Воронежский государственный технический университет

Кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры

ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛИ

БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторной работе № 2

по дисциплине "Интегральные устройства радиоэлектроники" для студентов специальности 210201 "Проектирование и технология радиоэлектронных средств"

очной и заочной форм обучения

Воронеж 2005

Составители: канд. техн. наук С.Д.Кретов,

канд. техн. наук А.В. Турецкий,

канд. техн. наук Н.В. Ципина

УДК 621.3.049.7.002 (075)

Исследование модели биполярного транзистора: Методические указания к лабораторной работе № 2 по дисциплине "Интегральные устройства радиоэлектроники" для студентов специальности 210201 "Проектирование и технология радиоэлектронных средств" очной и заочной форм обучения / Воронеж. гос. техн. унт; Сост. С.Д. Кретов; А.В. Турецкий; Н.В. Ципина. Воронеж, 2005. 28 с.

Методические указания предназначены для проведения лабораторной работы по курсу "Интегральные устройства радиоэлектроники". Основной целью указаний является закрепление теоретических знаний и выработка навыков использование процесса моделирования при проектировании РЭС.

Методические указания подготовлены в электронном виде в текстовом редакторе MS WORD и содержатся в файле IURLAB2.doc

Ил. 4. Библиогр.: 3 назв.

Рецензент канд. Физ. –мат. Наук, доц. А.В. Чернышов

Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р техн. наук. проф. А.В. Муратов

Издается по решению редакционноиздательского совета Воронежского государственного технического университета.

© Гоу впо «Воронежский государственный технический университет, 2005

1 Общие указания

1.1 Цель работы

Изучение модели биполярного транзистора и ее параметров.

Приобретение навыков по применению модели биполярного транзистора для схемотехнического проектирования радиоэлектронных устройств.

1.2 Содержание работы

Основным содержанием работы является изучение модели биполярного транзистора, схемы замещения и влияние параметров модели на характеристики прибора.

При выполнении работы используется программа схемотехнического моделирования Pspice, входящая в состав системы сквозного автоматизированного проектирования радиоэлектронных средств OrCAD 9.2.

Процесс выполнения работы ориентирован на приобретение студентами знаний в области схемотехнического моделирования и навыков по использованию современных программных средств.

Обучение при выполнении работы осуществляется в процессе выполнения домашних и лабораторных заданий. Контроль усвоения полученных студентами знаний и навыков производится при собеседовании путем оценок ответов на контрольные вопросы по выполнению домашних и лабораторных заданий.

В процессе работы необходимо соблюдать общие правила техники безопасности при работе с электроустановками напряжением до 1000 В, а также требования к оформлению отчета.

2 Домашние задания и методические указания по их выполнению

2.1 Задание № 1

Изучить модель биполярного транзистора Гуммеля –Пуна, параметры модели и схему замещения.

Методические указания по выполнению первого задания

Для выполнения задания необходимо проработать материал /1; 2/, а также содержание настоящего раздела.

В программе PSpice используется схема замещения биполярного транзистора в виде адаптированной модели Гуммеля–Пуна (рис.1), 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 (рис.2), если опустить некоторые параметры Параметры полной математической модели биполярного транзистора приведены в табл. 1.

Рис. 1. Схема замещения биполярного n–p–n-транзистора для модели Гуммеля–Пуна:

Рис. 2. Схема замещения биполярного n–p–n-транзистора для передаточной модели Эберса–Молла.

