二极管应用的Multisim14仿真研究
二极管应用的Multisim14仿真研究
二极管是电子技术中最基本的元器件之一，具有单向导电性。本文将使用Multisim软件进行二极管电路的仿真研究，包括整流、限幅、钳位等功能，并通过Multisim软件进行了仿真验证。
引言
二极管是电子技术中最基本的元器件之一，它是由P型半导体和N型半导体组成的，具有单向导电性。当二极管正向偏置时，电流可以顺利通过；当反向偏置时，电流几乎为零。此外，二极管还具有非线性电阻特性，即其电压-电流关系不是直线。
电路中，二极管可以用于整流、限幅、钳位等功能。然而，二极管的工作原理和特性较为复，需要通过实验来验证其功能。本文将使用Multisim软件进行二极管电路的仿真研究。
1.仿真范例
■1．1常用整流二极管的三个基本参数测试
利用 Multisim 的伏安特性测试仪 IV analyzer 测试常用 整流二极管的三个基本参数： IF（最大正向平均电流）、IS （反向饱和电流）、URM（反向击穿电压）。
实验材料：
①1N4001等各种型号二极管
②伏安特性测试仪
我们以 二极管IN4001 为例，仿真测试电路如图 1 所示
图1
通过IV analyzer观察我们得到二极管伏安图像如图2：
图2
移动光标到正向击穿区的拐点位置时：
UR1 = 735.729 mV，IR1 = 46.262 mA
当光标移动到反向截止区的中间位置时：
UR2 = -26.512 V， RI2 = -32.062 nA
当光标向左移动到击穿区的拐点位置时：
UR3 = -52.896 V，IR3 = -1.854 nA
当光标继续向左移动到击穿区时测得三组数据
UR3 = -53.911 V，IR3 = -14.106 nA
UR3 = -54.419 V，IR3 = -25.587 nA
UR3 = -55.443 V，IR3 = -48.876 nA
我们可以看到，截止区IN4001的反向饱和电流Is ≈ 32nA，反向击穿电压URM ≈ 50.3V，而且在反向击穿的时候，电流对电压变化极其敏感：电压变化不大，但电流值快速上升。所以我们要严格按照试验标准实验，避免二极管过热损坏。
下面为了更好的测量正向特性参数，我们将simulate param的范围调小，得到的二极管伏安特性曲线如图3。
图3
我们测得以下几组数据：
UD1 ＝ 501.057 mV ID1 ＝ 514.535 μA
UD2 ＝ 606.765 mV ID2 ＝ 3.96 mA
UD3 ＝ 701.903 mV ID3 ＝ 24.493 mA
UD4 ＝ 807.611 mV ID4 ＝ 167.867 mA
UD5 ＝ 902.748 mV ID5 = 686.959 mA
UD6 = 987.315 V ID6 = 1.623 A
UD7 = 1.008 V ID7 = 1.916 A
UD8 = 1.114 V ID8 = 3.616 A
从 UD1 和 ID1 可以看出，我们一般将死区电压设为0.5V是合理的，此时二极管的正向电流处于微安级，二极管虽然正偏仍然处于截止状态；从 UD2 和 ID2 可以看出，在一般的等效处理过程中将UD(on)设为0.7V是合理的，此时二极管的正向电流达到毫安级，二极管已经正向导通状态。就图像而言，Si二极管的正向导通电压在0.6V-0.8V之间，在这个范围内，二极管刚刚导通，电流尚处于微安级别，但是一旦电压超过0.8V，电流的变化非常快。故我们在使用二极管时，应串联一个限流电阻防止二极管过热烧坏或击穿。
在下面的计算中，对于电压较小的电路一般采用二极管的恒压降模型，对于电压较大的电路一般采用理想模型。我们规定UD(on) = 0.7V。各模型如图4所示。
图4
■1．2单向导电性测试
在Multisim中，我们分别将二极管正偏和反偏，并分别测的其导通电流。
图5
图6
用二极管1N4148做仿真，与12V直流电压，5Ω保护电阻串联时正向电流为1.7A，反向电流为9.6nA差了10^8数量级，用二极管1N4001做仿真，与12V直流电压，5Ω保护电阻串联时正向电流为2.2A，反向电流为37nA差了10^7数量级，由此可见二极管在正向时可看成小电阻，在反向时可近似看为断路。
■1．3整流电路测试
整流电路：整流电路是将交流电转换为直流电的电路。在Multisim14中，我们设计了一个单相半波整流电路，并通过仿真得到了输出电压的波形。
图7
如图7所示整流电路利用二极管1N4001的单向导电性过滤掉了单侧电压而保留了另一侧电压，因此可以把交流电源变成直流电源。
■1．4限幅电路测试
限幅电路：限幅电路是限制输出电压或电流不超过一定范围的电路。在Multisim14中，我们设计了一个二极管限幅电路，并通过仿真得到了限幅后的电压波形。
1.单向限幅电路
图8
图9
如图8所示当振幅较低时。单向限幅电路无法正常工作。而如图9所示当振幅达到一定值时，单向限幅电路会过滤掉超过范围的单侧电压，可以保证单侧电压不超过某一特定值，因此可以保护所并联的电路元件。
2.双向限幅电路
.
