Аналоговая модель транзистора

 

Союз Соввтскмк

Соцмалмстмчвсимк

Рвспубпмн

Х АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (б1) Дополнительное к авт. сана-ву— (22)Заявлено 03 ° 04.80(2I) 2904958/18-24 (5!)Я. Кл. с присоеаннениен заявки М (23) Приоритет—

G 06 6 7/48

Государственный квинтет

СССР (53) УД К681 ° 333 (088.8) ао делам нзебретеннй и открытий

Опубликовано 23.01 ° 82. Ьтоллетень М 3

Дата опубликования описания 23.01.82. (72) Автор изобретения

t В. В ° Денисенко

Ii)

Таганрогский радиотехнический институт им. В.Д.Калмыкова (71) Заявитель (54) АНАЛОГОВАЯ МОДЕЛЬ ТРАНЗИСТОРА

Изобретение относится к аналоговому моделированию и предназначено для моделирования электронных схем на биполярных транзисторах.

Известно устройство, содержащее транзистор, коллектор которого под5 ключен к коллекторному выводу устройства, эммитер-- к эммитерному, конденсаторы, включенные соответственно между коллекторным и базовым

10 выводами и эмиттерным и базовым выводами, дифференциальный усилитель, входы которого подключены параллельно резистору, включенному между базой транзистора и базовым выводом устройства, общий провод - к эммитерному выводу, выход через конденсатор подключен к базовому выводу устройства (1 1.

Однако указанное устройство не поз воляет моделировать неквазистатический режим работы транзистора и режим насыщения при импульсных воздействиях.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является аналоговая модель транзистора, содержащая транзистор, коллектор которого подключен к коллекторному выводу модели, а база через резистор - к базовому выводу модели, первый дифференциальный усилитель, входы которого подключены параллельно резистору,вклю ченному между эммитером транзистора и эммитерным выводом устройства, об" щий вывод подключен к базовому выводу модели, первый выход через конденсатор подключен к эммитерному выводу модели, второй выход через последовательно соединенные диод и резистор подключен к первому входу второго дифференциального усилителя, второй вход которого подключен к базе транзистора и к резистору, второй вывод которого подключен к первому выводу второго дифференциального усилителя, первый вход которого подключен к ба" эовому выводу устройства, а второй

900297

Поставленная цель достигается тем, что в аналоговую модель транзистора, содержащую первый и второй накопительные конденсаторы, первые обкладки которых объединены и подключены к базовому выводу модели, коллекторный вывод которой соединен со второй обкладкой первого накопительного конденсатора и подключен к коллектору первого усилительного ре1 зистора, база которого, соединена с первым выводом первого нагрузочного резистора и подключена к первому входу дифференциального усилителя, второй нагрузочный резистор и RCG-сетку, введены второй усилительный транзистор, сумматор и источник тока, выход которого соединен со второй обкладкой второго накопительного конденсатора, подключен к эммитеру второго усилительного транзистора и является эммитерным выводом модели, первый вывод второго нагрузочного резистора соединен с первым входом сумматора и подключен к коллектору второго усилительного транзистора, Газа коSS выход — ко входу HL сетки, общий вывод и выход которой подключен к базовому выводу модели, конденсаторы, включенные соответственно между эммитерным и базовым выводами и коллекторным и базовым выводами модели (2).

В этом устройстве транзистор используется в качестве модели транзистора по постоянному току, конденсаторы служат для моделирования накопления iO заряда в р-.п-переходах, первый дифференциальный усилитель и конденсатор моделируют накопление заряда в базе в активном режиме, а второй дифференциальный усилитель и RCGсетка — в режиме насыщения. Для моде. лирования динамических характеристик транзистора используется метод заряда, который справедлив только в квазистатическом режиме работы транзистора, щ т.е. когда характерные времена управляющих воздействий много больше времени пролета носителей через базу транзистора. Поэтому это известное устройство имеет недостаточную точ- 2S ность, так как не позволяет моделиро" вать неквазистатический режим работы транзистора.

