Сделай Сам Свою Работу на 5

Модели биполярных транзисторов





Рассмотрим модели биполярных плоскостных транзисторов BJT (Bipolar Junction Ttransistors) и гетеротранзисторов HBT (Heterojunction Bipolar Transistors), которые в настоящее время широко применяются при разработке телекоммуникационных устройств.

Простейшей моделью плоскостного транзистора технологии BJT является модель Ebers-Молл[55], представленной на рис.1.18.

Эта модель адекватно описывает динамику работы транзистора во многих случаях. Однако она не учитывает инерционные явления, которые возникают благодаря инерционности заряда в базе транзистора.

Модель Gummel-Poon [56], представленная на рис.1.19, учитывает эти важные явления, не включенные в модель Ebers-Молл.

 

 

Рисунок 1.18 – Модель Ebers-Молл транзистора технологии BJT

Рисунок 1.19 – Модель Gummel-Poon транзистора технологии BJT

Модель Gurnmel-Poon иногда называют зарядовой моделью [1, 12], потому что она описывает ток коллектора как функцию количества заряда в базе.

В инструментальной среде AWR MWO, модель Gurnmel-Poon имеет вид, представленный на рис.1.20.

Рисунок 1.20 – Модель Gummel-Poon транзистора технологии BJTв инструментальной среде AWR MWO

SPICE-параметры, являющиеся составной частью математической модели транзистора в AWR MWO, можно классифицировать следующим образом [38]:



- параметры транзистора по постоянному току;

- параметры паразитных сопротивлений переходов;

- емкостные параметры переходов;

- параметры подложки.

Параметры модели Gummel-Poonопределяются типом выбранного транзистора.

В инструментальной среде AWR MWO имеется библиотека SPICE-параметров для транзисторов BJT. Кроме того, в сети Internet существуют сайты производителей радиоэлектронных компонентов (NEC, Philips, Motorola), содержащие SPICE-параметры биполярных транзисторов. Если параметры выбранного транзистора отсутствуют в библиотеке AWR MWO, то их численные значения можно ввести, воспользовавшись специальным диалоговым окном (рис.1.21).

Выбранным биполярным транзисторам BJT, исходя из требований технического задания при решении конкретных задач по диапазону рабочих частот, коэффициенту усиления, выходной мощности, собственным шумам, нелинейным искажениям, температурным режимам, помимо модели Gummel-Poonмогут соответствовать другие модели, в частности, модели Mextram, VBIC(рис.1.22, 1.23).



Рисунок 1.21 – Диалоговое окно ввода SPICE-параметров

транзисторов BJTмодели Gummel-Poon

По существу, выбор транзистора, исходя из технических характеристик, автоматически определяет вид модели, которая наиболее адекватно описывает процессы, происходящие в нем.

Каждая из данных моделей позволяет достаточно точно провести исследование динамических свойств биполярного транзистора, учитывая при этом специфику его статических характеристик. Модель VBICприменяется в транзисторах, параметры которых критичны к температурным режимам. При высоких требованиях к мощности выходного сигнала наиболее эффективна модельGummel-Poon.

Рисунок 1.22 – Модель Mextramтранзистора технологии BJT

в инструментальной среде AWR MWO

Рисунок 1.23 – Модель VBICтранзистора технологии BJT

в инструментальной среде AWR MWO

Перейдем к рассмотрению моделей биполярных гетеротранзисторовHBT.

Биполярный транзистор на гетеропереходах, обладает рядом преимуществ по сравнению биполярным плоскостным транзистором BJT. Комбинация широкозонного эмиттера и узкозонной базы, малая толщина базы и высокая подвижность электронов обуславливают хорошие высокочастотные характеристики. Модель биполярного гетеротранзистора HBT представлена на рис.1.24.

Рисунок 1.24 – Модель Anholtтранзистора технологии HBT

в инструментальной среде AWR MWO

В настоящее время область применения биполярных транзисторов разнообразна [57, 58] – мощные высокочастотные (ВЧ) усилители и автогенераторы в передающих устройствах, малошумящие усилители приемников, широкополосные усилители для мобильных беспроводных систем связи и т.д.



Модели полевых транзисторов

Перейдем к рассмотрению моделей полевых транзисторов, применяемых в при проектирования телекоммуникационных устройств.

В базе данных инструментальной среды проектирования AWR MWO имеются сведения о моделях следующих полевых транзисторов:

- с управляющим переходом JFET(junction field-effect transistor);

- на основе перехода металл-полупроводник (полевой транзистор с затвором на основе барьера Шотки) MESFET (metal semiconductor field-effect transistor);

- на основе перехода металл-оксид-полупроводник, МОП-транзистор MOSFET (metal-oxide semiconductor field effect transistor);

- с высокой подвижностью электронов HEMT (high electron mobility transistor);

- на гетероструктурах HFET (heterostructure field-effect transistor).

