Устройство для моделирования транзистора

 

Оп и сАк

ИЗОБРЕТЕН 708366

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено250777 (21) 251132

М. Кл.2

06 G 7/48 с присоединением заявки Нов (23) ПриоритетГосударственный комитет

СССР яо делам изобретений и открытий

УДК 681. 333 (088.8) Опубликовано 05.0180 Бюлле

Дата опубликования описани (72) Автор изобретения

В. П. Погорелов (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ

ТРАНЗИСТОРА

Изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано для моделирования и расчета цепей, содержащих транзисторы.

Известно устройство для моделирования транзисторов по их эквивалентным схемам, содержащее резисторы для моделирования пассив ных цепей, генераторы для моделирования независимых источников напряжения (1) .

Недостатком этого устройства яв— ляется наличие большого количества элементов и сложность схем самих моделей, например, в этой модели имеется большое количество источников питания. Кроме того, для составления такой модели необходим предварительный расчет параметров эквивалентной схемы замещения транзистора, который в свою очередь требует знания h-параметров транзистора.

Наиболее близким техническим решением к предложенному изобретению является устройство для моделирования,транзистора, содержащее источники напряжения, выход одного из которых подключен к первому входу первого функционального преобразователя, и инвертор (2) .

Недостатком этого устройства является невысокая точность моделирования вследствие неглубокого проникновения в существо физических процессов, происходящих в транзисторе, и как следствие недостаточная гибкость модели. Это приводит к тому, что с помощью этого устройства невозможно воспроизвести физические процессы, протекающие в эмиттерном и коллекторном р-и переходах в отдельности, так как устройство моделирует транзистор в целом.

Цель настоящего изобретения повышение точности моделирования за счет воспроизведения физических процессов, происходящих отдельно в эмиттерном и коллекторном р-и переходах транзистора, Цель достигается тем, что в устройство введены разделительный элемент односторонней проводимости и второй функциональный преобразователь, выход которого подключен ко второму входу первого функционального преобразователя, выход которого через инвертор соединен с первым входом второго функционального преобразователя, второй вход которого подключен к выхо708366 ду другого источника напряжения, выход которого через разделительный элемент односторонней пров одимости соединен со входом по опорному напряжению первого функционального преобразователя, На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства для модели,рования транзистора, на фиг, 2 ,электрическая схема транзистора р-и-р типа с обозначениями принятых за условно положительные направления токов и напряжений на его электродах; на фиг. 3 приведено полученное с помощью модели семейство статических коллекторных характеристик транзистора в схеме с общим эмиттером; на фиг, 4 показано семейство статических характеристик, воспроизводимых первым функциональным преобразователем. На фиг. 5 приведена статичес— кая вольтамперная характеристика эмиттерного р-и перехода; на фиг." 6 соответствующая ей характеристика, воспроизводимая вторым функциональным преобразователем.

На схеме (фиг. 1) представлены источники напря>кения 1, 2, первый функциональный преобразователь 3, второй функциональный преобразователь 4, инвертор 5, разделительный элемент односторонйей проводимости 6, операционные усилители (0V)

7, 8, входные резисторы 9, 10, 11, 12„ 13, 14 обратной связи операционных усилителей, делители напряжения 15 „16, полупроводниковые диоды 17, 18, входные резисторы 19, 20, источник опорного напряжения

Е,п 21.

Моделирование транзистора ос нов ано на в оспроизв едении его стат ич ес- 4О ких вольтамперных характеристик при их кусочно-линейной аппроксимации.

При этом отдельными блоками моделируются коллекторные (выходные) характеристики и базовые (входные) характеристики. Считается, что коллекторные характеристики отражают процессы, происходящие в коллекторном р-и переходе, а базовые — в эмиттерном р-и переходе. Эти характе- 5О ристики при моделировании могут быть аппроксимированы произвольным чис— лом отрезков прямой линии.

При моделировании транзисторов возникает задача создания моделей транзисторов разного типа пров оди— мости. Устройство моделей транзисторов р-п-р и и-р-и типов принципиально ничем не отличается, поэтому в дальнейшем для определенности 6() полагаем, что рассматривается моделирование транзистора типа р-п-р„

Описываемое ниже устройство для моделирования транзистора воспроизводит статические коллекторные характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером (фиг, 3) вида (О,1, (1)

Г д е 1 = 3 с 3 - < л э < д -, < л фиксированные значения тока базы.

