Устройство для моделирования транзистора

ОписАнИЗОБРЕТЕНК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕД Союз Советских 366 оциалистически Республик1) Дополнительное к авт. свид-в 2) Заявлено 250777 (21) 25113 К б С 7/ п рисов нением заявки Йо арствеиный комиСССРделам иэобретении открытий Госу(23) Приорите публиковано 050180 Бюл 681.33 (088.8 Дат бликования опис 72) Автор изобрете(71) Заявител 54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИТРАНЗИСТОРА 2 Недостатком ляется невысока вания вследстви новения в сущест цессов, происход и как следствие кость модели. Эт что с помощью эт можно воспроиэв цессы, протекающ коллекторном р-и ности, так как т анзисто в евоэ проль- ует устройство моделирр р 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 преобразовател выход которого подключен ко второму входу первого функционального преоб зователя, выход которого через инве тор соединен с первым входом второго Функционального преобразователя, вт оой вход которого подключен к выхоко- перволя,Изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано для моделирования и расчета цепей, содержащих транзисторы,Известно устройство для моделирования транзисторов по их эквивалентньщ схемам, содержащее резисторы для моделирования пассивных цепей, гене раторы 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 Ь-параметров транзистора.Наиболее близким техническим решением к предложенному изобретению является устройство для моделирования,транзистора, содержащее источники напряжения, выход одного из торых подключен к первому входу го функционального преобразовате и инвертор (2 . того устройства явточность моделиронеглубокого проникво физических проящих в транзисторе, недостаточная гибо приводит к тому, ого устройства н ести физические ие в эмиттерном ипереходах в отдеду другого источника напряжения,выход которого через разделительныйэлемент односторонней пронодимостисоединен со входом по опорному напряжекию первого функционального преобразователя,На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства для модели,рования транзистора, на фиг, 2,электрическая схема транзистора р-и-ртипа с обозначениями принятых за условно положительные направления токов и напряжений на его электродах;на Фиг, 3 приведено полученное с помощью модели семейстно статическихколлекторных характеристик транзистора в схеме с общим эмиттером; наФиг, 4 показано семейство статических характеристик, воспроизводимыхпервым функциональным преобразователем. На Фиг. 5 приведена статичес -кая вольтамперная характеристикаэмиттерного р-и перехода; на фиг." бсоответстнующая ей характеристика,воспроизводимая вторым Функциональным преобразователем.На схеме (фиг, 1) представленыисточники напряжения 1, 2, первыйФункциональный преобразователь 3,второй функциональный преобразователь 4, инвертор 5, разделительныйэлемент односторонйей проволимости б, операционные усилители (Оу)7, 8, входные резисторы 9, 10, 11,12, резисторы 13, 14 обратной связи операционных усилителей, делителинапряжения 15 16, полупроводниковыедиоды 17, 18, входные резисторы 19,20, источник опорного напряженияЕ,п 21. Моделирование транзистора основано на в оспроизв едении его стат ич ес ких вольтамперных характеристик при их кусочно-линейной аппроксимации, При этом отдельными блоками моделируются коллекторкые (ныходные) характеристики и базовые (входные) характеристики. Считается, что коллекторные харак т ерис тик и отражают процессы, происходящие в коллекторном р-и переходе, а базовые - в эмиттерном р-и переходе, Эти характе ристики при моделировании могут быть аппроксимированы произвольным чис - лом отрезков прямой линии.При моделировании транзисторов возникает задача создания моделей транзисторов разного типа проводимости. Устройство моделей транзисторов р-и-р и и-р-и типов принципиально ничем не отличается, поэтому в дальнейшем для определенности 60 полагаем, что рассматривается моделирование транзистора типа р-и-рОписываемое ниже устройство для моделирования транзистора воспроизводит статические коллекторные характеристики транзистора н схеме с общимэмиттером (фиг, 3) вида"к= к(э,1) (1)гДе 1,) = ЗЕ,З-. з0Фиксированные значения тока базы.