Определение параметров модели биполярного транзистора в программе OrCAD 9.2 (стр. 5 из 6)
для V³f/2(52)В этом приближении удается избежать бесконечной емкости. Но оно не столь точно как кривая Чавла-Гуммеля (b), однако, приемлемо потому, что под прямым смещением диффузионные емкости, доминируют и неотъемлемо включают эффект заряда подвижных носителей в обедненных областях [1].
В Spice используется прямолинейная аппроксимация для CJ подобная линии (с) рисунка 15. Уравнение (52) заменено следующим общим соотношением:
для V³ 0(53)Помимо CJE и CJC, при проектировании интегральных схем должна быть принята во внимание еще одна емкость: емкость подложки CJS.
Хотя фактически это барьерная емкость в области с изменяющимся потенциалом эпитаксиальный слой – подложка, здесь она смоделирована как конденсатор с постоянным номиналом.
Это представление адекватно для большинства случаев, так как переход ЭС – подложка смещен в обратном направлении в целях изоляции.
Установив основные соотношения эффектов накопления заряда, покажем, как реализована модель Э-М для большого сигнала в Spice. Компоненты накопленных зарядов QBE = QDE + QJE и QBC = QDC + QJC моделируются конденсаторами CBE и CBC, включенными в эквивалентную схему модели так, как показано на рисунке 16.
Рисунок 16 – Модель большого сигнала Эберса-Молла в Spice2
Компоненты заряда накопления представлены в PSpice следующими зависимыми от напряжения уравнениями емкости [1]:
,(54) 
,(55) 
,(56)где для эмиттерного перехода
,(57)для коллекторного перехода
,(58)где FC – коэффициент нелинейности барьерных емкостей прямосмещенных переходов, принимающий значения от 0 до 1. Коэффициенты плавности переходов хотя и включены в соотношения (54) – (58), фактически не учитываются в модели Э-М
В PSpice схема модели большого сигнала Г-П идентична схеме, приведенной на рисунке 16. Зависимые от напряжения емкости, определены соотношениями (54) - (58), причем здесь учитываются коэффициенты плавности mE, mC и mS (обычно, они изменяются между 0,33 и 0,5), а IEC и ICC рассматриваются как функции ISS и qB. Кроме того, модель большого сигнала Г-П, учитывает три дополнительных эффекта: распределенная емкость перехода Б-К, модуляция времени переноса заряда tF, и распределенные явления в области базы (стадия избытка).
3.2 Параметры модели БТ в динамическом режиме
Для описания модели реального БТ, работающего на большом сигнале, необходимо задать следующие параметры модели [5]:
CJEЕмкость эмиттерного перехода при нулевом смещении (CJE);
CJCЕмкость коллекторного перехода при нулевом смещении (CJC);
CJSЕмкость перехода коллектор - подложка при нулевом смещении (CJS);
VJEКонтактная разность потенциалов перехода Б-Э (fE);
VJCКонтактная разность потенциалов перехода Б-К (fC);
VJSКонтактная разность потенциалов перехода коллектор - подложка (fS);
TFВремя переноса заряда через базу в нормальном режиме (tF);
TRВремя переноса заряда через базу в инверсном режиме (tR);
FCКоэффициент нелинейности барьерных емкостей прямосмещенных переходов (FC);
MJEКоэффициент плавности эмиттерного перехода (mE);
MJCКоэффициент плавности коллекторного перехода (mC);
MJSКоэффициент плавности перехода коллектор – подложка (mS);
ITFТок, характеризующий зависимость TF от тока коллектора при больших токах (ItF);
PTFДополнительный фазовый сдвиг на граничной частоте БТ fТ=1/(2pTF) (PtF);
VTFНапряжение, характеризующее зависимость TF от смещения база-коллектор (VtF);
XCJCКоэффициент расщепления емкости база-коллектор CJC (XCJC);
XCJC2Коэффициент расщепления емкости база-коллектор CJC (XCJC2);
XTFКоэффициент, определяющий зависимость TF от смещения база-коллектор (XtF)
Обозначения, используемые в тексте, обозначаются в круглых скобках.
Коэффициенты плавности перехода в модели Эберса-Молла устанавливаются по умолчанию равными 0,33.