При моделировании используется известное представление о том, что транзистор является трехслойной полупров од«ик ов ой структурой, с одержащей два р-rl перехода: эмиттерный и коллекторный (см. фиг. 2) . Напряжение, приложенное между зажимами эмиттера и коллектора — Бзк, равно сумме напряжений (1к э +П (2) где U - напряжение на эмиттерном р-и переходе;

Ок- напряжение на коллекторном р-и переходе.

Для схемы с общим эмиттером также справедливо условие, что ток змиттера j равен сумме токов базы и коллектора

"з iS +iк 2,/ где i — ток базы;

1 — ток коллектора .

Напряжение U на выходе источника 1 пропорционально току базы транзистора, а «апряжение П, на выхо 2 де Нс To÷«èêà 2 пропорционально напряжению () между эмиттером и коллектором. Напряжение U пропорциональное току к оллек тора i, вырабатыв аетс я на выходе инвертора 5. Функциональньй преобразователь 3 представляет собой операционный усилитель (Оу) 7 с двумя входными резисторами 9 и

10, в цепь обратной связи которого включе«ы параллельно резистор 13 и трехполюсный диодный элемент, Диодный элемент выполнен на основе делителя напряже«ия 15 и полупроводникового диода 17, подключенного к суммирующей точке усилителя 7 через резистор 19. Один входной зажим делителя напряжения 15 подключен к выходу усилителя 7, второй входной зажим — к катоду разделительного элемента 6. Выход делителя соединен с катодом диода 17. Функциональный преобразователь 3 имеет два входа: один вход подключен к выходу источника 2, другой вход подключен к выходу функционального преобразова- теля 4.

Выход функционального преобразователя 3 соединен со входом инвертора 5. Функциональный преобразователь 4 выполнен аналогично функциональномуу преобра з ов ателю 3 и отличается лишь тем, что второй вход делителя напряжения 16 подключен к положительному полюсу источника опорного напряжения 21 Е,>„, не изменяющего свою величину, Функциональный преобразователь 4 выра батыв ает напр я жение 0<, пропорциональное напряже708366 нию на змиттерном переходе U9, но с обратньм знаком, т.е. (3 -- — О, .

Инвертор 5 предназначен для изменения на противоположный знака выходного напряжения функционального преобразователя 3, т. е. на выходе инвертора 5 вырабатывается напряжение (3 пропорци аналь ное току коллектора транзистора.

Устройство работает следующим образомом.

При подаче на вход функционального преобразователя 3 от источника

2 напряжения U< положительной полярности, пропорционального напряжению IJ транзистора, на входе функционального преобразователя 3 происходит суммирование напряжений () и 1), и на суммирующей точке усилителя 7 вырабатывается в соответствии с выражением (2) сигнал, пропорциональный напряжению Ц на коллектарном р-гг переК ходе, LIK= UK3™ э

Функциональный преобразователь 3 осуществляет функциональное преобразование (4)

Бэ = Ц3(П + Ug U), график которого приведен на Фиг. 4, соответствующее преоб раз ов а нию

1к 1 к (Uê id}

На выходе функционального . преобразователя 3 вырабатывается напряжение IJ., пропорциональное отрицательному току коллектора. Значение этого напряжения зависит от величины управляюг pão напряжения ()„, пропорционального току базы i< транзистора, которое подается через разделительный элемент 6 от источника 1 на вход делителя напряжения 15. При неизменном значении напряжения (1,, например

U4 = U4), соатвЕтствуюшем некоторому постоянному значению тока базы — I 4 Функциональный преобразователь 3 воспроизводит нелинейную эаUg — Ug (Ug +U4 UqI ) которая соответствует лишь одной ветви семеиств а коллек тарных в альтамперных характеристик < — — i <(U з.) для тока 1,5. (см. Фиг. 3) . Эта зависимость имеет два характерных участка: первый начальный участок, идущий под углом около 90 к оси абсцисс, и второй участок, идущий под небольшим углом к оси абсцисс соединяющиеся в точке перегиба А4

Первый начальный участок можно назвать участком насыщения, так как он соответствуе — режиму насыщения транзистора, а второй — участком активного режима, так как от соответствует активному режиму работы транзистора.

Функциональный преобразователь 3 работает следующим образом. С увеличением напряжения U

К йж В4Ъ (в) (— и

Как только сумма напряжений достигнет значения, соответствующего точке перегиба а„ изображающая точк а переходит йа второй участок — в работу включается диодный элемент, выполненный на базе делителя напряжения 15 и диода

17, подключенный к входу усилителя

7 через резистор 19. Диодный элемент настроен на некоторое значение напряжения отпирания диода 1 7, определяемое максималь ныл рабочим значением тока коллектора моделируемого транзистора, Это значение устанавливается путем установки движка делителя 15 в определенное фиксированное положение. При увеличении положительного по знаку напряжения (U> +U4) больше значения, соответствующего точке перегиба характеристики а4, диод 17 открывается и начинает формироваться второй участок статической характеристики транзистора. Этот участок имеет меньший наклон к оси абсцисс, так как коэф4>ициент; усиления усилителя 7 при наличии дополнительной цепи обратной связи значительно меньше и приблизительно равен

)с = — "-9 — (7)

При уменьшении суммы напряжений (U< +U4} изображающая точка, движется влево па второму участку до точки перегиба а<, где диод 1 7 закрывается, а затем вверх по первому участку до начала координат.

