Компонентные модели транзисторов

2.5.2 Компонентные модели транзисторов

Компонентные модели транзисторов традиционно применяют в САПР электронных схем и при разработке самих транзисторов. В системе Picpis на частотах до 100 МГц применяют универсальные модели.

К ним относятся модели для случая "большого" сигнала: биполярных транзисторов (БТ), арсенид-галлиевых и МОП - транзисторы. Модели сепарабельные, то есть малосигнальную макромодель формируют на основе модели для большого сигнала.

К достоинствам таких моделей можно отнести:

-    возможность аттестации их параметров по справочным данным.

-    сепарабельность.

-    возможность построения ряда моделей для одного транзистора, отличающихся друг от друга уровнем сложности.

В основу модели БТ положены идеи, выдвинутые Эберсом и Моллом и развитые для случая передаточной модели Логаном [9,10] или зарядовой модели Гумме-лем - Пуном [13]. Полная встроенная модель представляется в виде адаптированной модели Гуммеля - Пуна, которая по сравнению с исходной моделью позволяет учесть эффекты, возникающие при больших смещениях на переходах. Эта модель автоматически упрощается до более простой модели Эберса - Молла в версии Лога-на, если опустить некоторые параметры. Эквивалентная схема модели транзистора согласно [8] приведена на рисунке 2.19.

Всего аттестуется 55 параметров из них для описания модели Эберса - Молла достаточно использовать 49 параметров, задав 10 параметров, необходимых для описания модели Гуммеля - Пуна по умолчанию.

Всего по умолчанию могут быть заданы 54 параметра, что представляет пользователю широкий манёвр при формировании рабочих моделей.

Модель позволяет производить учёт температурных зависимостей параметров, путём аттестации 10 температурных коэффициентов и задания их области определения (четыре значения температуры и отношений температур). В числе аттестуемых параметров 10 температурных коэффициентов, однако, в доступных пользователю моделях используется только один из них [8].

Рассмотрим модель по Эберсу - Моллу, эквивалентная схема которой представлена на рисунке 2.20. В этом случае в качестве основных токов используются токи, собираемые р-n переходами и моделируемые генераторами тока. Ток 1_П (прямой ток), который передаётся из эмиттера в базу и собирается коллектором, описывается выражением

Аналогично записывается выражение для тока Ij, который передаётся из коллектора через базу в эмиттер в инверсном режиме

Диффузионные ёмкости С_эдиф эмиттерного и С_кДИф коллекторного переходов, согласно рисунку 2.20 подключены параллельно переходам эмитер-база и коллектор-база и рассчитываются по формулам

Постоянные времени т_п и t_s характеризуют инерционность процессов передачи зарядов не основных носителей от одного перехода к другому. Барьерная ёмкость не линейно зависит от обратного напряжения перехода и приближённо описывается выражением

В ряде случаев модель Эберса - Молла учитывает сопротивление диффузионных областей и сопротивление утечки обратносмещённых р-n переходов, токовые и частотные зависимости коэффициентов по току, модуляцию ширины базы, лавинное умножение носителей в р-n переходе, влияние внешних воздействующих факторов (температуры, радиации и т.д.).

Сопротивление диффузионных областей и утечки включают в эквивалентную схему, а остальные эффекты учитывают с помощью аппроксимирующих зависимостей.

При работе транзистора в режиме "большого" сигнала имеет место сильная нелинейная зависимость коэффициентов р_п и pi от напряжений U₃ и U_K. Иногда для выражения зависимости этих коэффициентов от соответствующих напряжений используют степенной ряд [14]

А, = *о + ^аУэ + aJJ] + а_зи^э_э; (2.75)

Д. = а₀ + a_lU_k + a₂U²_k + a₃U³_k. ₍₂.76)

Известны и более сложные формулы, чем выражения (2.75), (2.76). Однако в моделях пакета PSpice ограничились случаем [8]:

З_п = const ; (2.77)

p_t = const , (2.78)

то есть влияние напряжения Uk на ВАХ транзистора не учтено, что существенно ограничивает возможности модели.

Температурная зависимость устанавливается для 16 параметров модели БТ [8]. В первую очередь для токов насыщения эмиттера, коллектора и подложки для прямого и инверсного режимов, максимального коэффициента усиления тока в схеме с общим эмиттером, объёмных сопротивлений эмиттера, базы и коллектора и др. Но в доступных пользователю моделях аттестован только температурный коэффи­циент для токов насыщения. Остальные устанавливаются по умолчанию. В других моделях [6] даже эти параметры не аттестуются. Мало того принято равенство из ранних работ Логана [9,10]

На практике в программе PSpice доступные пользователю модели существенно "усечены" за счёт исключения из базовой модели температурных коэффициентов. Всего в такой модели Эберса - Молла из 49 параметров, согласно [8] аттестовано 27. Потери информации при таких упрощениях модели БТ в литературе не обсуждаются. Линейная схема замещения БТ, сепарабельная схеме рисунка 2.20, приведена на рисунке 2.21. Здесь Кб, R₃, R_K - объемные сопротивления базы, эмиттера и коллекто­ра соответственно; О_бэ - проводимость перехода база-коллектор; Обк - проводимость перехода база-коллектор; G₀ - проводимость коллектор-эмиттер; С_бэ - емкость перехода база-эмиттер; С_эк- емкость перехода коллектор-эмиттер; С_бк- емкость перехода коллектор-база; В_г - максимальный коэффициент усиления в нормальном и инверсном режимах соответственно.

