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基于multisim与matlab软件的场效应管图解分析仿真研究


第 28 卷

第4期

广西物理 GUANAGXI WULI

Vol.28

No.4 2007

基于 multisim 与 matlab 软件的场效应管 图解分析仿真研究
汪双峰,杨炳乾,程晓燕,叶小燕,汤炳书
(连云港师范高等专科学校物理系,江苏 连云

港 222006)
要:通过multisim软件仿真模拟场效应管的转移特性与输出特性,拟合出函数,利用函数绘图,最后 结合图解法的具体步骤与要求用matlab数学软件对场效应管放大电路进行详细动态分析,补充模 拟电子技术教材在场效应管图解法部分的不足。 关键词:场效应管;图解法;multisim软件;matlab软件;仿真 中图分类号:TN32 文献标识码:A 文章编号:1003-7551(2007)04-0048-03 摘

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引言

场效应管又称为单极性半导体三极管,简称 FET,与双极性三极管相比,场效应管具有输入阻抗非常高、 噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强等优点。放大电路的分析方法有图解法与微变等电路方法,图解法是在 承认特征曲线的前提下,以输入、输出特性为基础,利用作图直接描绘出电路电压波形,从而求解电路指标 的方法。图解法分析放大电路具有简明直观等优点,可以方便求解问题,且具有物理思路清晰的特点,反映 放大电路的工作状态及变化,可以用来分析动态范围、非线性失真、电路参数对工作点的影响及求解方法倍 数等,是电子电路分析的最基本方法之一。目前国内模拟电子技术基础与高频电路教材中在分析双极型晶体 [1,2,4] , 但在场效应管组成的放 三极管组成的放大电路中都有相关介绍特别是在分析功率放大电路时应用较多 [3] 大电路中都没有介绍,有些高职高专教材中甚至没有图解法的具体内容 。为了深刻理解场效应放大电路与 [5] 图解法,我们首先首先通过 multisim 软件仿真模拟场效应管的转移特性与输出特性 ,其次结合图解法的具 体步骤与要求用 matlab 数学软件对场效应管放大电路进行详细动态分析,补充模拟电子技术教材在场效应 管图解法部分的不足。

2

multisim 软件仿真实验场效应管特性曲线

multisim 是加拿大 Interactive Image Technologies 公司(简称 IIT 公司)推出的专门用于电子线路 设计和仿真的 EDA 工具软件,其前身是 EWB(Electronics Workbench 电子工作平台),其用户界面友好,集 成丰富的元器件库,如基本元件库、模拟集成器件库、数字集成器件库、指示器件库、控制部件库等。尤其 是多种可放置到设计电路中的虚拟仪表,如数字万用表、函数信号发生器、示波器、波特图图示仪、字信号 发生器、逻辑转换仪。还有多种分析仪器仪表,如网络分析仪、IV 分析仪等,这些仪器面板和真实仪器十分 相似,操作简便。有完备的分析功能,如静态工作点分析、交流小信号分析、瞬态分析、灵敏度分析、参数 扫描分析、温度扫描分析、传输函数分析、最坏情况分析、蒙特卡罗分析、批处理分析、噪声指数分析、射 频分析等。整个操作界面就像一个电子实验工作台,绘制电路所需的元器件和仿真分析所需的仪器仪表均可 用鼠标直接拖动放到屏幕上,通过鼠标连线,生成完整的电路。 [4] multisim 仿真 NDMOS 场效应管电路图如图 1,其输出特性图可以从 multisim 直流扫描出 ,但较为简便 的方法是,在放大电路输出端直接用 IV 分析仪分析,其管脚连接方式分别为 GSD。双击 IV 分析仪进行参数 设置,调整元件为 NMOS,SIM 参量设置模拟参数为:VDS 默认,VGS 的下限调整为-5。对电路仿真“分析” “直流工作点” 可以得出各个节点的“直流工作点”电压值可以知道 UDSQ,通过“后信息处理”可以得出 , “记录仪” “IV 分析仪分析图标”中显示“游标” ,左右都 节点电流 IDQ。运行后 IV 分析仪特征曲线如图 2。 有采集数据的标尺,拖动标尺,可以得到一定 UDS 时的 UGS 及 ID 的值,由此可以求出转移特性曲线。
* 基金项目:江苏省教育科学研究院“十一五”立项课题资助项目(2006-R-2799) ** 收稿日期:2007-11-10 48