Если теперь изменить значение напряжения ()„., например, увеличить, что будет соответствовать большему значению тока базы (- --Ig>, то это приведет к изменению настройки диодного элемента, а именно к увеличению отрицательного потенциала отпирания диода 17. В результате длина начальнога участка от начала координат до тачки перегиба а увели5 читс я. При план ном увеличении напряжения (}. точка перегиба скользит па

I линии, являющейся продолжением начального участка характеристики. Одновременно несколько увеличивается наклон второго участка характеристи708366 ки, что полностью соответствует виду ста тич еск их к олл ек торных харак теристик транзистора. Соответственно, при плавном уменьшении упранляющего напряжения точка перегиба характерис— тики перемещается вверх. В результате функциональный преобразователь

3 воспроизводит семейство характеристик, изображенных на фиг. 4.

Функциональный преобразователь 4 реализует нелинейную функциональную зависимость напряжения на эмиттерном переходе U в функции тока эмиттера i >

"Э = U> (1Э), изображенную на фиг. 5, Эта зависимость представляет собой вольтамперную характеристику диода, которая в данном случае аппроксимиронана двумя отрезками прямой, пересекающимися в точке В, cooTBетстнующей некоторой начальной ЭДС Ео

На вход преобразователя 4 подаются два напряжения: от источника 1 напряжение U», пропорциональное току базы 1, .и с выхода инвертора

5 напряжение Ц пропорциональное току коллектора 1..В результате cóììèk рования Ц» и Ц вырабатывается сигнал (Ц» + (J }, пропорциональный току эмит5 тера в соотнетствии с выражением (3)

id +

Функциональный преоб раз он атель 4 осуществляет функциональное преобра— э ов ание

U4(U + U ), () график которого прйведен на фиг. 6, соответствующее преобразованию

1)э (19 (id. + 1к)

Таким обра э ом, на выходе функ ционального преобразонателя 4 вырабатывается напряжение Ц,, пропорциональное отрицательному йапряжению эмиттера (-ЦЭ )

Функциональный преобразователь. 4 работает следующим образом. Если сумма напряжений (()»+ U ) положительна и увеличивается от нуля, то изображающая точка (см. фиг. 6) движется вниз от начала координат к точке В по начальному участку харак— теристики. На этом участке диод 18 заперт положительным потенциалом Е д.

Коэффициент усиления усилителя 8 определяется отношением сопротивлений резисторов 14 и 11 ос к„= — h h— Н вЂ”. (11)

В

Это соответствует тому, что с возрастанием эмиттерного тока 1 н напряжение на диоде увеличивается до величины E (ñì. фиг, 5) .

Как только сумма напряжений (Ц„».Ц ) достигнет значения, соответствующего точке перегиба В, изображающая точка переходит на второй участок — диод 18 отпирается и в работу включается диодный элемент, выполненный на основе делителя напряжения 16 и диода 18, подключенного к суммирующей точке усилителя 8 через резистор 20. Днодный элемент настроен на некоторое значение нап5 Ряжения отпиРания Ц4 диода 18, пропорциональное значению Е о . При ун ели чении положи тель ного по з н аку напряжения (U» + U> ) больше значения, соответствующего тояке перегиба В, изображающая точка движется вправо по второму участку характеристики . Этот участок имеет меньший наклон к оси абсцисс, так как коэффициент усиления усилителя 8 при работе диодного элемента значительно меньше и приблизительно равен

2 (12)

»»

Такой режим соответствует проводящему состоянию эмиттерного р-и

20 перехода, при котором большим изменениям тока 1 соответствуют небольшие изменения напряжения IJ.»(фиг. 5) .

При уменьшении суммы напряжений (Ц, + U ) изображающая точка движется влево по второму участку до точки перегиба, где диод 18 закрынается, а затем ннерх по первому участку до начала к ооди нат .