Таблица 1

Параметры полной математической модели

биполярного транзистора

Имя параметра	Параметр	Знач. по умолчанию	Единица измерения
IS	Ток насыщения при температуре 27С	10	А
BF	Максимальный коэффициент усиления тока в нормальном режиме в схеме с ОЭ (без учета токов утечки)	100
BR	Максимальный коэффициент усиления тока в инверсном режиме в схеме с ОЭ	1
NF	Коэффициент неидеальности в нормальном режиме	1
NR	Коэффициент неидеальности в инверсном режиме	1
ISE (C2)*	Ток насыщения утечки перехода база–эмиттер	0	А
ISC (C4)	Ток насыщения утечки перехода база–коллектор	0	А
IKF (IK)	Ток начала спада зависимости BF от тока коллектора в нормальном режиме		А
IKR*	Ток начала спада зависимости BR от тока эмиттера в инверсном режиме		А
NE*	Коэффициент неидеальности перехода база–эмиттер	1,5
Продолжение табл. 1
NC*	Коэффициент неидеальности коллекторного перехода	1,5
NK	Коэффициент, определяющий множитель	0,5
ISS	Обратный ток p–n-перехода подложки	0	A
NS	Коэффициент неидеальности перехода подложки	1
VAF (VA)	Напряжение Эрли в нормальном режиме		В
VAR (VB)	Напряжение Эрли в инверсном режиме		В
RC	Объемное сопротивление коллектора	0	Ом
RE	Объемное сопротивление эмиттера	0	Ом
RB	Объемное сопротивление базы (максимальное) при нулевом смещении перехода база–эмиттер	0	Ом
RBM*	Минимальное сопротивление базы при больших токах	RB	Ом
IRB*	Ток базы, при котором сопротивление базы уменьшается на 50% полного перепада между RB и RBM		А
TF	Время переноса заряда через базу в нормальном режиме	0	с
TR	Время переноса заряда через базу в инверсном режиме	0	с
QCO	Множитель, определяющий заряд в эпитаксиальной области	0	Кл
RCO	Сопротивление эпитаксиальной области	0	Ом
VO	Напряжение, определяющее перегиб зависимости тока эпитаксиальной области	10	В
GAMMA	Коэффициент легирования эпитаксиальной области	10	-
XTF	Коэффициент, определяющий зависимость TF от смещения база–коллектор	0
VTF	Напряжение, характеризующее зависимость TF от смещения база–коллектор		В
ITF	Ток, характеризующий зависимость TF от тока коллектора при больших токах	0	А
PTF	Дополнительный фазовый сдвиг на граничной частоте транзистора	0	град.
CJE	Емкость эмиттерного перехода при нулевом смещении	0	пФ
VJE (PE)	Контактная разность потенциалов перехода база–эмиттер	0,75	В
MJE (ME)	Коэффициент, учитывающий плавность эмиттерного перехода	0,33
CJC	Емкость коллекторного перехода при нулевом смещении	0	Ф
VJC (PC)	Контактная разность потенциалов перехода база–коллектор	0,75	В
Продолжение табл. 1
MJC (MC)	Коэффициент, учитывающий плавность коллекторного перехода	0,33
CJS (CCS)	Емкость коллектор–подложка при нулевом смещении	0	Ф
VJS (PS)	Контактная разность потенциалов перехода коллектор–подложка	0,75	В
MJS (MS)	Коэффициент, учитывающий плавность перехода коллектор–подложка	0	-
XCJC	Коэффициент расщепления емкости база–коллектор	1
FC	Коэффициент нелинейности барьерных емкостей прямосмещенных переходов	0,5
EG	Ширина запрещенной зоны	1,11	эВ
XTB	Температурный коэффициент BF и BR	0
XTI(PT)	Температурный коэффициент IS	3
TRE1	Линейный температурный коэффициент RE	0	С-1
TRE2	Квадратичный температурный коэффициент RE	0	С-2
TRB1	Линейный температурный коэффициент RB	0	С-1
TRB2	Квадратичный температурный коэффициент RB	0	С-2
TRM1	Линейный температурный коэффициент RBM	0	С-1
TRM2	Квадратичный температурный коэффициент RBM	0	С-2
TRC1	Линейный температурный коэффициент RC	0	С-1
TRC2	Квадратичный температурный коэффициент RC	0	С-2
KF	Коэффициент, определяющий спектральную плотность фликкер–шума	0
AF	Показатель степени, определяющий зависимость спектральной плотности фликкер–шума от тока через переход	1
T_MEASURED	Температура измерений		С
T_ABS	Абсолютная температура		С
T_REL_ GLOBAL	Относительная температура		С
T_REL_ LOCAL	Разность между температурой транзистора и модели-прототипа		С

* Для модели Гуммеля–Пуна.

Примечания. 1. В круглых скобках в левой графе таблицы указаны альтернативные обозначения параметров. Параметр RB для модели Эберса–Молла имеет смысл объемного сопротивления базы, не зависящего от тока базы. Остальные параметры имеют одинаковый смысл для моделей Эберса–Молла и Гуммеля–Пуна.

Соотношения описывающие статический режим транзистора. Режим описывается следующими соотношениями (см. рис. 1):

I_b = I_be1/BF + I_be2 + I_bc1/BR + I_bc2;

I_c = I_be1/Q_b–I_bc1/Q_b–I_bc1/BR–I_bc2;

I_be1 =IS[exp(V_be/(NF·V_t)) – 1];

I_be2 =ISE[exp(V_be/(NE·V_t)) – 1];

I_bc1 =IS[exp(V_bc/(NR·V_t)) – 1];

I_bc2 =ISC[exp(V_bc/(NC·V_t) – 1];

Q_b =Q₁[1 + (1 + 4Q₂) ]/2;

Q₁=1/(1-V_bc/VAF-V_be/VAR), Q₂=I_be1/IKF+I_bc1/IKR;

I_s =ISS [exp(V_js/(NS·V_t)) – 1].

