作者： Alain Stas

這篇文章的核心內(nèi)容來(lái)自 Paul Horowitz 和 Winfield Hill 的傳奇著作《The Art of Electronics》（中文名《電子學(xué)》），該書(shū)為全球廣大電子工程師所熟知，出版時(shí) SPICE 程序還沒(méi)有像今天這樣普及。本文目的是為了證明用現(xiàn)代 SPICE 技術(shù)和 [Vishay]非線性產(chǎn)品復(fù)制該書(shū)中發(fā)布的許多電路是可能的。

如果向?qū)嶒?yàn)電子工程師做一個(gè)調(diào)查，讓他們選擇一本書(shū)作為參考手冊(cè)，那么大概率 Paul Horowitz 和 Winfield Hill 的《The Art of Electronics》^1^ 將會(huì)列在前幾本。上世紀(jì)九十年代初，在我剛開(kāi)始職業(yè)生涯時(shí)，我曾對(duì)書(shū)中介紹的眾多電路范例贊嘆不已，包括每個(gè)章節(jié)結(jié)尾的電路構(gòu)思。

在關(guān)于晶體管和運(yùn)放的前幾章中所探討的眾多電路中，我發(fā)現(xiàn)了一些處理溫度控制問(wèn)題和解決方案的具體原理圖。具體問(wèn)題是，像二極管和功率晶體管這樣的半導(dǎo)體因?yàn)楣β屎纳⒑铜h(huán)境溫度變化而造成了其特性的變化。解決方案是，一直以來(lái)人們使用 NTC 熱敏電阻和電阻溫度檢測(cè)器 (RTD) 進(jìn)行溫度感測(cè)、控制和補(bǔ)償，以便解決這些潛在的熱問(wèn)題。

變化發(fā)生在 1990 年，從那時(shí)起全球的電子工程師開(kāi)始廣泛使用 SPICE 仿真軟件，最近還加入了熱評(píng)估軟件。例如 LTspice^?^ XVII 已經(jīng)發(fā)布了熱評(píng)估更新，提供像 SOATHERM^2^ 這樣的工具。最近我突然想到去仿真一下《The Art of Electronics》中處理熱問(wèn)題的電路，并用溫度傳感器的動(dòng)態(tài) SPICE 模型對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充，同時(shí)納入加熱元件和雙極/MOS 晶體管的熱模型，應(yīng)該是件有意思的事。

這種仿真的一大好處是，在獨(dú)特的軟件中，原來(lái)的電子電路在一邊，采用封裝熱回路的熱電路在另一邊。加熱對(duì)象（房間或烤爐）的溫度可以直接反饋給傳感器，允許在一個(gè)軟件 (LTspice XVII) 中進(jìn)行完整的熱電子聯(lián)合仿真。但在仿真前，需要合適的模型。幸好，LTspice 就是為精通 DIY 的人準(zhǔn)備的工具。

一開(kāi)始我們會(huì)進(jìn)行基于 NPN 雙極晶體管的單放大器級(jí)的溫度補(bǔ)償 ^3^ 。圖 1a 提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的電路，在這個(gè)電路中我們可以評(píng)估 [2SC4102] 的集電極在不同電流（圖 1b）下的溫度變化。

圖 1a.這個(gè)簡(jiǎn)單的電路可以用于評(píng)估晶體管的集電極在不同電流下的溫度。（圖片來(lái)源：Vishay）

圖 1b.不同溫度（25°C、50°C、75°C、100°C、125°C 和 150°C）下集電極耗散的功率。（圖片來(lái)源：Vishay）

我們可以看到，晶體管的溫度特性（靜態(tài)溫度 TEMP）得到了很好的模型化。在不考慮自熱的情況下，可以使用特殊指令（pointer-alt 鍵）來(lái)表示耗散功率。當(dāng)溫度增加時(shí)，基極/發(fā)射極電壓下降，且集電極電流和功率上升。那么按圖 2 所示，為什么不嘗試將這些影響納入 LTspice 建模，同時(shí)考慮到功率耗散引起的自熱呢？這可能就會(huì)產(chǎn)生一種新的器件：帶輸出（HEAT 引腳）的 NPN 晶體管。

圖 2：一個(gè)帶有第四引腳 (HEAT) 表示功率輸出的 NPN 晶體管（左側(cè)為網(wǎng)表/右側(cè)為符號(hào)）。（圖片來(lái)源：Vishay）

值得注意的是，將 dI 和 dVBE1 參數(shù)（如圖 2 所示）調(diào)整為 2SC4102 的固有 NPN 特性（已納入 LTspice XVII），就可以將自熱引起的附加漂移考慮在內(nèi)。讓我們仿真圖 1a 中兩個(gè) TEMP 溫度值（25°C 和 150°C）下的電路集電極電流。然后讓我們將這兩條曲線與圖 3a 中電路的集電極電流比較一下，其中我們安裝的熱 NPN 帶有散熱器，可以實(shí)現(xiàn) 25 °C/W 的耗散能力。該組件的溫度（現(xiàn)在由 HEAT 引腳上的電壓確定）在低 VBE 時(shí)保持在 25 °C，且隨著集電極電流增加而增加，并會(huì)截止在 150 °C 左右。通過(guò)熱模型獲得的綠色曲線（圖 3b）接近于 TEMP = 25°C 時(shí)的靜態(tài)特征，然后在完全耗散時(shí)與 TEMP = 150°C 的特征吻合。