Если сумма напряжений ((3» + (3в )

З0 отрицательна и возрастает от нуля (по модулю), то изображающая точка движется (см, фиг. 6) вверх и нлево от начала координат по начальному -участку характеристики. На выходе усилителя 8 напряжение Ц4 резко возрастает и положительно по знаку, поэтому диод 18 будет заперт. Коэффициент усиления усилителя. 8 велик и определяется выражением (11). Этот режим соответствует запертому состоя<0 нию эмиттерного р-и перехода, при котором небольшим токам утечки соответствуют большие значения обратного напряжения Ц э (см. фиг. 5) .

Особый случай представляет режим

45 работы модели транзистора при отридательных значениях напряжения источника (32, что соответствует отрицательным значениям напряжения Ц . В реальном транзисторе, если напряже—

50 ние Ll „имеет обратную полярность, то оно оказывается приложенным к эмиттерному р-и переходу. Это соответствует тому, что коллекторный р-п переход смещается в прямом напРавлении, а эмиттерный — н обРатном.

В устройстве при отрицательном сумма напряжений (Ц + (.) ), подаваемая на вход функционального

60 преобразователя 3 становится отрицательнойй по з нах у, Г увеличением ее по абсолютной величине изображающая точка движется (см, фиг. 4) влево и внерх от начала координат по на65 чальному участку характеристики .

708366

На выходе усилителя 7 напряжение lJ резко возрастает и положительно по знаку, поэтому диод 17 заперт и диодный элемент 15-17-19 выключен из работы. Этот режим соответствует резкому увеличению обратного коллекторного тока, т.е. прямому смещению коллекторного р-и перехода. Быстро увеличивающееся напряжение Ц инвертируется инвертором 5 и с отрицательной полярностью подается на вход функционального преобразователя 4.

Ввиду того, что Ц )) О„сумма (Ц+ Ц ) становится отрицательйой. Так как положительное напряжение LI4 на выходе преобразователя 4, пропорциональное обратному напряжению эмиттера (— Ц9 ), возрастает со скоростью, на порядок выше, чем скорость нарастания отрицательного напряжения U пропорционального приложенному напряжению между эмиттером и Щ коллектором ЦЭК, и они имеют противоположную полярность, то сумма их (Ц + Ц4) будет невелика, хотя и отрицательна по знаку, причем по абсолютной величине Ц4)) (Ц + Ц4). Это будет соответствовать тому, что большая часть приложенного отрицательного напряжения Ц будет восприниматьсяя эмитт ерным р-и переходом, т . е .

ЦЭ)) U<, что полностью соответствует gg физическому смыслу явлений в обратно смещенной р-п-р структуре транзистора.

Под коэффициентом усиления по току транзистора в схеме ОЭ понимают величину к д(ь д U „=сопМ. б

Его физический смысл заключается 4О в том, что он характеризует насколько (Ь„к ) сдвинется (см. фиг. 3) вдоль оси токов i) активный участок вольтамперной характеристики транзистора при изменении тока базы на некоторую величину ) .

Изменение коэффициента усиления по току Р в устрoйc ве осуществ)ляется изменением положения движка 5О делителя напряжения 15 в функциональном преобразователе 3. .Чем больше желаемое значение к оэффицие нта тем ближе должен быть установлен движок делителя 15 к входу по опорному напряжению делителя. При работе устройства это будет соответствовать более резкому изменению потенциала отпирания диода 17 при изменении управляющего напряжения ЦА, что . в свою очередь приведет к сдвигу на большую величину активного участка статической коллекторной характеристики вдоль оси ординат при изменении тока базы транзистора.

Разделительный элемент 6 односто ронней проводимости осуществляет запрет подачи отрицательного управляющего напряжения Ц,(на вход по опорному напряжению делителя 15.

Благодаря введению новых элементов и связей между ними повысилась точность моделирования.

Формула изобретения

Устройство для моделирования транзистора, содержащее источники напряжения, выход одного из которых подключен к первому входу первого функционального преобразователя, и инвертор,отличающееся тем, что, с целью повышения точности моделирования, в устройство введены разделительный элемент односторонней проводимости и второй функциональный преобразователь, выход которого подключен ко второму входу первого функционального преобразователя, выход которого через инвертор соединен с первым входом второго функционального преобразователя, второй вход которого подключен к выходу другого источника напряжения, выход которого через разделительный . элемент односторонней проводимости соединен со входом по опорному напряжению первого функционального преобраз ов ател я .

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Р 270353, кл. G 06 G 7/48, 1970.

2, Авторское свидетельство СССР

Р 485470, кл. G 06 G 7/48, 1975 (прототип) .

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная,4

ЦНИИПИ Заказ 8490/45

708366 Риг. 1

Фиг. 5

4ь Б

Тираж "51 Подписнс e °