На рис. 1 приняты обозначения: I_b – ток базы; I_c – ток коллектора; I_be1 – ток коллектора в нормальном режиме; I_bc1 – ток коллектора в инверсном режиме; I_be2, I_bc2 – составляющие тока перехода база–эмиттер, вызванные неидеальностью перехода; I_s – ток подложки; V_be, V_bc – напряжения на переходе внутренняя база–эмиттер и внутренняя база–коллектор; V_bs – напряжение внутренняя база–подложка; V_bn – напряжение внутренняя база–подложка для режима квазинасыщения; V_bx – напряжение база–внутренний коллектор; V_ce – напряжение внутренний коллектор–внутренний эмиттер; V_js – напряжение внутренний коллектор–подложка для NPN-транзистора, напряжение внутренняя подложка–коллектор для PNP-транзистора или напряжение внутренняя база–подложка для LPNP-транзистора.

Объемное сопротивление базы R_b характеризуется двумя составляющими. Первая составляющая RB определяет сопротивление вывода базы и сопротивление внешней области базы, которые не зависят от тока базы I_b. Вторая составляющая RBM характеризует сопротивление активной области базы, находящейся непосредственно под эмиттером; это сопротивление зависит от тока I_b. Объемное сопротивление базы R_b определяется следующими выражениями в зависимости от значения параметра IRB

где

Замечание. В программе PSpice токи, втекающие в транзистор, считаются положительными. Поэтому в активном нормальном режиме в n–p–n-структуре (рис. 1) I_c>0, I_b>0, I_e<0. Для структуры p–n–p все напряжения и токи имеют противоположный знак.

Параметры, влияющие на динамические свойства транзистора, учтены включением в модель емкостей коллектора, эмиттера и подложки, которые имеют диффузионные и барьерные составляющие. Емкость перехода база–эмиттер равна сумме диффузионной (C_tbe) и барьерной (C_jbe) составляющих:

C_be = C_tbe + C_jbe,

где C_tbe = t_f·G_be; G_be = dI_be/dV_be – дифференциальная проводимость перехода база–эмиттер в рабочей точке по постоянному току;

t_f =TF[1+XTF(3x -2x )exp(V_bc/(1,44VTF))], x=I_be1/(I_be1+ITF);

Емкость перехода база–коллектор расщепляется на две составляющие:

емкость между внутренней базой и коллектором C_bc,

C_bc = C_tbc + XCJC·C_jbc,

где C_bct = TR·G_bc, G_bc=dI_bc1/dV_bc;

и емкость между внешним выводом базы и коллектором C_bx,

емкость коллектор–подложка равна

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 расширенной модели Гуммеля–Пуна этот эффект моделируется с помощью дополнительного управляемого источника тока I_epi и двух нелинейных емкостей, заряды которых на рис. 4.4, а обозначены Q_o и Q_w. Эти изменения вносятся в модель, если задан параметр RCO [59 ]:

где

Температурная зависимость. Эта зависимость параметров элементов эквивалентной схемы биполярного транзистора устанавливается с помощью следующих выражений:

IS(T)=IS·exp[EG(T)/V_t(T) (T/Tnom–1)] (T/Tnom) ;

ISE(T)=(ISE/ b_f)·exp[EG(T)/(NE·V_t(T)) (T/Tnom–1)] (T/Tnom) ;

ISC(T)=(ISC/ b_f)·exp[EG(T)/(NC·V_t(T)) (T/Tnom–1)] (T/Tnom) ;

ISS(T)=(ISS/b_f) ·exp[EG(T)/(NS·V_t(T)) (T/Tnom–1)] (T/Tnom) ;

BF(T)=BF·b_f, BR(T)=BR·b_f, b_f=(T/Tnom) ;

RE(T)=RE [1+TRE1(T–Tnom)+TRE2 (T–Tnom) ];

RB(T)=RB [1+TRB1(T–Tnom)+TRB2 (T–Tnom) ];

RBM(T)=RBM [1+TRM1(T–Tnom)+TRM2(T–Tnom) ];

RC(T)=RC[1+TRC1(T–Tnom)+TRC2 (T–Tnom) ];