FC – принимает значения от 0 до 1 и используется для вычисления напряжения (FC´fE и FC´fC) в области прямого смещения, вне которой, емкость смоделирована линейной экстраполяцией. Это сделано, для того чтобы предотвратить бесконечные емкости при V = fЕ и при V = fС, и следовательно, гарантировать непрерывную функцию для емкостей и производных. По умолчанию FC установлена в PSpice равной 0,5.
Емкость перехода К-Б разделена на две составляющие: одна из них относится к активной части коллекторного перехода (емкость XCJCCJC включена между внутренним выводом базы и коллектором), другая к пассивной части коллектора (CJC(1 - XCJC) - емкость от внешней базы до коллектора). В качестве параметра в модели задается величина XCJC, которая равна отношению барьерной емкости активной части перехода К-Б к полной барьерной емкости. XCJC изменяется между 0 и 1, а по умолчанию задается равным 1, то есть емкость пассивной части вообще не учитывается. При задании параметра XCJC необходимо учитывать, что он определяется не только геометрическими размерами активной и пассивной частей перехода, но и различием удельных барьерных емкостей донной и боковой частей перехода [2].Этот параметр обычно важен только на СВЧ.
Компоненты накопленного заряда представлены в PSpice следующими уравнениями емкости зависимыми от напряжения:
,(59)где F1, F2, и F3 определяются выражением (58).
На рисунке 17 изображена полная модель БТ на большом сигнале с дополнением эффекта распределенной емкости перехода Б-К.
Рисунок 17 – Модель большого сигнала Г-П в PSpice [1]
Диффузионная емкость пропорциональна среднему времени пролета tF носителей заряда через базу в прямом направлении и дифференциальной проводимости
.Параметр tF учитывает зависимость времени пролета от уровня инжекции и от напряжений на переходах, то есть учитываются эффекты модуляции ширины базы. В модели принята следующая аппроксимация режимных зависимостей tF [2]:
,(60)где x =
.В этом выражении сомножитель 3x2-2x3 при ITF>0 отражает рост tF при повышении уровня инжекции, что характерно для эффектов Кирка. Впрочем, по умолчанию ITF = 0 и, следовательно, этот эффект не описывается. Экспоненциальный сомножитель описывает спад tF с ростом запирающего напряжения на коллекторном переходе, что связано с эффектом Эрли. Но по умолчанию VTF = ¥, и этот эффект не учитывается. Кроме того, XTF = 0, и если не задать XTF > 0, то никакие режимные зависимости tF не учитываются. В этом случае tF = TF, где TF – параметр модели [2].
Таким образом, прямой и обратный переносимый заряд можно смоделировать заданием параметров tF, XtF, VtF , ItF и tR.
3.3 Методы экстракции динамических параметров модели БТ из результатов измерения динамических характеристик и параметров
Характер изменения tF от IC показан на рисунке 18. Изменение tF при больших токах К обычно определяется эмпирическим уравнением, полученным из произведения полосы усиления fT и тока IC, при различных напряжениях К-Э VCE.
Рисунок 18 – График зависимость tF от lnIC
В области средних токов, fT находиться по его пиковому значению и почти постоянно; при этом время переноса заряда - время, необходимое н.з. для того, чтобы пересечь область базы и ООЗ коллекторного перехода. Диффузионная емкость перехода Э-Б увеличивается с током, уменьшая рост дифференциальной проводимости, имеющий результатом определенный предел для fT. Таким образом, идеальный максимум tF определяется из выражения [1]:
(61)На больших токах, fT и к тому же tF становятся функцией IC и VCE и перестают быть постоянными (см. рисунок 18). Физические эффекты типа эффекта Кирка увеличивают время переноса и уменьшают fT. Эти эффекты смоделированы следующей эмпирической функцией [1]:
(62)tF умножают на ATF в уравнениях заряда. Постоянная 1,44 просто дает интерпретацию VtF как значение VBC, где экспонента равняется 1/2. XtF управляет полным спадом из-за fT ; VtF преобладает над изменением по fT относительно VCE; ItF доминирует над изменением по fT относительно тока.
Как видно из рисунка 18, ItF может быть получен путем экстраполяции прямой до пересечения с осью lnIC.