Цель изобретения - обеспечение возможности моделирования неквазистатического режима работы транзистора и повышение точности моделирования торого соединена со вторыми выводами первого и второго нагрузочных ре. зисторов и подключена к базовому выводу модели, ммитер первого усилительного транзистора соединен с первым выходом RCG-сетки и подключен ко второму входу дифференциального усилителя, выход которого соединен с первыми входами РСГ>-сетки и первым входом источника тока, второй вход которого подключен ко второму выходу

RCG-сетки и ко второму входу сумматора, выход которого соединен со вторым входом RCG-сетки.

На чертеже изображена схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит усилительный транзистор 1, конденсаторы 2 и 3, йСГ-сетку 4, состоящую из резисторов

5, резисторов б и конденсаторов 7, сумматор 8, дифференциальный усилитель 9, источник 10 тока, резисторы

11 и 12, усилительный транзистор 13, эмиитерный вывод 14, базовый вывод

15, коллекторный вывод 16.

Устройство работает следующим об-. разом.

Принцип моделирования основан на допущении о возможности разделения структуры транзистора на область 6a" зы и p-n-переходы. Для моделирования переноса носителей в базе транзистора используется КСГ1-сетка 4. Примене" ние сетки позволяет учесть задержку сигнала в базе, что принципиально необходимо при моделировании транзистора в неквазистатическом режиме.

Для моделирования эммитерного и коллекторного переходов используются эммитерный переход транзистора 1 и коллекторный переход транзистора 13.

Транзисторы 1 и 13 используются также в качестве датчиков экспоненциальных зависимостей, необходимых для задания граничных условий на границах RCG-сетки 4.

Следует подчеркнуть, что предлагаемая аналоговая модель транзистора имеет замедленные в К раз по сравнению с моделируемым транзистором динамические характеристики.

Иасштабный коэффициент по времени К может быть произвольным, например

10 . Это позволяет испольэовать модель для макетирования быстродействующих схем в замедленном в К раз масштабе Ilo времени, что значительно снижает требования к монтажу ма5 900 кета и измерительным приборам.и, ка11 следствие, повышает точность макетирования.

Параметры RCG-сетки 4 (задержка распространения сигнала, коэффициент передачи тока и постоянные времени коэффициента передачи тока) выбираются равными (в масштабе по времени

К ) соответствующим параметрам базы транзистора (задержке сигнала в базе, коэффициенту переноса и постоянной времени коэффициента переноса), которые могут быть рассчитаны или выбираются таким образом, чтобы параметры модели задержка -t>, ко« м эффициент передачи тока - и постоянные времени =Се были равны м (в масштабе по времени К ) соответствующим параметрам моделируемого транзистора т.Ъ-К ;Ь! 1- -А С 1 А1 параметры и, <, Г, могут быть измерены по стандартной методике или рассчитаны.

Напряжение на выходе сумматора 8 (относительно вывода базы 15, который является общим проводом устройст ва) равно

В

I где К К - коэффициенты усиления

В 8 сумматора 8 по первому и второму входу соот ветственно, К В = !; с(— коэффициент передачи

Л тока транзистора 1;

R - сопротивление резисто+ ра ll;

I m - ток насыщения и m-факЛ тор эммитерного перехода транзистора 1;

U — напряжение между эммиЭБЛ тером и базой транзистора 1;

Чт — тепловой потенциал;

Ь - напряжение на выходе дифференциального усилителя 9.

Граничное условие на входе RCG-. сетки 4 задается сумматором 8.и дифференциальным усилителем 9 в форме напряжения, равного разности напряжений на их выходах

297

25 что справедливо как в активном режиме, так и в режиме насыщения. б5

Сопротивление резистора 12 должно . быть в 20 и более раз меньше сопротивления нагрузки коллекторной цепи модели.

Транзистор 13 выбирается таким, чтобы токовая зависимость коэффи50 циента передачи тока модели д.111определялась транзистором 1, т;е. что. бысРЩ = АД), где Д (I) - коэффициент передачи

Л тока транзистора 1;

I - ток коллектора модели.

Этого практически всегда можно достичь подбором транзистора 13 или

0(0) -Ug- 00 =K"о lq! <

О d <

< (OX/ 1 ) °

Величина К выбирается таким обра зом, чтобы прй коэффициенте передачи тока линией, равном единице выполнялось равенство с(= 1.

Сопротивление резистора 11 выбирается таким, чтобы степень насыщения транзистора была равна 0,05 и менее.