VJE(T)=VJE·T/Tnom–3V_t ·ln(T/Tnom) –EG(Tnom) ·T/Tnom+EG(T);

VJC(T)=VJC·T/Tnom–3V_t ·ln(T/Tnom) –EG(Tnom) ·T/Tnom+EG(T);

VJS(T)=VJS·T/Tnom–3V_t ·ln(T/Tnom) –EG(Tnom)·T/Tnom+EG(T);

CJE(T)=CJE{1+MJE[0,0004(T–Tnom)+1–VJE(T)/VJE]};

CJC(T)=CJC{1+MJC[0,0004(T–Tnom)+1–VJC(T)/VJC]};

CJS(T)=CJS{1+MJS[0,0004(T–Tnom)+1–VJS(T)/VJS]};

KF(T)=KF·VJC(T)/VJC, AF(T)=AF·VJC(T)/VJC.

Скалярный коэффициент Area. Он позволяет учесть параллельное соединение однотипных транзисторов, для чего в приведенной выше модели изменяются следующие параметры:

IS=IS·Area, ISE=ISE·Area, ISC=ICS·Area, ISS=ISS·Area, IKF=IKF·Area, IKR=IKR·Area, IRB=IRB·Area, ITF=ITF·Area, CJC=CJC·Area, CJE=CJE·Area, CJS=CJS·Area, RBB=RBB/Area, RE=RE/Area, RC=RC/Area, QCO=QCO·Area.

Значение Area указывается в задании на моделирование при включении транзистора в схему, по умолчанию Area=1.

В качестве примера приведем список параметров модели Гуммеля–Пуна биполярного транзистора КТ316Д

.model KT316D NPN(IS=2.75f XTI=3 EG=1.11 VAF=96 +BF=136.5 NE=2.496 ISE=12.8pA IKF=97.23m XTB=1.5

+ VAR=55 BR=.66 NC=2 ISC=15.5p IKR=.12 RB=70.6 RC=8.4 + CJC=4.1pF VJC=.65 MJC=.33 FC=.5 VJE=.69 CJE=1.16pF +MJE=.33 TR=27.8n TF=79.0p ITF=.151 VTF=25 XTF=2 )

2.2 Задание № 2

Изучить правила составления задания на моделирование в программе Pspice.

Методические указания по выполнению второго задания.

Для выполнения задания необходимо проработать материал /1, с. 54-91/; /2, с. 564-567/, а также содержание настоящего раздела.

Задание на моделирование для программы PSpice заносится в текстовые файлы. При графическом вводе схем с помощью программы Schematics создаются три файла задания с одним и тем же именем и расширениями имени .cir, .net и .als. При составлении этого задания непосредственно с помощью текстового редактора достаточен один файл .cir. На бумаге составляется принципиальная схема, и присваиваются имена всем ее узлам. Имена узлов могут быть целыми числами от 0 до 9990 или алфавитно-цифровыми символами длиной не более чем 131 символ. В качестве этих символов используются буквы латинского алфавита от A до Z, цифры 0, 1, ..., 9 и знаки “$”, “_”, “*”, “/”, “%”. Аналоговая земля должна обязательно иметь имя «0». При ссылке на цифровые имена узлов они заключаются в круглые скобки, например V(6) – потенциал узла 6.

После именования узлов составляют задание на моделирование, которое заносится в файл. Имя файла произвольное, в качестве расширения имени рекомендуется использовать .cir, воспринимаемое программой PSpice по умолчанию. Первая строка файла – строка заглавия, которая затем выводится в виде заголовка в выходном файле (в ней может быть помещен любой текст, не содержащий кириллицу). Строки комментариев содержат символ “*” в первой позиции (в них допускается использование и кириллицы). Конец любой строки после знака “;” также воспринимается как комментарий. Последняя строка файла .END.

Строка продолжения начинается с символа “+” в первой позиции. Число пробелов между операторами в строке произвольное. Пробелы и запятые или знаки равенства эквивалентны. Следует учесть, что программа PSpice не различает большие и малые буквы.

В одном файле можно объединить задания на моделирование нескольких цепей; каждое задание начинается со своего заголовка и заканчивается директивой .END.

При наличии ошибок в задании на моделирование, обнаруженных на этапе его трансляции или при выполнении моделирования, на экран и в выходной файл с расширением имени .out выводятся сообщения об ошибках.

Предложения входного языка программы PSpice делятся на описания компонентов и директивы.

