Курсовая работа: Определение параметров модели биполярного транзистора в программе OrCAD 9.2

Поскольку токи I_BE1 и I_BC1 отражают токи неосновных носителей, то иногда их называют идеальными составляющими, так как в идеальном транзисторе только эти токи вносят полезный вклад.

Диоды с токами I_BE2 и I_BC2 отражают паразитные токи основных носителей. Токи основных носителей влияют на режимные зависимости коэффициентов передачи токов транзистора. Эти диоды включены в эквивалентную схему рисунка 1, для того чтобы моделировать рост коэффициентов передачи токов транзистора a и b в области низких уровней инжекции [2].

Рассмотрим назначение остальных элементов эквивалентной схемы транзистора. Как показано на рисунке 1, БТ моделируется как внутренний транзистор с омическими сопротивлениями, включенными последовательно с коллектором (с), базой (b) и эмиттером (е). RE, RC, – объемные сопротивления коллектора и эмиттера. Сопротивление RB – нелинейное сопротивление базы.

Для расчета транзистора в динамическом режиме необходимо учитывать емкости p-n-переходов. Поэтому в эквивалентную схему параллельно p-n-переходам необходимо включить конденсаторы. Емкость эмиттерного перехода, представленная в схеме конденсатором C_JBE , состоит из двух составляющих: барьерной и диффузионной. Емкость коллекторного перехода, как видно из рисунка 1, разделена на две составляющие: одна из них C_JBC относится к активной части коллекторного перехода, лежащей под эмиттером, и подключена параллельно переходу коллектор – база (К-Б); другая C_BX относится к пассивной части перехода К-Б, лежащей вне эмиттера, и подключена непосредственно к базовому выводу. Диффузионная емкость коллекторного перехода целиком отнесена к емкости его активной части.

Емкость перехода коллектор – подложка (К-П) в модели содержит только одну составляющую – барьерную емкость C_JS . Вывод подложки S подключается по-разному в зависимости от конструкции БТ. Обычно цепочка, моделирующая переход К-П, подключена к коллектору. Однако для горизонтальных p-n-p транзисторов, описываемых в PSpice моделью с именем LPNP, подложка образует p-n-переход с базой транзистора и соответственно цепочка, моделирующая этот переход, подключается к базе.

Элементы I_EPI – управляемый источник тока, и две нелинейных емкости, заряды которых на рисунке 1 обозначены Q₀ и Q_W , характеризуют режим квазинасыщения. Этот режим характеризуется прямым смещением перехода внутренняя база – коллектор, в то время как переход наружная база – коллектор остается смещенным в обратном направлении. В результате искажается начальный участок выходных характеристик транзистора вблизи области насыщения [2].

Модель Г-П (рисунок 1) автоматически упрощается до более простой модели Эберса-Молла (Э-М), если опустить некоторые параметры. Эквивалентная схема этой модели для n-p-n-структуры изображена на рисунке 2. Параметры полной математической модели БТ в PSpice приведены в таблице приложения А [5].

Рисунок 2 – Схема замещения биполярного n-p-n-транзистора: передаточная модель Э-М

Электрические модели приборов делятся на статические и динамические. Статические электрические модели отражают стационарное состояние прибора при неизменных внешних управляющих воздействиях и не учитывают переходные процессы и характеристики в приборе. Динамические модели дополнительно отражают переходные процессы, электрические характеристики, изменяющиеся во времени, определяющие поведение прибора при изменении во времени управляющих воздействий.

Обычно моделированию предшествует математический анализ. Под математической моделью понимается система уравнений (или математическое описание другого вида), позволяющая определить с требуемой точностью необходимые характеристики компонента в различных условиях работы. Например, статическая модель транзистора описывается системой уравнений, связывающих токи, напряжения на выводах прибора с его параметрами при работе в статическом режиме [4].

Поэтому, для того чтобы разобраться в принципах построения модели БТ в программе PSpice рассмотрим основные уравнения, описывающие электрические характеристики транзистора. В следующих разделах будут рассмотрены статическая и динамическая PSpice модели БТ и параметры, описывающие их, зависимость параметров моделей от температуры и площади. Малосигнальная модель, а также модель, учитывающая источники шумов в рамках данной работы не рассматриваются.

2. Модель БТ в статическом режиме работы

2.1 Уравнения, описывающие статические характеристики транзистора

Отправной точкой для анализа служит "передаточный вариант" уравнений Эберса-Молла. БТ может рассматриваться как взаимодействующая пара p-n-переходов. Модель Э-М основана на суперпозиции нормального и инверсного транзисторов, работающих в активном режиме. P-n-переходы представляют в виде диодов. Часть тока диода передается через базу транзистора и собирается другим электродом. Этот ток учитывается генератором тока (ГТ), включенным в эквивалентную схему. Модель Э-М связывает токи на выводах транзистора с напряжением на p-n-переходах, поэтому она удобна для автоматического анализа электронных схем [4].

В идеальной передаточной модели в качестве токов связи используются токи, коллектируемые p-n-переходами. Эти токи в эквивалентной схеме моделируются ГТ I_CC и I_EC . В Spice программах два опорных ГТ заменяют на один источник тока I_CT , включенный между эмиттером и коллектором. I_CT определяется следующим выражением [1]:

(1)

где I_S – ток насыщения, kT/q = V_T – тепловой потенциал, V_BE – напряжение перехода Э-Б, V_BC – напряжение перехода К-Б.

Эквивалентная схема передаточной модели Э-М приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Передаточная модель Э-М в Spice [1]

Тогда, согласно [1] токи, текущие через, диоды станут равными:

,(2)

(3)

где b_F и b_R , соответственно, коэффициенты передачи по току в схеме с общим эмиттером в нормальном и инверсном режимах.

Выходные токи будут равны

(4)

Эта модель рекомендуется, когда БТ работает как переключатель на постоянном токе или в определенно узком диапазоне напряжений.

Включение трех постоянных резисторов (r_E , r_B , r_C ) улучшает характеристику модели по постоянному току. Они представляют омические сопротивления транзистора между его активной областью и его К, Э, и Б выводами, соответственно. Эти резисторы включены в модель, как показано на рисунке 4.