При моделиронании используетсяизвестное представление о том, чтотранзистор является трехслойной полупроводиковой структурой, содержащей два р-и перехода; эмиттерныйи коллекторный (см. Фиг. 2) . Напряжение, приложенное между зажимамиэмиттера и коллектора - Бзк, равносумме напряжений(2)где (1 з- напряжение на эмиттерномр-и переходе;Ок - напряжение на коллекторномр-и перехоле.Для схемы с общим эмиттером также справедливо условие, что токзмиттера 1 ранен сумме токов базыи коллектора"з - Г +1 к 2,/где 1- - ток базы;1 к - ток коллектора,Напряжение П на выходе источника 1 пропорционально току базытранзистора, а напряжение П, на ныхо 2де источника 2 пропорционально напряжению О между эмиттером и коллектором. Напряжение О пропорциональноетоку коллектора 1, вырабатываетсяна выходе кнвертора 5. Функциональньй преобразователь 3 представляетсобой операционный усилитель (Оу) 7с двумя входными резисторами 9 и10, н цепь обратной связи котороговключеы параллельно резистор 13 итрехполюсный диодный элемент, Диодный элемент выполнен на основе делителя напряжеия 15 и полупроводникового лиода 17, подключенного к суммирующей точке усилителя 7 черезрезистор 19. Один входной зажим делителя напряжения 15 подключен к выходу усилителя 7, второй входнойзажим - к катоду разделительногоэлемента б. Выход делителя соединенс катодом диода 17, Функциональныйпреобразователь 3 имеет два входа:один вход подключен к ныходу источника 2, другой вход подключен квыходу Функционального преобразова-теля 4,Выход Функционального преобразователя 3 соединен со входом инвертора 5. Функциональный преобразователь 4 выполнен аналогично функциональному преобразователю 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 вырабатывает напря жение (34, пропорциональное напряже 70 ВЗббнию на змиттерном переходе Оэ, но с обратньм знаком, т.е. О 4 - Оэ.Инвертор 5 предназначен для изменения на противоположный знака выходного напряжения функционального преобразователя 3, т.е. на выходе инвертора 5 вырабатывается напряжение О пропорциональное току коллектора транзистора.Устройство работает следующим образом.При подаче на нход функционального преобразователя 3 от источника 2 напряжения О положительной полярности, пропорционального напряжению (3 транзистора, на входе Функционального преобразователя 3 происходит суммирование напряжений (3 и Оч, и на суммирующей точке усилителя 7 вырабатывается в соответстнии с выражением (2) сигнал, пропорциональный напряжению на коллекторном р-и перекходе,Ок Окэ ОэФункциональный преобразователь 3осуществляет Функциональное преобразование (4)(3 э = Ц 33 + (3(3),график которого приведен на Фиг. 4,соответствующее преобразованию-- 3 1 г) (5)На выходе функционального преобразонателя 3 вырабатывается напряжение (3., пропорциональное отрицательному току коллектора. Значение этогонапряжения зависит от величины управляюего напряжения О пропорционального току базы 1 транзистора,которое подается через разделительныйэлемент б от источника 1 на входделителя напряжения 15, При неизменном значении напряжения О 4, например(34, соответствующем некоторомупостоянному значению тока базы1 = 14 Функциональный преобразователь 3 воспроизводит нелинейную зависимость (3 - (3 5 3 +04 043 ) ркоторая соответствует лишь однойветн и семеиств а к оллек торных в ольтамперных характеристик= 1 х 393)для тока 1,5 (см. Фиг. 3) . Эта зависимость имеет два характерныхучастка: первый начальный участок,идущий под углом около 90" к осиабсцисс, и второй участок, идущийпод небольшим углом к оси абсцисссоединяющиеся в точке перегиба А 4Первый начальный участок можно назвать участком насыщения так какон соответствует режиму насыщениятранзистора, а второй - участкомактивного режима, так как от соответствует активному оежиму работытранзистора,функциональный преобразователь 3работает следующим образом, С увеличением напряжения О.