Сепарабельность линеализиованной модели заключается в том, что её параметры R, С_бэ, С_вх, С_бс рассчитываются по параметрам модели Эберса - Молла рисунка 2.20 после расчёта режима транзистора по постоянному току. При использовании модели рисунка 2.21 возможно определить тепловые шумы, вызванные флюктуационными токами, проходящими через сопротивления Rg, R₃ и R_K.

Обращаем внимание на тот факт, что в некоторых источниках вообще не рассматриваются статические модели БТ типа Гуммеля - Пуна и Эберса - Молла [9,10,13], отдавая предпочтение моделям, выраженным в виде ВАХ. С другой стороны, вместо сепарабельных малосигнальных моделей БТ предлагают использовать достаточно широкий круг моделей в виде эквивалентных схем, каждая из которых отражает особенности её применения БТ или удобство статистических моделей [25-35]. определения её параметров [5,7,11,14] или формальных или факторных моделей.

В библиотеке PSpice имеются также встроенные модели полевого канального транзистора (ПКТ), полевого арсенид-галлиевого транзистора (ПАГТ) и МОП-транзистора.

ПКТ описывается моделью Шихмана - Хоужеса [19-21], основанной на использовании идеализированных р-n переходов исток - затвор и сток - затвор. Модель идентифицируется 24—мя параметрами и четырьмя условиями для температурного режима, причём температурная зависимость определена для восьми параметров базовой модели. Для практического использования, также как и для модели БТ, предлагается упрощённая модель, идентифицируемая 10-ю параметрами из 24-х базовой модели. В этой модели температурные зависимости параметров исключены. Более подробное описание модели ПКТ приведено в [8].

ПАГТ описывается четырьмя разновидностями моделей, предложенными Куртисом [22-24] и другими [8]. Модель Куртиса даёт удовлетворительные результаты лишь при описании статического режима, в то время как остальные модели отражают и динамические характеристики ПАГТ. Модели 1-3 уровней идентифицированы 32-мя параметрами и 4-мя условиями в области температуры. Для расчёта модели 4-го уровня количество параметров расширяется до 54-х за счёт более полного описания статического режима. Учёт температурного режима определяют с помощью 5-ти коэффициентов расчета температурных зависимостей 10-ти параметров.

МОП-транзисторы описываются шестью разными системами уравнений, выбор которых осуществляют параметром LEVEL, принимающим значения от одного до шести.

Первый уровень (LEVEL 1) используют в тех случаях, когда не предъявляют высоких требований к точности моделирования ВАХ.

Модели второго и третьего уровней учитывают более тонкие физические процессы.

Параметры четвёртого-шестого уровней рассчитываются по справочным данным с помощью специальных программ и идентификаторов [24]. Все модели имеют одну и туже эквивалентную схему.

Практическая модель МОП-транзистора для третьего уровня содержит всего 18 параметров из 51-го.

Температурные зависимости определены через температурный потенциал ф_т для 13-ти параметров. Подробное описание модели МОП-транзистора приведено в [8].

Для каждой модели МОП-транзистора приведены также линейные сепарабельные схемы замещения.

Встроенные модели транзисторов удовлетворительно работают в диапазоне частот до 100 МГц.

Для описания СВЧ транзисторов используют макромодели на основе встроенных моделей, эквивалентных схем и формальные, выраженные через Y или S-параметры [8]. Эти модели разрабатываются пользователем и вводятся в библиотеку с помощью специального оператора subckt.

Нелинейную макромодель БТ, формируют на основе его встроенной модели. Для этого встроенная модель БТ дополняется пассивными LC-цепями (индуктивностями li, L₂, L₃ и ёмкостями d, ?2, Сз выводов (рисунок 2.21).

Использование рассматриваемой макромодели позволяет расширить применение встроенной модели в области частот выше 100 МГц. Достаточно сложную проблему представляет собой аттестация индуктивностей выводов и паразитных ёмкостей.

Похожие работы

Совершенствование организации управленческого труда в организации

Скачать

128462

1

16

... приведен полный перечень и расчетные формулы используемых для оценки ТК РЭА количественных показателей. 3.2 Разработка информационного обеспечения системы показателей эффективной организации управленческого труда в организации и технологичности конструкции изделий и их составных частей Стандартами ЕСТПП введена система количественных оценок технологичности конструкций, охватывающая всю ...

Поисково-разведочные работы. Восточные Саяны

Скачать

95619

8

4

... (кимберлиты, лампроиты) и сопровождающихся процессами брекчирования, катаклаза, милонитизации и метасоматоза. Наиболее крупные глубинные разломы, прослеживающиеся на Шангулежской площади - Присаянский глубинный разлом, отделяющий структуру Восточного Саяна от Сибирской платформы, и субпараллельный ему Очкосовский, осложняющий восточную границу Бирюсинского купола. 4.2 Ураноностность площади. В ...

Концепция системы управления РУПП "Витязь"

Скачать

81636

14

5

... в соответствии со складывающейся ситуацией, изменение маркетинговой политики, разработка и реализация программ по увеличению продаж. 2. ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО ФОРМИРОВАНИЮ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ 2.1 Определение миссии РУПП «Витязь»   Миссия РУПП «Витязь» - обеспечение потребителей высококачественной продукцией, как телевизионной и спутниковой техникой, так и медицинской техникой, а также другими ...

Интеллектуальные датчики

Скачать

123695

1

3

... ИД состоит в выполнении им, помимо основной функции, функции автоматического метрологического самоконтроля - контроля метрологической исправности. Для повышения эффективности проектирования интеллектуальных датчиков необходимо создание баз данных, касающихся: 1. физических и химических процессов в чувствительных элементах датчиков, порождающих рост опасных составляющих погрешности; 2. динамики ...