Multisim和Excel在二极管特性研究中的应用

陈庆平，江有永

(浙江水利水电专科学校，浙江杭州 310018)

0 引言

Multisim是美国国家仪器公司(National Instruments)发布的交互式SPICE仿真和电路分析的软件，专门用于原理图捕获、交互式仿真、PCB设计和集成测试［1-3］.对于电子工作者来说，能拥有自己的一间实验工作室，是一个梦寐以求的夙愿和奢求.Multisim软件具有种类丰富的电子元器件，品种齐全的虚拟仪器，现在能够掌握和应用Multisim软件就相当于拥有了一个具有世界先进水平的实验室，可以随意在虚拟仿真的电子平台上搭建电路进行实验，自由的在电子世界翱翔，尽情的在电子技术渊深的海洋中探索.

二极管是电子电路中最基本的电子元件，使用最为广泛，认识和掌握二极管的特性是分析电子电路的一个前提，是二极管能学以致用的一个必要条件，同时也是分析其他的电子元件和电子电路的基础.本文克服传统二极管实验中繁琐、费时、特性曲线绘制不准等缺陷，通过Multisim软件对二极管特性进行便捷而形象的仿真测试，应用Excel软件对测试结果进行精准的曲线拟合和显示.

1 二极管特性的仿真与分析

1.1 理论分析

二极管的伏安特性表达式为:

其中:I—流过PN结的电流;

U—外加电压;

Is—反向饱和电流;

UT—温度的电压当量，当T=300 K时，近似取UT=26 mV来进行分析和计算［4-5］.

当外加正向电压U比UT大数倍时，eU/UT≫1，于是I≈IseU/UT，即正向电流随正向电压的增大按指数规律迅速增大.

当外加反向电压时，|U|比UT大数倍时，eU/UT≪1，于是I≈-Is，即加反向电压时.二极管只流过很小的反向饱和电流.当加到二极管上的反向电压增大到某个数值时，反向电流急剧增加，这种现象称为二极管的反向击穿.

1.2 仿真设计

进行二极管特性测试的仿真电路见图1，采用外接电流表的方式进行测试，包括2V的电压源V1、电位器R1、电流表A1、电压表U1和二极管D1组成，电位器R1接电压源V1进行分压处理，电位器R1的阻值可调，如果按下键盘“A”键，可使电位器R1的百分比数值会减小，相当于电位器的触头向上移动，阻值就会减小，如果同时按下电脑键盘“Shift”和“A”键，可使电位器R1的百分比数值增大，相当于电位器的触头向下移动，阻值增大.通过改变电位器R1的阻值来调节二极管D1两端的电压，这是一种比较方便和快捷的调整电压大小的方法.

图1 仿真电路

分别将电位器R1的百分比数值调节为表1所示数据，进行仿真测试，观察并记录电压表U1和电流表A1的示值，将它们填入表1.

表1 二极管伏安特性仿真测试数据

1.3 仿真结果

得到测试数据后，二极管特性分析的传统实验方法是用手工的方法绘制出伏安特性曲线，这样做既费工又费时，更致命的是准确性不高，会对我们的直观效果产生负面的影响，产生误导，为了避免此类问题的发生，本文采用大家常用的Excel软件对仿真测试数据进行处理，运用拟合方法绘制出二极管的伏安特性曲线.把表1中的仿真测试数据按顺序录入Excel表格中，见图2.

选取二极管两端电压及对应电流的数据，即Excel表格中的B3-B19和C3-C19，依次按照“插入”、“图表”、“标准”、“XY 散点图”、“无数据点平滑线散点图”等进行操作［6-7］，设置为时行显示方式，就可以得到二极管特性的拟合曲线，见图3.

2 仿真结果分析

从图2中的仿真测试数据和图3中的拟合曲线可以发现，加在二极管两端的电压与二极管两端流过的电流不成正比，它的伏安特性曲线也并非一条直线，它表明二极管是非线性元件.

从图3中的二极管特性参数拟合曲线可以发现，当加在二极管两端的电压比较小，在0～0.5 V之间时，流过二极管的电流是非常小的，特别是在0～0.3 V之间时，所对应流过二极管的电流，用同一比例(传统的特性曲线中的正向和反向曲线是使用的不同比例)拟合出来的特性曲线，从视觉上看不出电流的变化，可以近视的认为为流过二极管的电流为零，此时看作二极管处于截止状态.

但从图2仿真测试数据上看，还可以发现另一规律，当加在二极管两端的电压在0～0.5 V之间时，流过二极管的电流又是在随着二极管两端的电压增大而呈现缓慢增大的趋势.

研究图2测试数据和图3拟合曲线可以发现，当加在二极管两端的电压＞0.5 V以后，流过二极管的电流会就随着二极管两端的电压增大而迅速增大，但不成线性正比，0.5 V电压为此1N4001型整流二极管的开启电压.

使用此测试方案还可以进一步对二极管的反向伏安特性进行实验和研究.

3 结语

使用Multisim对二极管的特性进行仿真实验，实验数据非常接近传统的实物实验操作的效果，由以上分析可知，仿真测试结果与理论分析一致，Multisim中各元器件选择范围广，参数的设定和修改也很方便，不会象实物实验操作那样多次焊接元件会损坏元件和印刷电路板，而仿真实验使电路调试变得快捷方便.在Multisim对二极管的特性进行测试仿真实验，用Excel对测试数据进行曲线拟合和显示，在此实践过程中，可以得到一一对应的二极管两端的电压和流过二极管的电流的数据，使我们对二极管特性有一个数字量的概念认识.同时我们还得到一准确的二极管特性参数拟合曲线，使我们对二极管特性有一个形象的概念认识，更加深了我们对二极管特性的认识和了解.

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