О 4 ст нуляизображающая точка сначала движется (см. Фиг, 4) по первому участкуветви нниз от начала координат идостигает точки перегиба а 4 . Приработе на первом участке в преобразователе 3 работают только входные регисторы 9 и 10 и усилитель 7с резистором 13 в цепи обратной связи. Наклон первого начального участка, равный коэффициенту передачиусилителя 7 по первому входу (иливторому входу) определяется отношением сопротивлений резисторов 13и 9 (10) и равен(3Как только сумма напряженийЧдостигнет значения, соответствующего точке перегиба а 4изображающая точка переходит йавторой участок - в работу включаетсядиодный элемент, выполненный на базе делителя напряжения 15 и диода17, подключенный к входу усилителя7 через резистор 19, Диодный элемент настроен на некоторое значение напряжения отпирания диода 17,определяемое максимальньм рабочимзначением тока коллектора моделируемого транзистора, Это значение устанавлив ается путем установки движкаделителя 15 в определенное Фиксированное положение, При увеличении положительного по знаку напряжения3 +(34) больше значения, соответ"ствующего точке перегиба характеристики а 4 , диод 17 открывается и начинает Формироваться второй участокстатической характеристики транзистора. Этот участок имеет меньшийнаклон к оси абсцисс, так как коэф 4 ициент; усиления усилителя 7 приналичии дополнительной цепи обратной связи значительно меньше и приб"лизительно равен(. )ЙПри уменьшении суммы напряжений(П +04) изображающая точка, движется влево по второму участку до точки перегиба а 4, где диод 17 закрывается, а затем вверх по первомуучастку до начала координат,Если теперь изменить значениенапряжения (3 например, увеличить,что будет соответствовать большемузначению тока базы (- 1,5., то этоприведет к изменению настройки диодного элемента, а именно к увеличению отрицательного потенциала отпирания диода 17, В результате длинаначального участка от начала координат до точки перегиба а увеличится, При планном увеличении напряжения (3, точка перегиба скользит полинии, являющейся продолжением начального участка характеристики. Одновременно несколько увеличиваетсянаклон второго участка характеристики, что полностью соответствует виду статических коллекторных характеристик транзистора. Соответственно, при плавном уменьшении упранляюшего 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 э.ависимость напряжения на эмиттерном переходе Оэ в функции тока эмиттера"э = "Э (1 э),изображенную на фиг. 5. Эта зависимость представляет собой вольтамперную характеристику диода, котораяв данном случае аппроксимиронанадвумя отрезками прямой, пересекающимися в точке В , соответствующей некоторой начальной ЭДС ЕоНа вход преобразователя 4 подаются два напряжения: от источника 1напряжение О, пропорциональное току базы 1 ,.и с выхода инвертора5 напряжение О , пропорциональноетоку коллектора 1 .В результате сумми -Крования О и О вырабатывается сигнал(О + О ), пропорциональный току эмит 5 фтера в соотнетствии с выражением (3)1 Г +Функциональный преоб раз он атель 4осуществляет Функциональное преобра -э ов ание04 (Ц + Ц), (9)график которого прйведен на фиг. 6,соответствующее преобразованию-Уэ = -У., ( 3.1 к) . (10 ) .Таким образом, на выходе функционального преобразонателя 4 вырабатывается напряжение О 4, пропорциональное отрицательному йапряжению эмиттера (-Оэ )Функциональный преобразователь 4работает следующим образом. Еслисумма напряжений ( О+ О ) положительна и увеличивается от нуля, тоизображающая точка (см. Фиг. 6) движется вниз от начала координат кточке В по начальному участку харак -теристики. На этом участке диод 18заперт положительным потенциаломЕКоэффициент усиления усилителя 8определяется отношением сопротивлений резисторов 14 и 11-- Н - .(11)ВаЭто соответствует тому, что с возрастанием эмиттерного тока 1 я напряжение на диоде увеличивается дов еличины Е,(см. фиг, 5 ) .Как только сумма напряжений(ОО) достигнет значения, соответствующего точке перегиба В, изображающая точка переходит на второйучасток - диод 18 отпирается и вработу включается диодный элемент,выполненный на основе делителя напряжения 16 и диода 18, подключенного к суммирующей точке усилителя 8через резистор 20 . Днодный элементнастроен на некоторое значение напряжения отпирания О 4 диода 18, пропорциональное значению Ео . Приувеличении положительного по знакунапряжения ( О + О ) больше значения, соответствующего тояке перегиба В, изображающая точка движетсявправо по второму участку характеристики . Этот участок имеет меньшийнаклон к оси абсцисс, так как коэффициент усиления усилителя 8 приработе диодного элемента значительноменьше и приблизительно равен2(12)Такой режим соответствует проводящему состоянию эмиттерного р-и 20 перехода, при котором большим изменениям тока 1 Э соответствуют небольшие изменения напряжения О э(фиг. 5) .