Устройство для моделирования транзистора Советский патент 1980 года по МПК G06G7/48 

Изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано для моделирования и рас чета цепей, содержащих транзисторы. Известно устройство для моделирования транзисторов по их эквивалентным схемам, содержащее резисторы для моделирования пассивных цепей, ген раторы для моделирования независимых источников напряжения 1. Недостатком этого устройства является 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 за1мещения транзистора, который в свою очередь требует знанияh-параметров транзистора. Наиболее близким техническим рещением к предложенному изобретению является устройство для моделирования . транзистора , содержащее источники напряжения, в.ыход одного из которых подключен к первому входу перво го 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 недостаточнйя гибкость модели. Это приводит к тому, что с помощью этого устройства невозможно воспроизвести физические процессы, протекающие в эмиттерном и коллекторном р-п 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-п 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 вьтхоДУ другого источника напряжения, . выход которого через разделительный элемент односторокней проводимости соединен со входом по опорному напряжению nepBoio функционального пре образователя. На фиг.1 представлена принципиальная схема устройства для модели|рования .транзистора; на фиг, 2 электрическая схема транзистора р-п типа с обозначениями принятых за ус ловно положительные направления токов и напряжений на его электродах; на фиг. 3 приведено полученное с по мощью модели семейство статических коллекторных характеристик транзистора в схеме с общим эмиттером; на фиг. 4 показано семейство статических характеристик, воспроизводимых первым функциор1альным преобразовате лем. На фиг, 5 приведена статическая вольтамперная характеристика эмитхерного р-п перехода; на фиг, 6 соответствующая ей характеристика, воспроизводимая вторым функциональным преобразователем. На схеме (фиг. 1) представлены источники напряжения 1, 2, первый функциональный преобразователь 3, второй функциональный преобразователь 4, инвертор 5, разделительный элемент односторонней проводимости 6, операционные усилители (ОУ) 7, 8, входные резисторы 9, 10, 11, 12, резисторы 13, 14 обратной связи операционных усилителей, делител напряжения 15, 16, полупроводниковы диодь 17, 18, входные резисторы 19, 20, источник опорного напряжения Моделирование транзистора основа но на воспроизведении его статических вольтамперных характеристик при их кусочно-линейной аппроксимации. При этом отдельными блоками моделируются коллекторные (выходные) характеристики и базовые (входные). характеристики. Считается, что колл торные характеристики отражают процессы, происходящие в коллекторном переходе, а базовые - в эмиттерном р-п переходе. Эти характ ристики при моделировании могут быт аппроксимированы произвольным числом отрезков прямой линии. При моделироваьши транзисторов возникает задача создания моделей транзисторов разного типа проводимости. Устройство моделей транзисторов р-п-р и п-р-п типов принципиально ничем не отличается, поэтому в дальнейшем для определенности полагае, что рассматривается модел рование транзистора типа р-п-р, Описьшаемое ниже устройство для моделирования транзистора воспроизвод статические коллекторные характерис тики транзистора в схе-ме с эмиттером (фиг, 3) вида - 3KV где If c5--i 3d-5.,, jj5фиксированные значения тока базы. При моделировании используется известное представление о том, что транзистор является трехслойной полупроводниковой структурой, содержащей два р-п перехода: эмиттерный и коллекторный (см, фиг, 2). Напряжение, приложенное между зажимами эмиттера и коллектора - , равно сумме напряжений Ug +UK где Ug- напряжение на эмиттерном р-п переходе; U(/ напряжение на коллекторном р-п переходе, Для схемы с общим эмиттером также справедливо условие, что ток эмиттера i равен сумме токов базы и коллектора ig ij +is где if - ток базы; i - ток коллектора. Напряжение U, на выходе источника 1 пропорционально току базы ij транзистора, а напряжение U,2 на выходе источника 2 пропорционально напря; ению иц)между эмиттером и коллектором. Напряжение Ug пропорциональное току коллектора « , вырабатьшается на в лходе инвертора 5, Функциональный преобразователь 3 представляет собой операционный усилитель (ОУ) 7 с двумя входными резисторами 9 и 10, в цепь обратной связи которого включены параллельно резистор 13 и трехполюсный диодный элемент. Диодный элемент выполнен на основе делителя напряжения 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 преобразователя 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 Едп/ не изменяющего свою величину. Функциональный преобразователь 4 вырабатывает напряжение j, пропорциональное напряжению на эмнттерном переходе Ug, но с обратным знаком, т.е. U4.--Ug. Инвертор 5 предназначен для изменения на противоположный знака выход ного напряжения функционального преобразователя 3, т.е. на выходе инвер тора 5 вырабатывается напряжение Uc пропорциональное току коллектора i, транзистора. Устройство работает следующим образом. При подаче на вход функционального преобразователя 3 от источника 2 напряжения U положительной полярно ти, пропорционального напряжению транзистора, на входе функционального преобразователя 3 происходит суммирование напряжений UQ. и Уц/ и на суммирующей точке усилителя 7 вьфабатывается в соответствии с выражени ем (2) сигнал, пропорциональный напряжению U ц н-а коллекторном р-Л переходе, функциональный преобразователь 3 осуь.ествляет функциональное преобразование(4) 2 + 4, график которого приведен на фиг. 4, соответствующее преобразованию -iK (UK, id-). (5) На выходе функционального .преобразователя 3 вырабатывается напряжение УЗ пропорциональное отрицатель ному току коллектора. Значение этого напряжения зависит от величины управляю11его напряжения и пропорционального току базы iff транзистора, которое подается через разделительны элемент 6 от источника 1 на вход делителя напряжения 15. При неизменном значении напряжения (j , например и Ц - uj , соответствующем некоторому значению тока базы постоянному