Приведем модели каждого из перечисленных выше полевых транзисторов.

JFET(junction field-effect transistor) - полевой транзистор с управляющим переходом является самым простым и дешевым прибором. Транзисторов JFET находит применение на частотах до нескольких сотен МГц. Подача смещения между затвором и стоком приводит к изменению размера области пространственного заряда перехода затвор-канал (управляющий p-n переход). При этом изменяется сечение проводящего канала для носителей заряда, соответственно, изменяется проводимость канала. На рис.1.25 приведена модель полевого транзистора технологииJFET

MESFET (metal semiconductor field-effect transistor) - полевой транзистор на основе перехода металл-полупроводник (полевой транзистор с затвором на основе барьера Шотки)

Инерционность процессов в затворе на один-два порядка меньше, чем у полевых транзисторов с p-n –переходами и МДП транзисторами (MOSFET). Кроме того, технология изготовления барьера Шотки позволяет уменьшать межэлектродные расстояния вплоть до субмикронных размеров. Это, а также получение больших скоростей пролета носителей при относительно низкой напряженности поля в арсениде галлия по сравнению с кремнием позволяет существенно повысить граничную частоту усиления.

Рисунок 1.25 – Модель полевого транзистора

технологии JFET в инструментальной среде AWR MWO

Мощные полевые транзисторы с барьером Шотки превосходят биполярные транзисторы по уровню мощности и КПДна высоких частотах.

На рис.1.26 приведена модель полевого транзистора технологии MESFET.

MOSFET (metal-oxide semiconductor field effect transistor) - полевой транзистор на основе перехода металл-оксид-полупроводник, МОП-транзистор.

МОП структура, наиболее широко используемая технология производства транзисторов. Структура состоит из металла и полупроводника, разделенных слоем оксида SiO2. В общем случае структуру называют МДП (металл - диэлектрик - полупроводник). Транзисторы на основе МОП-структур, в отличие от биполярных, называются униполярными транзисторами, так как для их работы необходимо наличие носителей заряда только одного из двух типов: n-или p.

Вся современная цифровая техника основана на транзисторах, созданных по технологии МДП. Международный термин – MOSFET. Транзисторы изготавливаются в рамках интегральной технологии на одном кремниевом кристалле (чипе) и составляют элементарный «кирпичик» для построения памяти, процессора, логики и

т. п.

Рисунок 1.26 – Модель полевого транзистора технологии MESFETв инструментальной среде AWR MWO

Размеры современных транзисторов составляют от 130 до 45 нм. На одном чипе (обычно размером 1-2 см²) размещаются сотни миллионов МОП транзисторов. В ближайшие годы ожидается увеличение степени интеграции до миллиардов транзисторов на чипе. Уменьшение размеров МОП транзисторов приводит также к повышению быстродействия процессоров (тактовой частоты). Каждую секунду сегодня в мире изготавливается полмиллиарда МОП транзисторов.

МДП-транзисторы находят также применение в области телекоммуникаций [3] при построении автогенераторов и усилителей мощности.

На рис.1.27 приведена модель полевого транзистора технологии MOSFET.

Рисунок 1.27 – Модель полевого транзистора технологии MOSFETв инструментальной среде AWR MWO

HEMT (high electron mobility transistor) - транзистор с высокой подвижностью электронов (другие названия: транзистор на селективно легированной гетероструктуре или транзистор с двумерным электронным газом) относится к типу полевых (рис.1.28). Отличие от последних заключается в том, что проводящий канал в HEMT транзисторе целенаправленно создается нелегированным (в полевом транзисторе канал n- или p-типа) для увеличения подвижности носителей заряда в канале, и, следовательно, быстродействия прибора.

HFET (heterostructure field-effect transistor) - полевой транзистор на гетероструктурах.

Из рассмотренных выше полевых транзисторов технология HFET является в настоящее время наиболее перспективной по мощности, частотному диапазону, КПД и надежности.

Рисунок 1.28 – Модель полевого транзистора технологии HEMTв инструментальной среде AWR MWO

На сайте компании Excelics Semiconuctor [62] представлены технические характеристики высокоэффективных мощных арсенид галлиевых транзисторов на гетероструктурах (High Efficiency Heterojunction Power FETs). Модель HFETтранзисторов в инструментальной среде AWR MWO имеет вид, представленной на рис.1.29.