Описанием компонента считается любая строка, не начинающаяся с символа “.” (кроме первой строки и строк комментариев и продолжений). Описание компонента имеет следующую структуру:

<имя компонента> <номера двух или более узлов> [<имя модели>]

+ <числовые данные>

Имя компонента состоит из последовательности символов латинского алфавита и цифр, общая длина имени не должна превосходить 131 символа (рекомендуется не более 8 символов). Первый символ – одна из букв латинского алфавита от A до Z, далее в любом порядке – алфавитно-цифровые символы и знаки “$”, “_”, “*”, “/”, “%”. Первый символ имени компонента определяет его тип, например R1, ROUT, Q12 (табл. 2).

Таблица.2

Первые символы имени компонентов

Первый символ имени	Тип компонента
B	Арсенид-галлиевый полевой транзистор (GaAsFET) с каналом n-типа
C	Конденсатор
D	Диод
I	Независимый источник тока
J	Полевой транзистор с управляющим p– n-переходом (FET)
K	Связанные индуктивности и линии передачи
L	Индуктивность
M	МОП-транзистор (MOSFET)
Q	Биполярный транзистор
R	Резистор

Номера узлов подключения компонента к схеме перечисляются в определенном порядке, установленном для каждого компонента. Имя модели компонента не является обязательным параметром. Далее указываются численные значения параметров компонента. В программе PSpice осуществляется масштабирование чисел с помощью суффиксов, приведенных в табл. 3.

Допускается к масштабным суффиксам дописывать буквенные символы для улучшения наглядности обозначений. Так, сопротивление 5,1 кОм может быть записано несколькими способами: 5100, 5.1K, 5.1KOM, 5.1KOHM, 5.1e3, 0.0051e3K. При этом допускается присоединять суффикс и к числам, представленным в форме с плавающей точкой, как в последнем примере. Суффикс MIL используется при задании геометрических размеров МОП-транзисторов.

Таблица 3

Масштабирование чисел в Pspice

Суффикс	Масштабный коэффициент	Наименование
F	10-15	Фемто
P	10-12	Пико
N	10-9	Нано
U	10-6	Микро
MIL	25,4·10-6	Мил (0,001 дюйма)
M	103	Милли
K	103	Кило
MEG	106	Мега
G	109	Гига
T	1012	Тера

Директивы моделиpования начинаются с символа “.” в первой позиции (см. табл. 4).

В директиве .MODEL в круглых скобках указывается список значений параметров модели компонента (если этот список отсутствует или не полный, то недостающие значения параметров модели назначаются по умолчанию).

Резисторы описываются предложением

Rxxx <+узел> <–узел> [ имя модели ] <значение>

+[ TC=<TC1>[,<TC2> ] ]

Здесь xxx – произвольная алфавитно-цифровая последовательность общей длиной не более 7 символов, которая пишется слитно с символом R и вместе с ним образует имя компонента.

Конденсатор описывается предложением

Cxxx <+узел> <–узел> [имя модели] <значение>

+ [IC=<начальное значение напряжения>]

Индуктивность описывается пpедложением

Lxxx <+узел> <–узел> [имя модели] <значение>

+ [IC = <начальное значение тока>]

Полупроводниковые приборы, математические модели которых встроены в программу PSpice, описываются большим количеством параметров, задаваемых с помощью директивы .MODEL. Директиву .MODEL можно поместить в описание анализируемой схемы или в файл библиотеки, доступ к которому осуществляется с помощью директивы .LIB. Описание конкретного полупроводникового прибора содержит его имя, номера узлов подключения, имя модели и коэффициент кратности Area, с помощью которого имитируется параллельное включение нескольких одинаковых приборов.