ij 1,г4 функциональный преобразователь 3 воспроизводит нелинейную зависимость и,, и (и ) которая соответствует лишь одной ветви семейства коллекторных вольтамперных характеристик i i; --(-9к для ток а Ij (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 А . Первый начальный участок можно назвать участком насыщения, так как он соответствует режиму насыщения транзистора, а второй - участком активного режима, так как от соответствует активному режиму работы транзистора.

Функциональный преобразователь 3 работает следующим образом. С у еличением напряжения ,от нуля изображающая точка сначала движет(7)

К

К,

При уменьшении суммы напряжений (V„ +Ux) изображающая точка, движется влево по второму участку до, точки перегиба а , где диод 17 закрывается, а затем вверх по первому

0 участку до начала координат.

Если теперь изменить значение напряжения (j i например, увеличить, что будет соответствовать бoльшe iy значению тока базы то это приведет к изменению настройки диод5ного элемента, а именно к увеличению отрицательного потенциала отпирания диода 17, В результате длина начального участка от начала координат до точки перегиба а

увеличится. При плавном увеличении напряжения и.| точка перегиба скользит по линии, являющейся продолжением начального участка характеристики. Одно:временно несколько увеличивается наклон второго участка характеристися (см. фиг. 4) по первому участку ветви вниз от начала координат и достигает точки перегиба а. . При работе на первом участке в преобразователе 3 работают только входные регисторы 9 и 10 л усилитель .7 с резистором 13 в цепи обратной связи. Наклон -первого ; начального участка, равный коэффициенту передачи усилителя 7 по первому входу (или второму входу) определяется отношением сопротивлений резисторов 13 и 9 (10) и рав ен у- vioa- «-1 Вх % Как только сумма напряжений 41 достигнет значения, соответствующего точке перегиба а , изображающая точка переходит на 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 17, определяемое максимальнь 1 рабочим значением тока коллектора моделируемого транзистора. Это значение устанавливается путем установки движка делителя 15 в определенное фиксированное положение. При увеличении положительного по знаку напряжения (U2 +04)- больше значения, соответствующего точке перегиба характерисдиод 17 открывается и натики а чинает фор лироваться второй участок статической характеристики транзистора . Этот участок имеет меньший наклон к оси абсцисс, так как коэфициент . усиления усилителя 7 при наличии дополнительной цепи обратной связи значительно меньше и приблизительно равен ки, что полностью соответстпует виду статических коллекторных характе ристик транзистора. Соответственно, при плавном уменьшении управляющего напряжения точка перегиба характерис тики перемещается вверх. В результате функциональный преобразователь 3 воспроизводит семейство характерис тик, изображенных на фиг. 4. Функциональный преобразователь 4 реализует нелинейную функциональную з.ависимость напряжения на эмиттёрHOfv переходе Ug в функции тока эмиттера i 5 . Ug - Ug (ig),(8) изображенную на фиг. 5. Эта зависимость представляет собой вольтампер ную характеристику диода, которая в данном случае аппроксимирована двумя отрезками прямой, пересекающимися в точке В , соответстнующеП некоторой начальной ЭДС Eg . На вход преобразователя 4 подуются два напряжения: от источника 1 напряжение U , пропорциональное току базы i(j- , .и с выхода инвертора 5 напряжение Ug , пропорциональное току коллектора i,.B р.зультате сумм рования UH и Uj врлрабатывается сигн (Ц+ 115)/ пропорциональный току эмит тера в соответствии с выражением (3 3 i(f Ч-, Функциональный преобразователь 4 осуществляет функциональное преобра зование 4 4( + s график которого приведен на фиг. 6, соответствующее преобразованию -U9 -Ug (if -V IK) . (10) Таким образом, на выходе функцио нального преобразователя 4 вырабаты вается напряжение (J4 г пропорционал ное отрицательному напряжению эмиттера ( - Ug ) . Функциональный.преобразователь, 4 рабо ает следующим образом. Если сумма напряжений ( Uj ) положительна и увеличивается от нуля, то изображающая точка (см. фиг. 6) движется вниз от начала координат к точке В по начальному участку характеристики. На этом участке диод 18 заперт положительным потенциалом-(-в;0 Коэффициент усиления усилителя 8 определяется отношением сопротивлений резисторов 14 и 11 D Т} К. .