SPICE–параметры, являющиеся составной частью математической модели транзистора в AWR MWO, определяются типом выбранного транзистора.

В инструментальной среде AWR MWO имеется библиотека SPICE-параметров для транзисторов JFET, MESFET, MOSFET, HEMT, HFET.Кроме того, в сети Internet существуют сайты производителей радиоэлектронных компонентов (Excelics Semiconuctor, NEC, Philips, Motorola и др.), содержащие SPICE-параметры полевых транзисторов. Если параметры выбранного транзистора отсутствуют в библиотеке AWR MWO, то их численные значения можно ввести, воспользовавшись специальным диалоговым окном (рис.1.30).

По существу, выбор транзистора, исходя из технических характеристик, автоматически определяет вид модели, которая наиболее адекватно описывает процессы, происходящие в нем. Каждая из данных моделей позволяет достаточно точно провести исследование динамических свойств полевого транзистора, учитывая при этом специфику его статических характеристик.

Рисунок 1.29 – Модель полевого транзистора технологии HFETв инструментальной среде AWR MWO

 

 
1.2 Методика построения динамических характеристик ГВВ

 

Методика построения динамических характеристик генератора с внешним возбуждением Режим работы транзистора определяется схемой включения. ГВВ радиопередатчиков для повышения коэффициента полезного действия (КПД) работают, как правило, с отсечкой выходного тока, т.е. в нелинейном режиме большого сигнала. Рассмотрение методики построения динамических характеристик начнем с анализа работы схемы ГВВ. Шаг 1: Составление компьютерной схемы ГВВ Воспользуемся результатами построений предыдущих разделов. В частности, исходной компьютерной моделью транзистора BFG591, представленной на рис.1.29. В окне Schematic2 по методике, рассмотренной ранее, строим компьютерную модель транзистора BFG591 и схему генератора с внешним возбуждением радиопередатчика (рис. 1.39). Построение схемы рис. 1.39 начинается с активизации просмотра элементов. Для этого щелкните на закладке Elem. Далее необходимо размещение элементов схемы в окне. - Щелкните + Lumped Element, Inductor. Схватите и перетащите в окно Schematic2 один элемент IND. Щелкните Capacitor. Схватите и перетащите в окно Schematic2 два элемента CAP.

 

Рисунок 1.39 – Компьютерная схема ГВВ

- Щелкните Resistor. Схватите и перетащите в окно Schematic2 один элемент RES. 46 - Щелкните Sourses. Схватите и перетащите в окно Schematic2 один элемент DCVS. - Щелкните Meters. Схватите и перетащите в окно Schematic2 один элемент I_METER, один элемент V_METER . Методика получения модели транзистора BFG591 в окне Schematic2 рассмотрена в предыдущих разделах. Для добавления порта щелкните + Ports, Harmonic Balance. Схватите и перетащите в окно Schematic2 элемент PORT_PS1. Найдите кнопку Add Ground и щелкните ее. Присоедините изображение земли к схеме. Для лучшего восприятия схемы пояснительный текст можно перемещать по схеме. Для этого достаточно щелкнуть на тексте и перетащить его в нужное место. Чтобы повернуть элемент на угол в 90-градусов подведите курсор к элементу схемы, нажмите правую клавишу мыши и щелкните на Rotate.

 

 

Рисунок 1.40 – Поворот элементов на схеме

Соедините элементы схемы между собой как показано на рис.1.39 и введите номиналы элементов из схемы генератора с внешним возбуждением. На рис. 1.41 показана схема включения порта и его параметры.

Рисунок 1.41 – Параметры порта

Здесь Z-сопротивление источника, Pstart- нижняя граница мощности, Pstop- верхняя граница мощности, Pstep- шаг изменения мощности. На рис. 1.42 представлена схема подачи нулевого смещения в цепь базы транзистора для обеспечения угла отсечки коллекторного тока 0 90 .

 

 

Рисунок 1.42 – Схема питания цепи базы транзистора

Здесь L1 – блокировочный дроссель, C1- разделительный конденсатор.

 

Рисунок 1.43 – Схема включения источника коллекторного питания и нагрузки

Здесь C2 - блокировочный конденсатор, R1 – сопротивление нагрузки.

 

Рисунок 1.44 – Схема включения измерителя тока коллектора

 

Рисунок 1.45 – Схема включения измерителя напряжения на коллекторе.

