果如圖4-50所示，可以計(jì)算出差模電壓放大倍數(shù)為56.61。

圖4-48差分放大電路圖4-49差模輸入時(shí)示波器仿真結(jié)果

2．共模電壓放大倍數(shù)的分析

按空格鍵撥動(dòng)開(kāi)關(guān)J1，使差分放大電路兩個(gè)輸入端同時(shí)輸入相同的信號(hào)，即共模信號(hào)。啟動(dòng)仿真，仿真結(jié)果如圖4-50所示，可以計(jì)算出共模電壓放大倍數(shù)為1.82。

3．共模抑制比的計(jì)算

共模抑制比等于差模電壓放大倍數(shù)與共模電壓放大倍數(shù)之比，即圖4-50共模輸入時(shí)示波器仿真結(jié)果4.6運(yùn)算電路

4.6.1比例運(yùn)算電路

在Multisim8窗口中建立如圖4-51所示的反相比例放大電路，由已學(xué)的理論知識(shí)可知：反相比例運(yùn)算電路的放大倍數(shù)為AV=－R2/R1。在電路中加入雙通道示波器，啟動(dòng)仿真，便得到如圖4-52所示的輸入和輸出波形。圖4-51反相比例放大電路圖4-52輸入和輸出波形4.6.2求和運(yùn)算電路

利用集成運(yùn)算放大器，不僅可以進(jìn)行比例運(yùn)算，還可以進(jìn)行加、減、乘、除等四則運(yùn)算。在Multisim8窗口中建立如圖4-53所示的反相求和運(yùn)算電路，由已學(xué)的理論知識(shí)可知：反相求和運(yùn)算電路的放大倍數(shù)為AV=－R3(V1/R1+V2/R2)，代入各元器件的數(shù)值，計(jì)算得出AV=－2。圖4-53反相求和運(yùn)算電路啟動(dòng)仿真，數(shù)字萬(wàn)用表顯示的仿真結(jié)果如圖4-54所示，與理論計(jì)算值相符。圖4-54數(shù)字萬(wàn)用表的仿真結(jié)果4.6.3積分運(yùn)算電路

用電容器來(lái)替換反相比例運(yùn)算電路中的電阻，就可構(gòu)成積分運(yùn)算電路。在Multisim8窗口中建立如圖4-55所示的積分運(yùn)算電路，函數(shù)信號(hào)發(fā)生器用來(lái)產(chǎn)生1?V/1?kHz的方波輸入信號(hào)。

啟動(dòng)仿真，仿真結(jié)果如圖4-56所示，可知：積分電路有波形變換的作用，當(dāng)輸入是方波時(shí)，輸出是三角波。圖4-56示波器的仿真結(jié)果

4.7電壓比較電路

電壓比較器的功能是能夠?qū)⑤斎胄盘?hào)與一個(gè)參考電壓進(jìn)行大小比較，并用輸出的高、低電平來(lái)表示比較的結(jié)果。它的特點(diǎn)是電路中的集成運(yùn)放工作在開(kāi)環(huán)或正反饋狀態(tài)，輸入和輸出之間呈現(xiàn)非線性傳輸特性。4.7.1過(guò)零電壓比較器

過(guò)零電壓比較器的特點(diǎn)是閾值電壓等于零。閾值電壓指輸出由一個(gè)狀態(tài)跳變到另一個(gè)狀態(tài)的臨界條件所對(duì)應(yīng)的輸入電壓值。在Multisim?8窗口中建立如圖4-57所示的過(guò)零電壓比較器，函數(shù)信號(hào)發(fā)生器用來(lái)產(chǎn)生2?V/1?kHz的正弦波輸入信號(hào)。圖4-57過(guò)零電壓比較器啟動(dòng)仿真，仿真結(jié)果如圖4-58所示，可以看到每當(dāng)輸入信號(hào)過(guò)零時(shí)，輸出發(fā)生跳變。圖4-58示波器的仿真結(jié)果4.7.2遲滯比較器

遲滯比較器的特點(diǎn)是具有兩個(gè)閾值電壓。當(dāng)輸入逐漸由小增大或由大減小時(shí)，閾值電壓是不同的。它的抗干擾能力強(qiáng)。在Multisim8窗口中建立如圖4-59所示的反相遲滯比較器，函數(shù)信號(hào)發(fā)生器用來(lái)產(chǎn)生5?V/500?Hz的正弦波輸入信號(hào)。圖4-59反相遲滯比較器啟動(dòng)仿真，仿真結(jié)果如圖4-60所示，可以看到：當(dāng)輸入信號(hào)由小逐漸增大，上升到A點(diǎn)時(shí)，輸出由高電平跳變?yōu)榈碗娖?；?dāng)輸入信號(hào)由大逐漸減小，下降到B點(diǎn)時(shí)，輸出由低電平跳變?yōu)楦唠娖?。從圖中可以看到，A點(diǎn)和B點(diǎn)的電壓值是不同的，分別稱為上限閾值電壓和下限閾值電壓。