Источник 10 тока, управляемый то" ком, задает в эммитерной цепи модели

10 ток, равный току накопления носителей в базе, т.е. играет роль диффузионной емкости эммитерного перехода

Напряжение на выходе дифференциального усилителя 9 равно

15 о =к

Окд гь

0 Оз„,,-к Р„„Т От, (ехр 1) где U — потенциал эммитера тран9И зистора 13 относительно базового 15 вывода модели;

К - коэффициент усиления диф0 ференциального усилителя 9 по первому входу;

К - коэффициент усиления диф9 ференциального усилителя 9

2.

r1o втором входу; К0 = 1, Е12 - сопротивление резистора 12;

Ъ,m — ток насыщения и m-фактор

30 коллекторного перехода— транзистора 13;

U<<< — напряжение между коллектором и базой транзистора 13.

Граничное условие на входе RCG55 . сетки 4, Бц1 задается в форме напряжения, равного разности напряжений на выходе дифференциального усилите ля 9 и на эммитере транзистора 13: 1кДЪ а 0<„--0,„-.0е =К a„1 (ехР— - 1), l

90029 применением в качестве него составного транзистора.

Конденсаторы 2 и 3 моделируют барьерные емкости р-и-переходов. Их емкость в К раз больше соответствующих емкостей моделируемого транзистора.

На постоянном токе характеристики модели очень точно совпадают с характеристиками моделируемого тран- 1о зистора, поскольку для моделирования граничных условий и P --.. й-переходов используются вольт-амперные характеристики реальных транзисторов.

При этом характеристики модели в динамическом режиме определяются параметрами RCG-сетки 4 и конденсаторов 2, 3 и подобны характеристикам моделируемого транзистора в масштабе К .

По сравнению с известныйи предлагаемое устройство позволяет моделировать неквазистатический режим работы транзистора.

Неквазистатические модели позволяют моделировать более широкий класс электронных схем и повысить точность моделирования динамических характеристик в 3-5 раз и более.

Применение аналоговой модели при проектировании интегральных схем позволяет получить существенный экономический эффект. Так, аналоговый компьютер, состоящий из 20 аналоговых моделей транзисторой такой же стоимости, как и предлагаемая модель, стоит примерно 4 тыс. руб. Затраты на машинный анализ электронной схемы из 20 транзисторов при стоимости машинного времени 50 руб за час сос4О тавляют 150 руб. Таким образом, стои. мость аналогового компьютера полностью окупается после анализа на нем

27 схем, в то время как стоимость анализа на ЦВМ сохраняется постоян45 ной, равной 150 руб на схему.

Формула изобретения

Аналоговая модель . ранзистора, содержащая первый и второй накопительными конденсаторы, первые обкладки которых объединены и подключены к базовому выводу модели, коллекторный вывод которой соединен со второй обкладкой первого накопительного конденсатора и подключен к коллектору первого усилительного транзистора, база которого соединена с первым выводом первого нагрузочного резистора и подключена к первому входу дифференциального усилителя, второй нагрузочный резистор и RCG-сетку, отличающаяся тем, что, с целью повышения точности моделирования, в нее введены второй усилительный транзистор, .сумматор и источник тока, выход которого соединен со второй обкладкой второго накопительного конденсатора, подключен к эммитеру второго усилительного транзистора и является эммитерным выводом модели, первый вывод второго нагрузочно -о резистора соединен с первым входом сумматора и подключен к коллектору второго усилительного транзистора, база которого соединена со вторыми выводами первого и второго нагрузочных резисторов и подключена к базовому выводу модели, эммитер первого усилительного транзистора соединен с первым выходом RCG-сетки и подключен ко второму входу дифференциального усилителя, выход которого соединен с первыми входами

RCG-сетки и источника тока, второй вход которого подключен ко второму выходу RCG-сетки и ко второму входу сумматора, выход которого соединен со вторым входом RCG-сетки.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Гаммел, Нерфи. Квазианалоговый метод анализа цепей. ТНИЭР, 1967, т. 55, N 10, с. 119- 120.

2. Патент США М 3480864, кл. 324-158, опублик. 1969 прототип).

900297

Составитель В. Рыбин

Редактор Н.Пушненкова Техред Т.Маточка

Корректор Л.Шеньо

Заказ 12184/67 Тираж 731 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4