Аналоговая модель транзистора Советский патент 1982 года по МПК G06G7/48 

Изобретение относится к аналоговому моделированию и предназначено для моделирования электронных схем на биполярных транзисторах. Известно устройство, содержащее транзистор, коллектор которого подключен к коллекторному выводу устройства, эммитер-- к эммитерному, конденсаторы, включенные сортветственно между коллекторным и базовым выводами и эмиттерным и базовым выв дами, дифференциальный усилитель, входы которого подключены параллель резистору, включенному между базой транзистора и базовым выводом устрой ства, общий провод - к эммитерному выводу, выход через конденсато подключен к базовому выводу устройс ва 1. Однако указанное устройство не п воляет моделировать неквазистатичес кий режим работы транзистора и режи насыщения при импульсных воздействи ях. 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,вклю1 ченному между эммитером транзистора и эммитерным выводом устройства, общий 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 базовому выводу устройства, а второй 3900 выход - ко входу НСИ-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 |,2J. В этом устройстве транзистор используется в качестве модели транзистора по постоянному току,конденсаторы служат для моделирования накопления заряда в р-п-переходах, первый дифференциальный усилитель и конденсатор моделируют накопление заряда в базе в активном рещиме, а второй дифференциальный усилитель и RCGсетка - в режиме насыщения. Для моделирования динамических характерист1 к транзистора используется метод заряда, который справедлив только в квазистатичёском режиме работы тракзистора,20 5, т.е. когда характерные времена управ ляющих воздействий много больше времени пролета носителей через базу транзистора. Поэтому это известное устройство имеет недостаточную точность, так как не позволяет моделиро вать неквазистатический режим работы транзистора. Цель изобретения - обеспечение возможности моделирования неквазистатического режима работы транзистора и повышение точности моделирования. 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 резистора, база которого .соединена с первым выводом первого нагрузочного резистора и подключена к первому вхо ду 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 вы вод второго нагрузочного 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, ммитер 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 первым входом источника тока, второй вход которого подключен ко второму выходу RCG-сетки и ко второму входу сумматора, выход которого соединен со вторым входом RCGceтки. На чертеже изображена схема предлагаемого устройства. Устройство содержит усилительный транзистор 1, конденсаторы 2 и 3, RCG-сетку k, состоящую из резисторов резисторов 6 и конденсаторов 7, сумматор 8, дифференциальный усилитель 9, источник 10 токе, резисторы 11 и 12, усилительный транзистор 13, эмц 1терный вывод 1, базовый вывод 15, коллекторный вывод 1б. Устройство работает следующим об-. разом. Принцип моделирования основан на допущении о возможности разделения структуры транзистора на область базы и р-п-перех6ды. Для моделирования переноса носителей в базе транзистора используется RCG-сетка . Применение 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 13Транзисторы 1 и 13 используются также в качестве датчиков экспоненциальных зависимостей, необходимых для задания граничных условий на границах RCG-сетки k. Следует подчеркнуть, что предлагаемая аналоговая модель транзистора имеет замедленные в Ki раз по сравнению с моделируемым транзистором динамические характеристики. Масштабный коэффициент по времени Kj может быть произвольным, например Это позволяет использовать модель для макетирования быстродействующих схем в замедленном в К раз масштабе по времени, что значительно снижает требования к монтажу млкета и измерительным приборам.и, ка следствие, повышает точность макети рования. Параметры RCG-сетки k. (задержка распространения сигнала, коэффициен 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 пос тоянной времени коэффициента перено са) , которые могут быть рассчитаны или выбираются таким образом, чтобы параметры модели задержка -ti, коэффициент передачи тока -oL и постоянные времени , были равны (в масштабе по времени К) соответ ствующим параметрам моделируемого транзистора . .; параметры tj, езС,Тд могут быть измерены по стандартной методике или рассчитаны. Напряжение на выходе сумматора 8 (относительно вывода базы 15, который является общим проводом устройст ва) равно , и.-.к;.,1,(р -il,H), где , К коэффициенты усиления сумматора 8 по первому и второму входу соответственно, К 1; коэффициент передачи тока транзистора 1; сопротивление резистора 11; ток насыщения и т-фактор эммитерного перехо да транзистора 1; напряжение между эммитером и базой транзистора 1; Чт тепловой потенциал; Ь напряжение на выходе дифференциального уси лителя 9Граничное условие на входе RCGсетки t задается сумматором 8-и дифференциальным усилителем 9 в форме напряжения, равного разности напряжений на их выходах U(0)--U -Ug--K gel,l5,R, Величина kg выбирается таким обра зрм, чтобы при коэффициенте передачи тока линией, равном единице выполнялось равенствоос 1. Сопротивление резистора 11 выбирается таким,чтобы степень насыщения транзистора была равна 0,05 и менее. .Ист рчник 10 тока, управляемый током, задает в эммитериой цепи модели ток, равный току накопления носителей в базе, т.е. играет роль диффузионной емкости эммитерного перехода Напряжение на выходе дифференциального усилителя 9 равно 12. sn где и - потенциал эммитера транзистора 13 относительно базового 15 вывода модели; К1 - коэффициент усиления дифференциального усилителя Э по первому входу; Kg - коэффициент усиления дифференциального усилителя 9 по второму входу; К 1; сопротивление резистора 12; ,т - ток насыщения и т-фактор 5 коллекторного перехода транзистора 13; и напряжение между коллектором и базой транзистора 13 Граничное условие на входе RCGсетки 4, U(4) задается в форме напряжения, равного разности напряжений на выходе дифференциального усилите ля 9 и на ,э(митере транзистора 13: (), о ЧЯ -«9« 5« ЧТО справедливо как в активном режиме, так и в режиме насыщения. Сопротивление резистора 12 должно быть в 20 и более раз меньше сопротивления нагрузки коллекторной цепи модели. Транзистор 13 выбирается таким, чтобы токовая зависимость коэффициента передачи тока модели oL определялась транзистором 1, т.е. что быо1(1) 0((1), где cL(I) коэффициент передачи тока транзистора 1; I - ток коллектора модели. Этого практически всегда можно остичь подбором транзистора 13 или 9 применением в качестве него составного транзистора. Конденсаторы 2 и 3 моделируют барьерные емкости р-п-переходов. Их емкость в К раз больше соответстаующих емкостей моделируемого транзистора. На постоянном токе характеристики модели очень точно совпадают с х рактеристиками моделируемого транзистора, поскольку для моделирования граничных условий и Р -П-переходов используются вольт-амперные характеристики реальных транзисторов. При этом характеристики модели в динамическом режиме определяются па раметрами RCG-сетки и конденсаторов 2 , 3 и подобны характеристикам моделируемого транзистора в масштабе К. По сравнению с известными предла гаемое устройство позволяет моделировать неквазистатический режим работы транзистора. Неквазистатические модели позволяют моделировать более широкий клас электронных схем и повысить точност моделирования динамических характеристик в раз и более. Применение аналоговой модели при проектировании интегральных схем по воляет получить существенный экономический эффект. Так, аналоговый ко пьютер, 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 стоимост машинного времени 50 руб за час сос тавляют 150 руб. Таким образом, сто мость аналогового компьютера полнос тью окупается после анализа на нем 27 схем, в то время как стоимость анализа на ЦВМ сохраняется постоянной, равной 150 руб.на схему. Формула изобретения Аналоговая модель транзистора, содержащая первый и второй накопительный 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 нагрузочного 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, 19б7, т. 55, № 10, с. 119-120. 2.Патент США № 3 +8086, кл. , опублик. 19б9 (прототип)