电器元件模型

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1、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

2、。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

3、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：*BJTAmpli

4、fiercircuit.OPTIONSTNOM=27.TEMP27Vin10sin(0110kHz)Vcc4015Rg12100Cin2310uR14347kR23010kX145inductorRE701kCout5610uRl6010kQ1537BJT.MODELBJTNPN(Is=15fIse=15fIsc=0Bf=260Br=6.1+Ikf=.3Xtb=1.5Ne=1.3Nc=2Rc=1Rb=10Eg=1.11+Cjc=7.5pMjc=.35Vjc=.75Fc=.5Cje=20pMje=0.4Vje=0.75+Vaf=75Xtf=3X

5、ti=3).SUBCKTinductorV_coilI_coilCOMSOL:*.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: 

6、

7、*。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_

8、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

9、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（色彩）图。采用全局变量绘图，可轻易在一张图上绘出输入信号，输出信号和电感电压。图4-27:输入信号(U_VIN_c

10、ir)，输出信号(U_RL_cir)和电感电压(U_X1_cir)作为时间函数。输出信号幅值相对输入信号放大1.5倍。参考文献1.“SPICE首页,”http://