Биполярный транзистор NPN с использованием усовершенствованных уравнений Эберса-Молля
Simscape/Электрические/Полупроводники и преобразователи
Блок биполярного транзистора NPN использует вариант уравнений Эберса-Молля для представления биполярного транзистора NPN. Уравнения Эберса-Молля основаны на двух экспоненциальных диодах плюс два источника тока, управляемых током. Блок биполярных транзисторов NPN обеспечивает следующие усовершенствования этой модели:
Ранний эффект напряжения
Дополнительные сопротивления основания, коллектора и эмиттера.
Дополнительные фиксированные емкости базы-эмиттера и базы-коллектора.
Коллекторными и базовыми токами являются:
eqVBC/(kTm1) −1)]
Где:
IB и IC являются базовыми и коллекторными токами, определяемыми как положительные в устройстве.
IS - ток насыщения.
VBE - напряжение базы-эмиттера, а VBC - напряжение базы-коллектора.
βF - идеальный максимальный коэффициент усиления прямого тока BF
βR - идеальный максимальный коэффициент усиления обратного тока BR
VA - переднее раннее напряжение VAF
q - элементарный заряд на электроне (1.602176e-19 кулонов).
k - постоянная Больцмана (1.3806503e-23 Дж/К).
Tm1 - температура транзистора, определяемая значением параметра Measurement temperature.
Поведение транзисторов можно задать с помощью параметров таблицы данных, которые блок использует для расчета параметров для этих уравнений, или можно задать параметры уравнений непосредственно.
Если qVBC/( kTm1) > 40 или qVBE/( kTm1) > 40, соответствующие экспоненциальные члены в уравнениях заменяются на (qVBC/( kTm1) - 39) e40 и (qVBE/( kTm1) - 39) e40 соответственно. Это помогает предотвратить численные проблемы, связанные с крутым градиентом экспоненциальной функции ex при больших значениях x. Аналогично, если qVBC/( kTm1) < -39 или qVBE/( kTm1) < -39, то соответствующие экспоненциальные члены в уравнениях заменяются на (qVBC/( kTm1) + 40) e-39 и (qVBE/( kTm1) + 40)
При необходимости можно задать фиксированные емкости на переходах база-эмиттер и база-коллектор. Кроме того, можно задать базовые сопротивления, сопротивления коллекторов и соединений эмиттеров.
Поведение по умолчанию заключается в том, что зависимость от температуры не моделируется, а устройство моделируется при температуре, для которой предоставляются параметры блока. Можно дополнительно включить моделирование зависимости статического поведения транзистора от температуры во время моделирования. Температурная зависимость емкостей перехода не моделируется, что является гораздо меньшим эффектом.
При включении температурной зависимости транзистор, определяющий уравнения, остается прежним. Измеренное значение температуры Tm1 заменяется расчетной температурой Ts. Ток насыщения, IS и прямой и обратный коэффициенты усиления (βF и βR) становятся функцией температуры в соответствии со следующими уравнениями:
Ts/Tm1))
XTB
XTB
где:
Tm1 - температура, при которой задаются параметры транзистора, определяемые значением параметра Measurement temperature.
Ts - температура моделирования.
ISTm1 - ток насыщения при температуре измерения.
IST - ток насыщения при температуре моделирования. Это значение тока насыщения, используемое в уравнениях биполярных транзисторов при моделировании температурной зависимости.
βFm1 и βRm1 являются прямыми и обратными коэффициентами усиления при температуре измерения.
βFs и βRs являются прямыми и обратными коэффициентами усиления при температуре моделирования. Это значения, используемые в уравнениях биполярных транзисторов при моделировании температурной зависимости.
ЭГ - это энергетический зазор для полупроводникового типа, измеренный в Джоулях. Значение для кремния обычно принимается равным 1,11 эВ, где 1 эВ равно 1,602е-19 Дж.
XTI - показатель температуры тока насыщения.
XTB - температурный коэффициент прямого и обратного усиления.
k - постоянная Больцмана (1.3806503e-23 Дж/К).
Соответствующие значения для XTI и EG зависят от типа транзистора и используемого полупроводникового материала. На практике значения XTI, EG и XTB нуждаются в настройке для моделирования точного поведения конкретного транзистора. Некоторые производители цитируют эти настроенные значения в сетевом списке SPICE, и можно считать соответствующие значения. В противном случае можно определить значения для XTI, EG и XTB с помощью данных таблицы данных при более высокой Tm2 температуры. Блок предоставляет для этого параметр параметризации таблицы данных.
Можно также самостоятельно настроить значения XTI, EG и XTB, чтобы сопоставить лабораторные данные для конкретного устройства. Для настройки значений можно использовать программное обеспечение Simulink ® Design Optimization™.
Блок имеет дополнительный тепловой порт, скрытый по умолчанию. Чтобы открыть тепловой порт, щелкните правой кнопкой мыши блок в модели, а затем в контекстном меню выберите Simscape > Block choices > Show thermal port. Это действие отображает тепловой порт H на значке блока и отображает параметры теплового порта.
Используйте тепловой порт для моделирования влияния генерируемого тепла и температуры устройства. Дополнительные сведения об использовании тепловых портов и о параметрах тепловых портов см. в разделе Моделирование тепловых эффектов в полупроводниках.
Блок не учитывает зависящие от температуры воздействия на емкости перехода.
Возможно, для предотвращения проблем с числовым моделированием потребуется использовать ненулевые значения омического сопротивления и емкости перехода, но моделирование может выполняться быстрее, если эти значения равны нулю.
[1] Г. Массобрио и П. Антогнетти. Моделирование полупроводниковых приборов с помощью SPICE. 2-е издание, McGraw-Hill, 1993.
[2] Х. Ахмед и П. Дж. Спредбери. Аналоговая и цифровая электроника для инженеров. 2-е издание, издательство Кембриджского университета, 1984 год.