Таблица 4

Директивы Pspice

Имя	Назначение
Задание начальных условий
.IC	Задание начальных условий
.NODESET	Задание узловых потенциалов по постоянному току на начальной итерации
.SAVEBIAS	Запись в файл узловых потенциалов схемы
.LOADBIAS	Считывание из файла узловых потенциалов схемы
Pасчет стандаpтных хаpактеpистик
.OP	Передача в выходной файл параметров схемы, линеаризованной в окрестности рабочей точки
.TF	Расчет малосигнальных передаточных функций в режиме по постоянному току
.SENS	Расчет малосигнальных чувствительностей в режиме по постоянному току
.DC	Расчет режима по постоянному току
.TRAN	Расчет переходных процессов
.FOUR	Спектральный анализ
.AC	Расчет частотных характеристик
.NOISE	Расчет уровня внутреннего шума
Многовариантный анализ
.STEP	Вариация параметров
.TEMP	Назначение температуры окружающей среды
Статистический анализ
.MC	Статистический анализ по методу Монте-Карло
.WCASE	Расчет наихудшего случая
Управление выдачей результатов
.PLOT	Представление результатов расчета в выходном файле в виде графиков, построенных в текстовом режиме
.PRINT	Представление результатов расчета в выходном файле в виде таблиц
Продолжение табл. 4
.PROBE	Передача данных в графический постпроцессор Probe
.VECTOR	Создание файла с результатами моделирования цифровых устройств
.WATCH	Выдача промежуточных результатов анализа на экран программы PSpice в текстовом виде
.WIDTH	Назначение длины строк выходного файла
Модели устройств
.MODEL	Описание моделей компонентов
.DISTRIBUTION	Табличное определение закона распределения случайных величин
.SUBCKT	Начало описания макромодели
.ENDS	Конец описания макромодели
Вспомогательные файлы, определение функций и параметров
.FUNC	Определение функции
.PARAM	Определение глобальных параметров
.INC	Включение во входной файл другого файла
.LIB	Подключение библиотеки моделей компонентов
.END	Конец задания
Прочие директивы
.EXTERNAL	Спецификация внешних портов
.OPTIONS	Установка параметров и режимов работы программы
.STIMLIB	Задание имени файла с описанием внешних воздействий
.STIMULUS	Задание внешних воздействий
	Задание текстовых переменных, текстовых выражений или имен файлов, используемых в описании цифровых устройств

Источник питания описывается следующим образом:

[имя] <+узел> <–узел> [вид источника] [номинальное значение]

Диод описывается предложением

Dxxx <узел анода> <узел катода> <имя модели>

+ [<коэффициент кратности Area>]

Модель диода задается в виде

.MODEL <имя модели> D [(параметры модели)]

Пример 1. Включим между узлами 1 и 2 диод D9, параметры которого вводятся с помощью директивы .MODEL

D1 1 2 D9B

.MODEL D9B D (IS=5UA RS=14 BV=2.81 IBV=5UA)

Пример 2. Включим между узлами 1 и 2 диод D104A, параметры которого записаны в библиотечном файле d.lib

D1 1 2 D104A

.LIB D.LIB

Биполярный транзистор описывается предложением

Qxxx <узел коллектора> <узел базы> <узел эмиттера>

+ [<узел подложки>] <имя модели> [<коэффициент

кратности Area>]

Модели биполярных транзисторов задаются в виде

.MODEL <имя модели> NPN [(параметры модели)]

.MODEL <имя модели> PNP [(параметры модели)]

.MODEL <имя модели> LPNP [(параметры модели)]

Полевой транзистор с управляющим p–n-переходом описывается предложением:

Jxxx <узел стока> <узел затвора> <узел истока>

+ <имя модели> [<коэффициент кратности Area>]

Модели полевых транзисторов задаются в виде

.MODEL <имя модели> NJF [(параметры модели)]

.MODEL <имя модели> PJF [(параметры модели)]

МОП-транзистор описывается предложением

Mxxx <узел стока> <узел затвора> <узел истока>

+ <узел подложки> <имя модели>

+ [L=<значение>] [W=<значение>] [AD=<значение>]

+ [AS=<значение>] [PD=<значение>] [PS=<значение>]

+ [NRD=<значение>] [NRS=<значение>]

[NRG=<значение>]

+ [NRB=<значение>] [M=<значение>]

Модели МОП-транзисторов задаются в виде

.MODEL <имя модели> NMOS [(параметры модели)]

.MODEL <имя модели > PMOS [(параметры модели)]

2.3 Вопросы к домашнему заданию

1. Что называют моделью?

2. Что такое параметры модели?

3. Что такое схема замещения?

4. Чем модель Гуммеля-Пуна отличается от модели Эберса-Молла?

5. Каковы правила составления задания на моделирование в программе Pspice?

6. Для чего нужны директивы Pspice?

3. Лабораторные задания и методические указания к его выполнению.

3.1 Задание №1

Необходимо ознакомиться с программами схемотехнического моделирования PSpice и отображения и обработки результатов Probe, руководствуясь материалом, представленном в /3/, а также содержанием настоящего раздела.

В системе OrCAD 9.2 программа моделирования PSpice объединена с программой отображения и обработки результатов Probe. Результаты моделирования, полученные с помощью PSpice , заносятся в файлы данных для построения графиков (имеют расширения *.DAT или *.TXT) и передаются в Probe.