圖 3a.此電路模型化了一個(gè)可以實(shí)現(xiàn) 25°C/W 耗散的安裝在晶體管上的散熱器。（圖片來(lái)源：Vishay）

圖 3b.散熱器的溫度與所耗散功率比較。（圖片來(lái)源：Vishay）

我們現(xiàn)在可以仿真一個(gè)瞬態(tài)，在這個(gè)瞬態(tài)中，放大器級(jí) NPN 晶體管正在散熱，并將熱量傳遞給散熱器，然后再傳遞給將用于防止電流失控的熱敏電阻 [NTCS0805] ^8^ 。當(dāng)然這種電流穩(wěn)定化方式可以與沒(méi)有熱敏電阻補(bǔ)償?shù)耐浑娐繁容^（圖 4a 和 4b）

圖 4a.電路帶（右）和不帶（左）熱敏電阻穩(wěn)定。（圖片來(lái)源：Vishay）

圖 4b.帶和不帶熱敏電阻穩(wěn)定的晶體管溫度曲線。（圖片來(lái)源：Vishay）

第二個(gè)電路源自《The Art of Electronics》 ^4^ ，是一種用于熱控制的溫控器（圖 5a）。這一個(gè)基本電路仍出現(xiàn)在此書(shū) 2015 版中。我使用了 Vishay [NTCLE203E3103SB0] 熱敏電阻模型^6^ 和代表房間或烤箱的熱電路完成 LTspice 仿真，熱電路通過(guò)熱電阻與外部環(huán)境溫度相連，并通過(guò)代表熱質(zhì)量的電容器進(jìn)行接地。這種電路的工作方式在《The Art of Electronics》^3^ 中進(jìn)行了廣泛描述，這里不再贅述。圖 5b 代表傳送給房間（或烤箱）的功率的波形以及不同元件的溫度變化。它顯示了溫度控制工作的完美，無(wú)論外部溫度如何變化或設(shè)定溫度為何（(50°C、75°C 或 100°C）。

圖 5a.《The Art of Electronics》中經(jīng)過(guò)修改后帶有熱敏電阻和熱電路的溫度控制器。（圖片來(lái)源：Vishay）

圖 5b.所傳遞功率的波形以及不同元件的溫度變化。（圖片來(lái)源：Vishay）

第三個(gè)也是最后一個(gè)例子是快速對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換器的建議原理圖，它帶有一個(gè)溫度系數(shù)為 +0.4 %/°C 的電阻器用于溫度補(bǔ)償 ^5^ 。這是為類(lèi)似熱變電阻（Vishay 的 [PTS 表面貼裝]器件 ^7^ ）引入完整 SPICE 模型的絕佳機(jī)會(huì)。在所有電路中都使用了一個(gè)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換器執(zhí)行 dB 轉(zhuǎn)換。這種轉(zhuǎn)換基于 NPN 晶體管基極/發(fā)射器電壓與集電極電流對(duì)數(shù)間的比例關(guān)系。但同時(shí)還取決于溫度。這也是為什么使用 RTD 的原因，因?yàn)?RTD 與溫度線性相關(guān)。圖 6a 展示了兩個(gè)電路：一個(gè)帶有 RTD，連接在 Q2 基極和接地（上電路）之間，且與定值電阻器（下電路）同等。

圖 6a.兩個(gè)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換器一個(gè) RTD 穩(wěn)定型（上電路）和一個(gè)非 RTD 穩(wěn)定型（下電路）。（圖片來(lái)源：Vishay）

圖 6b 展示了兩個(gè)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出電壓與輸入電壓的函數(shù)關(guān)系。藍(lán)色曲線是穩(wěn)定輸出（上電路 Vout1），而綠色曲線是非穩(wěn)定輸出 (Vout2)。

圖 6b.圖 6a 中的兩個(gè)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出電壓是輸入電壓的函數(shù)。藍(lán)色曲線是穩(wěn)定輸出（上電路 Vout1），而綠色曲線是非穩(wěn)定輸出 (Vout2)。（圖片來(lái)源：Vishay）

在這篇文章中我僅僅是想通過(guò)電子仿真來(lái)追溯性證明這些聰明的設(shè)計(jì)理念確實(shí)行之有效的。乍一看，它們似乎有點(diǎn)多余。然而，我們應(yīng)該想到，在最終完成這些設(shè)計(jì)之前購(gòu)買(mǎi)電路零件、構(gòu)建原理圖和進(jìn)行防錯(cuò)時(shí)，我們要花費(fèi)大量的時(shí)間來(lái)反復(fù)試驗(yàn)。

電子電路的構(gòu)思并不一定需要電子仿真。也不是電子仿真就能給你帶來(lái)電路設(shè)計(jì)的靈感。不過(guò)，憑借現(xiàn)有的模型（包括一些熱模型），LTspice 仿真可以幫助您現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試新的電路構(gòu)想，而且?guī)缀鯖](méi)有成本或延遲。最終，可以讓您更快地完成設(shè)計(jì)，因?yàn)槭状芜\(yùn)行是虛擬運(yùn)行，從而減少了大量煩瑣試錯(cuò)時(shí)間。

參考文獻(xiàn)：

1. The Art of Electronics ，P. Horowitz 和 W. Hill 著，第 2^ ^版 (ISBN 0-521-37095-7) 和第 3^ ^版 (ISBN 978-0-521-80926-9)
2. [LTspice：用于 PCB 和散熱器熱模型的 SOAtherm 支持 | Analog Devices]，來(lái)自網(wǎng)絡(luò)
3. "The Art of Electronics"，P. Horowitz 和 W. Hill 著（ISBN 0-521-37095-7），第 2 章，第 70 頁(yè)及以下章節(jié)和頁(yè)碼。
4. 同上，第 2 章，第 105 頁(yè)。
5. 同上，第 4 章，第 255 頁(yè)。
6. [NTCLE203 系列規(guī)格書(shū)]
7. [PTS1206 系列規(guī)格書(shū)]
8. [NTCS0805 系列規(guī)格書(shū)]

審核編輯 黃宇