基于 multisim 与 matlab 软件的场效应管图解分析仿真研究

数据可以直接导出到 Exel 和 mathcad,被 matlab 直接采用。方便了数据的采集,避免了人工采集的繁 琐,数据采集的数量取决于 IE 和示波器电流电压分辨率的调整。设采集的数据分别为 v=[v1,v2,v3,…,vi], i=[ i1,i2,i3,…,ii],下面用 matlab 分析这些数据。

3

matlab绘图动态分析场效应管放大电路

MATLAB 是当今科学界最具影响力、也最有活力的软件,它起源于矩阵运算,已发展成一种高度集成的计 算机语言,可以提供强大的科学运算、灵活的程序设计流程、高质量的图形可视化与界面设计功能,在工业 [6-7] 研究与开发、数学教学,数值分析和科学计算方面有广泛的应用 。

图1

场效应管仿真电路图

图2

IV 分析仪分析结果
[5]

3.1 根据导出的数据用函数拟合
设对数拟合函数 i = a ? ke mu , 的数据采集个数与 i 的数据采集一一对应。 u matlab 非线性规划函数拟合 具体的 M 文件程序如下:
u=[u1 u2 u3…ui-1 ui],i=[i1 i2 i3…ii-1 ii]; myfunc=inline('beta(1)-beta(2)*exp(-beta(3)*u)','beta','u'); beta=nlinfit(u,i,myfunc,[1 1 1]); a=beta(1),k=beta(2),m=beta(3) uu= u1:1/100: ui ,ii=a-k*exp(-m*uu); plot(u,i,'.',uu,ii,'r')
U DS

拟合函数的各系数求出,与 PN 结方程 iD = I DSS (e UT ? 1) 系数对应。可以验证函数来源于 PN 结特性方程。 同理,转移特性函数接近于 i = I (1 ? U GS ) 2 。 D DSS
U GS ( off )

3.2 根据函数用 matlab 绘制转移曲线和特征曲线 函数绘图。 在此用函数绘制出特性曲线进行图解分析, 绘制转移特性曲线和输出特性曲线二个矩形图框, 具体 matlab 的 M 文件如下:
x1=-4:1/100:0,x2=0:1/100:20 y1=4*(1+x1/4).^2,y=0.5-0.5*exp(-4*x2) subplot(1,2,1) plot(x1,y1),grid subplot(1,2,2)

i(D)

i(D)

plot(x2,0.1*y,x2,y,x2,2*y,x2,3*y,x2,4*y), grid 3.3 根据绘图对场效应管放大电路动态分析 3.3.1 画交直流负载线 (1)根据直流通路确定直流负载线、静态工作点:电容 相当于断路,令 iD = 0 ,则 vD = VDD 得 M 点;令 vD = 0 ,则
C i(DSS)

i(D) M t

P Q2 Q Q1

D

U(DSQ) u(GSoff) t u(GS) H t

N

iDD = VDD /( Rs + R) 得 N 点, 为直流负载线。 与特征曲 MN MN
线 uGS=0 交于静态工作点 Q(UDSQ,IDQ)点,如图 3。

u(DS)