Программа Probe загружается автоматически, если в задании на моделирование стоит директива .Probe. Управляющая оболочка программ PSpice и Probe представлена на рис.3

Расположенная в центре основная часть экрана предназначена для вывода результатов моделирования в графическом или текстовом виде на нескольких закладках. В левой нижней части экрана приводится информация о прохождении этапов моделирования. В правой нижней части имеются 3 закладки последнего сеанса моделирования: Analiysis – детальная информация о ходе моделирования; Watch – вывод текущих значений напряжений узлов, помеченных на схеме символами WATCH1 (из библиотеки Special); Devices – статистика состава компонентов проекта. Команды управляющей оболочки программ PSpice и Probe приведены в таблице 5

Рис.3 Экран программ Pspice и Probe

Таблица 5

Управляющие команды программ PSpice и Probe

Команда							Назначение
1							2
Меню File (Файл)
New (Ctrl +N)							Создание нового профайла моделирования (Simulation Prifile) или текстового файла (Text File)
Open… (Ctrl+O)							Открытие нового окна построения графиков и загрузка файла данных с результатами моделирования.
Append Waveform (.DAT)…							Добавление к текущему окну данных из файла (при этом загружаются данные из той же секции, которая открыта в текущем окне: DC, AC или Transient)
Close							Закрытие текущего окна
Save							Сохранение текущего текстового файла под старым именем
Продолжение табл. 5
1							2
Save As							Сохранение текущего текстового файла под новым именем
Print…(Ctrl+P)							Вывод твердой копии одного или нескольких окон
Page Setup…							Настройка параметров страницы
							Margins		Размеры полей в дюймах
							Plots Per Page		Количество графиков на странице
							Orientation		Горизонтальная (Landscape) или вертикальная (Portrait) ориентация
							Cursor Information		Ориентация расположения информации относительно курсора
							Draw Border		Заключение графика в рамку
							Draw Plot Title		Вывод заголовка графика
							Header and Footer		Вывод текущей даты, времени и номера страницы
							Set Default		Сохранение информации Header and Footer для установки по умолчанию
							Reset Default		Задание типа принтера по умолчанию
Printer Setup…							Установка параметров принтера
Printer Previev							Просмотр размещения графиков перед печатью
Resent Simulations							Загрузка одного из последних файлов моделирования *.DAT
Resent Files							Загрузка одного из последних профайлов *.SIM
Exit (Alt+ F4)							Завершение работы
Продолжение табл. 5
1							2
Меню View (Просмотр)
Zoom	Изменение масштаба
	Fit							Изменение масштаба изображения так, чтобы на полном экране разместились все графики
	In (Ctrl+I)							Увеличение масштаба изображения в 2 раза (центр поля зрения указывается курсором)
	Out							Уменьшение масштаба изображения в 2 раза (центр поля зрения указывается курсором)
	Area (Ctrl+A)							Вывод на весь экран окаймленной части изображения
	Previous							Возвращение к предыдущему масштабу изображения
	Redraw							Перечерчивание окна
Circuit File								Просмотр файла задания на моделирование (*.CIR)
Output File								Просмотр текстового файла результатов моделирования (*.OUT)
Simulations Result								Загрузка файла графических результатов моделирования (*.DAT)
Simulations Messages								Вывод сообщений о моделировании
Simulations Queue								Просмотр сообщений менеджера моделирования
Toolbars…								Настройка панели инструментов
Alternate Display								Альтернативное (более крупное) изображение экрана
Меню Simulations (Моделирование)
Run						Запуск моделирования
Pause						Приостановка текущего сеанса моделирования
Stop						Прекращение текущего сеанса моделирования
Edit Setting…						Установка конфигурации программы Probe
Edit Runtime Setting…						Установка конфигурации программы PSpice
Продолжение табл. 5
1							2
Меню Trace (Построение графиков)
Add Trace… (Ins)						Добавление графиков одной или нескольких переменных в текущее окно
Delete All Traces…						Удаление всех графиков текущего окна
Undelete Traces…						Восстановление удаленных графиков
Fourier						Вычисление преобразования Фурье
Cursor						Выбор координат определенных точек на графиках с помощью электронного курсора
			Display			Включение / выключение режима электронного курсора
			Freeze			Фиксация положения электронного курсора
			Peak			Перемещение курсора к следующему локальному максимуму на графике
			Trough			Перемещение курсора к следующему локальному минимуму на графике
			Slope			Перемещение курсора к следующей точке с максимальной по модулю производной
			Min			Перемещение курсора к точке с минимальным значением Y
			Max			Перемещение курсора к точке с максимальным значением Y
			Point			Перемещение курсора к точке следующего отсчета
			Search Commands			Ввод одной или нескольких команд поиска
			Next Transition			Перемещение курсора к точке следующего изменения состояния на временной диаграмме
			Previous Transition			Перемещение курсора к точке предыдущего изменения состояния на временной диаграмме
Продолжение табл. 5
1							2
Меню Plote (Отображение графиков)
Axis Setting…		Задание диапазонов значений по осям X,Y, выбор линейной или логарифмической шкалы, выбор сетки, выбор номера оси Y, выполнение преобразования Фурье.
		Data Range			Автоматическая установка диапазона значений (Auto Range) или по указанию пользователя (User Defined)
		Scale			Установка линейной (Linear) или логарифмической (Log) шкалы
		Use Data			Установка диапазона переменных по оси X для вычисления преобразования Фурье и других функций
		Processing Options			Вычисление преобразования Фурье, построение гистограмм или построение зависимостей от варьируемой переменной
		Axis Variable			Выбор переменной, откладываемой по оси X
Add Y Axis		Добавление на график еще одной оси Y
Delete Y Axis		Удаление выбранной оси Y
Add Plot to Window		Добавление нового окна графиков в верхней части текущего окна
Delete Plot		Удаление текущего окна (помеченного символом SEL>>)
Unsinchronize X Axis		Задание собственной оси X для каждого окна
Label		Нанесение на графики текстовых и графических символов:
		Text		Текст (символы кириллицы не допускаются)
		Line		Отрезок линии
		Poly-line		Линейно- ломаная линия
		Arrow		Стрелка
		Box		Прямоугольник
		Circle		Окружность
		Ellips		Эллипс
		Mark		Вывод на экран координат точки, помеченной курсором врежиме Trace > Cursor
AC		Загрузка данных анализа AC
DC		Загрузка данных анализа DC
Transient		Загрузка данных анализа Transient