При уменьшении суммы напряжений( Ц, + О ) изображающая точка движется влево по второму участку доточки перегиба, где диод 18 закрынается, а затем ннерх по первомуучастку до начала коодинат.Если сумма напряжений ( О + Ов ) З 0 отрицательна и возрастает от нуля(по модулю), то изображающая точкадвижется (см, фиг, 6) вверх и нлево от начала координат по начальному -участку характеристики. На выходеусилителя 8 напряжение О 4 резко возрастает и положительно по знаку,поэтому диод 18 будет заперт. КоэфФициент усиления усилителя 8 велики определяется выражением (11), Этотрежим соответствует запертому состоя нию эмиттерного р-и перехода, прикотором небольшим токам утечкисоответствуют большие значения обратного напряжения Оэ (см. Фиг, 5) .Особый случай представляет режим 45 работы модели транзистора при отрицательных значениях напряжения источника О,что соответствует отрицательным значениям напряжения О . Вреальном транзисторе, если напряже ние О имеет обратную полярность,то оно оказывается приложенным кэмиттерному р-и переходу. Это соответствует тому, что коллекторныйр-п переход смещается в прямом нап равлении, а эмиттерный - н обратном.В устройстве при отрицательномОсумма напряжений ( О 2 + О 4 ), подаваемая на вход функционального 60 преобразователя 3 становится отрицательной по знаку, Г увеличением еепо абсолютной величине изображающаяточка движется (см, фиг, 4) влевои внерх от начала координат по на чальному участку характеристики.На выходе усилителя 7 напряжение О 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 0 инвертируется инвертором 5 и с отрицательной полярностью подается на вход функционального преобразователя 4. Ввиду того, что О ь) Осумма ( Ц + ц ) становится отрицательйой. Так как положительное напряжение 4 на выходе преобразователя 4, пропорциональное обратному напряжению эмиттера ( - 09 ), возрастает со скоростью, на порядок выше, чем скорость нарастания отрицательного напряжения Ц, пропорционального приложенному напряжению между эмиттером и 20 коллектором (Зэк, и они имеют противоположную полярность, то сумма их (0 + 04) будет невелика, хотя и отрицательна по знаку, причем по абсолютной величине 34 (О+ О 4), Это бу дет соответствовать тому, что большая часть приложенного отрицательного напряжения Озк будет восприниматься эмиттерным р-и переходом, т.е. ) э ОК, что полностью соответствует Зо физическому смыслу явлений в обратно смещенной р-п-р структуре транзистора,Под коэффициентом усиления по току транзистора в схеме ОЭ понимают величину3 кд( ьд О, к=сопМ, 6Его физический смысл заключается 4 О в том, что он характеризует насколько ( Ьк ) сдвинется (см. фиг. 3) вдоль оси токов 1 к активный участок вольтамперной характеристики транзистора при изменении тока базы на некоторую величину Ь 1 Изменение коэффициента усиления по току Ъ в устоойстве осуществ)ляется изменением положения движка о делителя напряжения 15 в функциональном преобразователе 3. Чем больше жела емое э нач ение 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 О(, 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 изобретенияУстройство для моделирования транзистора, содержащее источники напряжения, выход одного из которых подключен к первому входу первого функционального преобразователя, и инвертор, о т л и ч а ю щ е е с я 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 выходудругого источника напряжения, выходкоторого через разделительный .элемент односторонней проводимостисоединен со входом по опорному напря"жению первого функционального преобраз ов ателя. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1, Авторское свидетельство СССР Р 270353, кл. 6 06 6 7/48, 1970, 2, Авторское свидетельство СССРР 485470, кл. С 06 С 7/48, 1975 (прототип),708366Фиг. гФггг. 5Дгг БТираж 751 Подписнс еЦНИИПИ Заказ 8490/45Филиал ППП Патент, г. Ужторог, ул, Проектная,4