图10
如图10，双向限幅电路同理，可以同时过滤双向电压，因此保护所串联的电路元件。
■1．5钳位电路测试
1.顶部钳位电路
这是一个将输入矩形脉冲的顶部（5伏）变成约-5伏的顶部箝位钳位电路。双击示波器图标，调节X轴扫描为500μS/Div。打开电源开关，可以比较两信号的电平差别。
2.底部钳位电路
该电路是一个将输入矩形脉冲的底部（零电平）变成8伏的底部钳位电路。双击示波器图标，调节X轴扫描为500μS/Div。打开电源开关，可以比较两信号的电平差别。
2. 二极管小信号工作方式测试及其微变等效
1.实验材料：
① 1N4001 二极管
②50mV 1kHz交流和15V直流电源
③双踪示波器
④电压表
2.仿真测试
（1）二极管小信号工作方式仿真测试
仿真电路如图-2.1所示。
图2.1
如图-2.1所示。示波器光标T1 ＝ 0时Channel A 的读数为 14.307V，与直流电压表 U1 的读数基本一致，反映的是负载 R1上输出直流电压平均值 UO，说明二极管的导通压降 UON ＝ 15V-14.307V = 0.693V；光标 T2 时刻读出输出波形的峰值 Uop 为 14.396V，近似等于直流电压表 U1 的读数 14.307V 加上 50mV 交流信号的峰值 70.7mV。
利用叠加定理，对电路进行微变等效：
我们约定：小写字母表示叠加定理中含交流信号电路里的物理量，大写字母表示叠加定理中直流电路里的物理量。
设rd为在交流电路中二极管所等效的电阻，
rd = d(ud)/d(id) ≈ UT/ID 其中，UT在常温下为常数26mV，ID为直流电路中的电流
ID = （7-0.7）/1K A = 14.3mA
rd = 26/14.3 Ω ≈ 1.82Ω
在交流电路中，交流电流
id = Ui/（rd+R1） ≈ 0.00004991A = 0.04991mA
R1 两端电压 ur1 = id * 1kΩ = 49.991mV
原电路总电流** iD = id + ID ≈ 14.38mA**
原电路电压表示数 U = 14.3V + ur1 * sqrt(2) ≈ 14.371V
我们可以看到：仿真结果与我们计算所得结果误差
（14.396 – 14.371）/14.371 ≈ 0.174%
仿真结果与理论计算高度符合。
(2)共阳和共阴接法时二极管优先导通测试
实验材料：
① 1N4001 二极管
②50mV 1kHz交流和15V直流电源
③双踪示波器
④电压表
共阳接法如图-3.1，共阴接法如图-3.2:
图-3.1
图-3.2
我们现在需要验证的是:当共阳接法时,阴极点位最低的会优先导通,供阴接法时,阳极电位最高的会优先导通。
对于图-3.1所示电路:
利用KVL:
2V - UD1 + (-1.33) = 0
UD1 = 0.67V
同理 UD2 = -13.33V
UD3 = -1.33V
由仿真案例(1)我们可以得到二极管反向击穿电压为-50V,左右,因此D2,D3不但没有正向导通,也没有反向击穿,由此我们可以验证结论: 当共阳接法时,阴极点位最低的会优先导通。
对于图-3.1所示电路:
处理数据得到:
UD1 = -7.342V
UD2 = 0.658V
UD3 = -5.342V
显然: D2优先被击穿。我们可以得到结论:供阴接法时,阳极电位最高的会优先导通。
测试结果充分证明了共阳或共阴接法时二极管优先导通结论的正确性。
(3)稳压管基本稳压电路测试
实验器材：
① 1N4733 稳压管
②0.2mV 50Hz交流和8V直流电源
③双踪示波器
④电压表
⑤电阻和滑变电阻器各一个
实验电路图如图-4.1。
图-4.1
我们将直流电源和交流电源串联起来从而模拟不稳定的电压。限流电阻确定后，负载电阻也许保证在一定范围内从而使稳压管工作时电流维持在IZmin-IZmax，只有这样才能维持R3两端电压的稳定，此时channel B所显示的图像应近似为一条直线。模拟数据如图-4.2。
图-4.2
Channel A T2 = 0时电压为8.000V，这表示的电路电源的平均值。我们测得电路电源峰值为8.280V，计算理论值为 8.000V + sqrt(2)*0.2V = 8.283V，相对误差为(8.283V – 8.280V)/8.283V ≈ 0.03%，仿真的结果是可靠的。
在DC模式下我们可以看到channel B 电压在5V上下浮动，现在我们将模式调到AC再观察滑变电阻器两端电压。注意，我们将channel B的Scale调到了10mV/Div。
数据如图-4.3。
图-4.3
我们可以发现，滑变电阻器AC模式下测得的交流浮动的绝对值不超过4mV，占5V电压的0.08%，完全可以忽略不计，因此可以认为滑变电阻器两端电压是稳定的。
通过仿真测试可以得到这样的结论：负载电阻在一定范围变化时,通过R1和D1组成的基本稳压电路后,负载上可以获得稳定的直流电压。
2.结束语
我们设计了几种常见的二极管电路，包括整流电路、限幅电路和钳位电路等。在Multisim中，我们首先建立了电路图，然后设置了相应的参数，最后进行了仿真。
通过Multisim的仿真，我们得到了二极管电路的电压和电流波形，验证了二极管电路的正确性和有效性。同时，仿真结果也显示了二极管的特性，如单向导电性和非线性电阻特性。
3.总结
本文使用Multisim软件对二极管电路进行了仿真研究，验证了二极管电路的正确性和有效性。通过仿真，我们对二极管的工作原理和特性有了更深入的理解，为后续的电路设计和优化提供了参考。