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窗体顶端 电器元件模型 :放大电路中的电感 放大电路中的电感 本模型研究了一种放大电路中电感的有限元模型。 简介 现代电子器件复杂程度高，在产品开发和制造过程中更依赖于计算机辅助设计。常用的计算软件基于SPICE模式，最初由Berkeley大学研发出来 (Ref. 1)。SPICE模式包括一个标准化设置的模型，用于描述电器件——尤其是半导体器件，如晶体管，二极管和晶闸管等。 SPICE还包含一个简单的，易于阅读的文本格式，用于电路网表和模型参数说明。虽然网表格式本质上与开始没什么不同，但模型设置和参数经常变化，随着半导体器件的发展，新模型不断加入到最近的文件中。当器件尺寸降低时，会发生一些新效应，需被正确的模拟。持续不断的研究新器件的模拟过程将产生新的模型例子。 当工程师设计一个新的电器元件时，比如电容或电感，器件的SPICE参数未知。既可以来源于有限元软件例如COMSOL多物理场也可以来源于试验测量。为了加速设计过程，SPICE电路模拟部分包含有限元模型将非常便捷，计算器件在真实电路中的情况。 本模型计算一个简单的放大电路，用有限元模型更换其中一个磁芯电感。 COMSOL多物理场计算整个系统的转换情况。利用script添加电路原件作为电感模型的常微分方程（ODEs），同时添加电路中SPICE器件所需的模型参数。 模型定义 电感模型采用AC/DC模块的方位角电感电流模块，计算磁势A: 其中 μ0 真空下的磁导率, μr 为相对磁导率，σ为电导率。 由于电感有很多匝数，单独为每一圈建模型效率不高。该模型使用方块代替整个线圈，其中方块的恒定外部电流密度等效于线圈中每一匝的电流。方块的电导率为0可避免产生涡流，经事实证明独立线圈之间没有电流，每个线圈之间的涡流可忽略。 连接到Spice电路 电路为一个标准的放大电路，其中有一个场效应晶体管，偏压电阻，输入滤波器和输出滤波器（见下图）。 输入正弦信号1?V ，10?kHz。下面列出该电路的SPICE网表： * BJT Amplifier circuit .OPTIONS TNOM=27 .TEMP 27 Vin 1 0 sin(0 1 10kHz) Vcc 4 0 15 Rg 1 2 100 Cin 2 3 10u R1 4 3 47k R2 3 0 10k X1 4 5 inductor RE 7 0 1k Cout 5 6 10u Rl 6 0 10k Q1 5 3 7 BJT .MODEL BJT NPN(Is=15f Ise=15f Isc=0 Bf=260 Br=6.1 + Ikf=.3 Xtb=1.5 Ne=1.3 Nc=2 Rc=1 Rb=10 Eg=1.11 + Cjc=7.5p Mjc=.35 Vjc=.75 Fc=.5 Cje=20p Mje=0.4 Vje=0.75 + Vaf=75 Xtf=3 Xti=3) .SUBCKT inductor V_coil I_coil COMSOL: * .ENDS .END 器件X1代表文件末尾定义的子电路。子电路的定义采用SPICE标准的一部分来定义电路方框，这样可以在主电路中再生成。这里使用特殊执行语句定义COMSOL多物理场模块对应的子电路，参考COMSOL选项COMSOL:?file?name | application?mode?name | *。星号意味着COMSOL多物理场在本模型中寻找首次出现定义的参数V_coil和I_coil 。这些参数是连接模型和电路的变量，必须在模型中采用某特定方式定义。变量 V_coil必须给出施加在器件上的电压，定义为全局变量。 I_coil 也是全局变量，用在模型中作为器件中的电流。 脚本还可以解决两个终端以上的模型文件，这就有必要定义每个终端作为悬浮电位边界条件。注意任何使用接地边界条件时，都将导致这些边界直接接到电路的地节点，标志为0。 晶体管的模型参数与实际器件不匹配，但是数量上还是趋于实际情况的。 输入的SPICE网表不完全匹配SPICE格式；尤其半导体器件模型，仅仅支持很少量的一些参数。提供不支持的参数不会导致错误提示，但是参数不会应用到电流模型中。例如，瞬时电容和温度效应不支持晶体管模型。 结果和讨论 放大器的偏压常常是一个复杂的问题，特别是单独采用晶体管时。添加一个电感作为集电极阻抗简化偏压设计，因为晶体管集电极瞬时电压高于供给电压，这对于电阻器是不可能的。有电感的放大器带宽可以很窄。 开始瞬时计算前，需计算合理的初始化条件。对于这个模型，足够通过非线性变量求解器坡度化外加电压至15V。坡度化后，DC偏压情况正确的被计算，可将这以计算结果作为瞬时计算的初始条件。0.2ms后，磁通密度图如下图?4-26 所示。 图 4-26: 偏压点计算后磁通密度（色