調(diào)整電位器R3，可以改變上限閾值電壓和下限閾值電壓，讀者可以試一試。圖4-60示波器的仿真結(jié)果4.8波形發(fā)生電路

本小節(jié)中，以正弦波發(fā)生器、方波發(fā)生器、三角波發(fā)生器來(lái)進(jìn)行分析仿真。4.8.1正弦波振蕩電路

正弦波振蕩電路又稱為正弦波發(fā)生器，由基本放大器、反饋網(wǎng)絡(luò)、選頻網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)幅網(wǎng)絡(luò)四部分組成。根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)的不同，正弦波振蕩電路可分為RC振蕩電路和LC振蕩電路。RC振蕩電路主要用于產(chǎn)生1?MHz的低頻信號(hào)，而LC振蕩電路主要用于產(chǎn)生大于1?MHz的高頻信號(hào)。

在Multisim?8窗口中建立如圖4-61所示的RC正弦波振蕩電路，它又被稱為文氏電橋正弦波振蕩電路，其振蕩頻率滿足

，選參數(shù)時(shí)注意圖4-61文氏電橋正弦波振蕩電路啟動(dòng)仿真后，從示波器上可以觀察到，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，文氏電橋正弦波振蕩電路的輸出波形由小到大逐漸建立起來(lái)。到達(dá)穩(wěn)態(tài)后的輸出波形如圖4-62所示，從圖中可讀出：正弦波的周期接近100?ms，與理論計(jì)算值T=2pR1C1=94.2ms相符。

仿真時(shí)注意，開(kāi)始時(shí)將電位器R4的值稍微調(diào)離理論值，以模擬現(xiàn)實(shí)生活中外界環(huán)境的擾動(dòng)，一段時(shí)間后，振蕩器起振后，再將R4調(diào)回理論值。圖4-62示波器的仿真結(jié)果4.8.2非正弦波發(fā)生電路

1．方波發(fā)生器

在Multisim?8窗口中建立如圖4-63所示的方波發(fā)生器，啟動(dòng)仿真，仿真結(jié)果如圖4-64所示。其中，輸入波形為電容C1充放電時(shí)的變化曲線。從圖中可以讀出,方波的周期為131.378ms。圖4-63方波發(fā)生器圖4-64示波器的仿真結(jié)果

2．三角波發(fā)生器

方波經(jīng)過(guò)積分之后就變成三角波，所以三角波發(fā)生器可以用一個(gè)方波發(fā)生器加上一個(gè)積分器來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖4-65所示。U1與R1、R2、R3、R6和限幅穩(wěn)壓管組成了過(guò)零電壓比較器，用來(lái)產(chǎn)生方波，U2及外圍電容、電阻組成了積分器。

啟動(dòng)仿真，調(diào)整電位器R6，得到A點(diǎn)和U2輸出的波形如圖4-66所示，A點(diǎn)的方波經(jīng)過(guò)積分器之后就變成了三角波。圖4-65三角波發(fā)生器圖4-66示波器的仿真結(jié)果

4.9功率放大電路

在Multisim?8窗口中建立如圖4-67所示的OCL互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路。函數(shù)信號(hào)發(fā)生器用來(lái)產(chǎn)生5?V/1?kHz的正弦波輸入信號(hào)。當(dāng)開(kāi)關(guān)S1、S2撥到下面時(shí)，電路為乙類功率放大電路；開(kāi)關(guān)若撥到上面，電路為甲乙類功率放大電路。圖4-67OCL互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器將開(kāi)關(guān)S1、S2撥到下面，即為乙類功率放大電路，啟動(dòng)仿真開(kāi)關(guān)，示波器的波形如圖4-68所示，此時(shí)輸出信號(hào)的正、負(fù)半周交接處產(chǎn)生了嚴(yán)重的交越失真，這是由于晶體管沒(méi)有直流偏置而產(chǎn)生的。

為了消除交越失真，可將開(kāi)關(guān)S1、S2撥到上面，即構(gòu)成甲乙類功率放大電路。重新打開(kāi)仿真開(kāi)關(guān)，得到如圖4-69所示的示波器波形。由于電路中添加了VD1、VD2組成的偏置電路，因此輸出波形不再出現(xiàn)交越失真。測(cè)到的輸出電壓值為4.697V。圖4-68乙類功率放大電路的輸出波形圖4-69甲乙類功率放大電路的輸出波形

4.10直流穩(wěn)壓電源

4.10.1整流、濾波電路

1．整流電路

整流電路的作用是將交流電變化成直流電。最常用的小功率整流電路是單相橋式整流電路，它由4個(gè)二極管構(gòu)成橋式電路，電路如圖4-70所示。圖4-70單相橋式整流電路打開(kāi)仿真開(kāi)關(guān)，示波器的仿真結(jié)果如圖4-71所示。圖4-71示波器的仿真結(jié)果

2．濾波電路

整流電路雖然可以將交流電變成直流電，但輸出的電壓是單相脈動(dòng)的，在很多設(shè)備中，這種脈動(dòng)是不允許的，因此還需要減小脈動(dòng)程度的電路，這就是濾波電路。濾波電路有很多種，本小節(jié)主要介紹電容濾波電路。

電容濾波電路利用了電容在電路中的儲(chǔ)能作用，當(dāng)電源電壓升高時(shí)，把能量存儲(chǔ)起來(lái)，而電源電壓降低時(shí)，再把能量釋放出來(lái)，使負(fù)載電壓比較平滑，多用于小功率電源中。電路如圖4-72所示，仿真結(jié)果如圖4-73所示。圖4-72電容濾波電路圖4-73示波器的仿真