3.2 Задание №2

Необходимо смоделировать семейство входных и выходных ВАХ биполярного транзистора. Затем необходимо проследить каким образом влияет изменение параметров модели на входные и выходные вольтамперные характеристики.

Для выполнения задания необходимо составить схему, пронумеровать узлы и составить задание на моделирование используя вложенные циклы.

Пример: Необходимо получить семейство входных выходных ВАХ биполярного транзистора NPN типа 2Т313В.

1

Рис.4 Схема измерений выходных характеристик транзистора

.Составим схему измерений

2. Составим задание на моделирование:

*VAH*

VC 1 0 DC 10V

VB 2 0 DC 0.5V

Q1 1 2 0 2T313B

.MODEL 2T313B NPN (параметры модели)

.DC VC 0V 10V 0.2V VB 0V 1V 0.05V

.PROBE

3. После моделирования получаем график IC(Q1)=f(VC)

Аналогичным образом получаем семейство входных ВАХ.

Далее необходимо изменить значение параметров BF, IS и посмотреть как это отразится на входных и выходных ВАХ.

Результаты в виде графиков вывести на печать.

3.3 Контрольные вопросы.

1. Что называют семейством входных и выходных вольтамперных характеристик транзистора.

2. Каким образом параметры BF и IS влияют на ВАХ транзистора.

3. Чем нормальный режим работы транзистора отличается от инверсного.

4. Каким образом в программе Pspice можно смоделировать семейства входных и выходных ВАХ.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Разевиг В.Д. Применение программ P-CAD и Pspiсe для схемотехнического моделирования на ПЭВМ. Модели компонентов аналоговых устройств. М.: Радио и связь, 1992. Вып.2. 64 с.

2. Разевиг В.Д. Система схемотехнического моделирования и проектирования печатных плат Design Center (Pspice). М.: СК Пресс, 1996. 272 с.

3. Разевиг В.Д. Система проектирования OrCAD 9.2.- М.: Солон-Р, 2001.

СОДЕРЖАНИЕ

Лабораторная работа №2. Исследование модели биполярного транзистора…….………………………………………3

Библиографический список……………….………….27

ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛИ

БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторной работе №2

по дисциплине "Интегральные устройства радиоэлектроники" для студентов специальности 210201 "Проектирование и технология радиоэлектронных средств"

очной и заочной форм обучения

Составители: Кретов Святослав Дмитриевич

Турецкий Андрей Владимирович

Ципина Наталья Викторовна

В авторской редакции

Компьютерный набор А.В. Турецкого

Подписано к изданию 25.10.2005

Уч.-изд. л.1,4.

Воронежский государственный технический университет