图 3 场效应管详解图 49

第 28 卷 第 4 期 广西物理 GUANAGXI WULI Vol.28 No.4 2007 (2)根据交流通路确定交流负载线:电容相当于短路,交流负载线斜率 k交 = 1/ R ,由点斜式作交流负载线 PH 如图 3。交流负载线 PH 交特征曲线于 Q1、Q2 点。 3.3.2 放大电路动态分析 当输入交流信号 uS = AS sin ωt 时,沿图分析: (1)输入信号 uGS 是由 UGSQ 和 ui 叠加而成的即: uGS = U GSQ + ui = U GSQ + U GSsin(ωt ) 。由于 uGS 幅度变化 [-UGS, GS]较小, U 在转移特性曲线的动态工作范围在接近于直线段的 CD 之间变化, 其斜率 k CD = ?i D = g m [1]。 ?u GS 当 uGS 正弦规律变化时,iD 成正比也按正弦规律变化。 (2)iD 是 由 IDQ 叠 加 iD 而 合 成 即 : iD = I DQ + I D sin(ωt ) 。 iD 在 [-ID , ID] 范 围 内 以 顺 序 IDQ
[2]

ID IDQ -ID IDQ 随时间 t 做正弦变动: ?iD = kCD ?uGS = g m ?uGS 。
(3)随着 iD 的变化信号交流负载线与特性曲线的交点也随之变化:当 iD 从 IDQ 开始增大到峰值 ID 时,交 点沿着负载线上移动到 Q1 点; 从峰值 ID 回到 IDQ 时,交点又回到 Q 点;当 iD 从 IDQ 开始减小到谷值-ID 时, 交点也沿着负载线向下移动到 Q2 点;当 iD 从谷值-ID 回升到 iD 时,交点也从 Q2 点回升到 Q 点,即电流在

′ 交流负载线上| Q1Q2|内以 Q Q1 Q Q2 顺序变动。由图可知直线段|Q1Q2|斜率 k交 = ??iD / ?u DS = ?1/ RL 。
(4)输出信号 uDS 在也是在静态量的基础上叠加了交流量而合成的即: uDS = UDS + uO = UDS + UD sin(ωt ) ,uO 在[-UDS,UDS]内 UDSQ

UDSQ-UDS

UDSQ

′ UDSQ+UDS 顺序变化: ?u DS = ??iD / k交 = ? RL g m ?iD 。则输出

′ ′ ′ 电压 uO = U DS sin ωt = RD g mU DS sin ωt = ? RD g mui 故放大率 AU = uo / ui = ? RD g m 。

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结论

图解分析方法适用于大信号放大电路,而传统场效应管多工作在小信号状态,所以使得图解分析方法在 场效应管放大电路中的应用受到限制,因此国内众多教材在分析场效应管放大电路只有微变等效电路而没有 图解分析法就不足为奇了,但随着科技的进步,不断有大功率场效应管应用,由本文分析可知图解分析法在 场效应管中依然是分析问题的重要方法。同时本文利用 multisim 软件仿真模拟特征曲线, 用 matlab 数学 软件对场效应管放大电路进行详细动态分析,如果在教学中可以采用动画显示信号在转移特性和特征曲线上 的走向变化,会更鲜明突出更直观,补充模拟电子技术教材在场效应管图解分析方法部分的欠缺。 参 考 文 献

[1]康华光,陈大钦. 电子技术基础(模拟部分第四版)[M]. 北京: 高等教育出版社,1999. [2]汤炳书. 放大电路图解法的教学讨论[J]. 常熟高专学报,1999,6:70-71. [3]胡宴如. 模拟电子技术基础[M]. 北京: 高等教育出版社,2004. [4]曾庆科,秦子雄,林战平等. 应用 Spice 程序分析高频功率放大器的动态特性[J]. 广西物理,2006,27(2):34-36. [5]邓玉元,黄天禄,蒋卓勤. 基于Multisim的晶体管输出特性曲线测试[J]. 现代电子术,2003,7:17-19. [6]李丽,王振领. MATLAB 工程计算及应用[M]. 北京: 人民邮电出版社,2001. [7]鞠衍清. 基于 Matlab 的电路暂态过程分析[J]. 广西物理,2005,26(1):30-32.

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