 

Шаг 2: Задание рабочего диапазона частот Для задания рабочего диапазона частот, сначала перейдите обратно в Проект нажимая на закладку Proj расположенную внизу основного окна. Наведите курсор мышки на Project Options, вверху окна и дважды щелкните. Появится окно Project Options. Выберите закладку Frequency Values и в появившихся окнах Modify Range установить начало ( 290 MHz ) и конец ( 310 MHz ) рабочего диапазона частот, шаг 1 MHz. Отметить точкой Replace и нажать на кнопку Apply. Размерность частот ( MHz ) предварительно устанавливается в окне Data Entry Units.

Рисунок 1.46 – Установка диапазона рабочих частот

 

Шаг 3: Построения динамических характеристик Для построения динамических характеристик необходимо проделать следующее: - выделяем график IVCurve; - в меню Project выбираем Add Measurement. Появляется меню анализа (рис. 1.47 2.32); - в окне Meas.Type выбираем Nonlinear Current; - в окне Measurement выбираем IVDLL; - в окне Data Source Name определяем схему в которой производится анализ ( в нашем случае Schematic2 ) - в окне Voltage Measure Component выбираем инструмент, измеряющий напряжение V_METER.VM1; - в окне Current Measure Component выбираем инструмент, измеряющий ток I_METER.AMP1; - в окне Frequency Swp Index устанавливаем значение 11, что соответствует частоте анализа 300 МГц;

Рисунок 1.47 – Установка параметров для измерения динамических Характеристик

 

- в окне Power Swp Index устанавливаем значение 12, что соответствует 11 dBm мощности на выходе порта; - нажимаем кнопку ОК. Построения динамических характеристик производится на статических характеристиках. Для анализа работы схемы нажмите на кнопку, которая выглядит похожей на след молнии. В результате на графике IVGurve построена динамическая характеристика исследуемого генератора с внешним возбуждением (рис. 1.48). По виду полученной характеристики можно судить о режиме и характере нагрузки.

Рисунок 1.48 – Динамические характеристики генератора с внешним возбуждением

 

 

Шаг 4: Построения временных характеристик Для наглядности с помощью включенных в цепь коллектора измерительных приборов можно построить временные зависимости тока коллектора и напряжения на коллекторе в рабочем диапазоне частот.

Рисунок 1.49 – Временная зависимость тока коллектора и напряжения на коллекторе

 

 

Рисунок 1.50 – Временная зависимость напряжения на коллекторе

 

1.3 Режимы работы ГВВ

Основные энергетические показатели генератора с внешним возбуждением - мощность и к.п.д. в значительной мере определяются формой импульса коллекторного тока и формой выходного напряжения. В обычном, моногармоническом режиме класса "В", "С" при синусоидальной форме напряжения мощность тепловых потерь на активном элементе (лампе, транзисторе) в первом приближении может быть определена площадью взаимного перекрытия мгновенных значений выходного тока и напряжения (см. рисунок 3.29).

Рисунок 3.29 - Волновые диаграммы ГВВ в моногармоническом режиме.

Мощность потерь заметно падает, а к.п.д. растет с уменьшением угла
отсечки. Однако уменьшение угла отсечки при сохранении импульсного значения тока, которое ограничено допустимым значением для конкретного активного элемента, неизбежно приведет к падению величины первой гармоники, а значит и выходной мощности.

Практически работа генератора с углами отсечки менее 60? становится не желательной, или даже невозможной вследствие низкого использования активного элемента по мощности, снижения коэффициента усиления и перегрузки входной цепи.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что для повышения эффективности генератора необходимо, чтобы при прохождении тока через активный элемент напряжение на его электродах было близким к 0. При гармонической форме напряжения это возможно лишь при достаточно "узком" импульсе тока, а значит при относительно малой мощности генератора.

Чтобы получить от генератора номинальную мощность (т.е. при "широком" импульсе тока) необходимо соответствующим образом изменить форму выходного напряжения. Эта идея была реализована в ключевых режимах, получивших условное название класс "D" и "Е".

Для режима класса "D" характерна "прямоугольная" форма (меандр) либо выходного напряжения, либо тока, либо напряжения и тока одновременно. При этом, как правило, используется угол отсечки 900 и двухтактная схема генератора.

Варианты сочетания выходных напряжений и токов в генераторах класса "D" представлены на рисунке 3.30.

Рис. 3.30 - Волновые диаграммы токов и напряжений в режимах класса "D".

В периодической литературе генератор, соответствующий варианту рисунок 3.30а, иногда именуют переключателем напряжения (ПН); варианту 3.30б - переключателем тока (ПТ); варианту рисунок 3.30в - переключателем тока и напряжения (ПТН).

На практике применение нашли варианты "а" и "в". В частности, режим аналогичный ПН реализуется в схеме последовательного резонансного инвертора (ключевой генератор с последовательным фильтрующим контуром).

 

 








Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.