-14-. вх 1. Это соответствует тому, что с возрастанием эмиттерного тока ie напряжение на диоде увеличивается до величины ЕО .(см. фиг. 5) . Как только сумма напряжений () 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. Диодный элемент настроен на некоторое значение напряжения отпирания 04 диода 18, пропорциональное значению EQ . При увеличении положительного по знаку напряжения ( U -t- 1/5 ) 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 зf aчитeльнo меньше и приблизительно равен 0. R Такой режим соответствует проводящему состоянию эмиттерного р-п перехода, при котором большим изменениям тока ig Соответствуют небольшие изменения напряжения у , (фиг. 5) . При уменылении суммы напряжений ( и + Ug ) изображающая точка движется влево по второму участку до точки перегиба, где диод 18 закрывается, а затем вверх по первому участку до начала коодинат. Если сумма напряжений ( U + Ug ) отрицательна и возрастает от нуля (по модулю), то изображающая точка движется (см. фиг. 6) вверх и влево от начала координат по начальному -участку характеристики. На выходе усилителя 8 напряжение 0. возрастает и положительно по знаку, поэтому диод 18 будет заперт. Коэффициент усиления усилителя- В велик: и определяется выражением (11). Этот режим соответствует запертому состоянию эмиттерного р-п перехода, при котором небольшим токам утечки ig , соответствуют большие значения обратного напряжения иq (см. фиг. 5). Особый случай представляет режим работы модели транзистора при отрицательных значениях напряжения источника U2. что соответствует отрицательны / значениям напряжения Ug. В реальном транзисторе, если напряжение Ugj HMeeT обратную полярность, то оно оказывается приложенным к змиттерному р-п переходу. Это соответствует тому, что коллекторный р-п переход смещается в прямом направлении, а эмиттерный - в обратном . В устройстве при отрицательном и 2 сумма напряжений (02+04) одаваемая на вход функционального преобразователя 3 становится отрицательной по знаку. С увеличением ее по абсолютной величине изображающая точка движется (см. фиг. 4) влево и вверх от начала координат по начальному участку характеристики. На выходе усилителя 7 напряжение Uo, 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 коллек торного тока, т.е. прямому смещению коллекторного р-п перехода, Быстро увеличивающееся напряжение U. инвер тируется инвертором 5 и с отрицательной полярностью подается на вхо функционального преобразователя 4. Ввиду того, что и 5 и сумма () становится отрицательной. Так как положительное напряжение U на выходе преобразователя 4, пропорциональное обратному напряжению эмиттера ( - Ug ), возрастает со скорос тью, на порядок выше, чем скорость нарастания отрицательного напряжения Uaf пропорционального приложен ному напряжению между эмиттером и коллектором они имеют противоположную полярность, то cyTviMa их (U )4) будет невелика, хотя и от рицательна по знаку, причем по абсо лютной величине Од (и.) Это будет соответствовать тому, что большйя часть приложенного отрицательного напряжения Ugi будет воспринима ся эмиттерным р-п переходом, т.е. l)gb.U(, что полностью соответствуе физическому смыслу явлений в обратно смещенной р-п-р структуре транзистора . Под коэффициентом усиления по току транзистора в схеме ОЭ понимают величину Ugj -COnei Его физический смысл заключается в том, что он характеризует насколь ко ( Л ц ) сдвинется (см. фиг. 3) вдоль оси токов 1) активный участок вольт,амперной характеристики транзистора при изменении тока базы на некоторую величину ui(j- . Изменение коэффициента усиления ,по току |Ъ в устройстве осуществ|ляется изменением положения движка делителя напряжения 15 в функционал ном преобразователе 3. Чем больше желаемое значение коэффициента |Ь , 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 J, 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 б односторонней проводимости осуществляет запрет подачи отрицательного управляющего напряжения U 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, отличающеес я тем, что, с целью повышения точности моделирования, в устройство введены разделительный элемент односторонней проводимости и второй функциональный преобразователь, выход которого подключен ко второму входупервого 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 преобразователя. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 270353, кл. G 06 G 7/48, 1970. 2.Авторское свидетельство СССР № 485470, кл. G 06 G 7/48, 1975 (прототип) .