Математическое обеспечение схемотехнического проектирования (стр. 2 из 2)
Малосигнальная модель диода
Рассмотренная выше модель диода используется для анализа по постоянному току или переходной характеристики (анализ амплитуды переменного сигнала в дискретные промежутки времени). Эта модель позволяет рассчитать электрические характеристики при напряжении на диоде, обусловленном постоянным напряжением питания и переменным входным сигналом (напряжением).
При анализе характеристик линейных (усилительных) ИС по переменному току (напряжению), управляемых малыми по амплитуде сигналами, используются малосигнальные модели, в которых не учитывается влияние величины входного сигнала (напряжения) на характеристики элементов эквивалентной схемы.
Эквивалентная схема малосигнальной модели диода приведена на рис..3а. Эта эквивалентная схема отличается от схемы, приведенной на рис. 1 тем, что в ней отсутствуют нелинейные элементы (генератор тока ID и элемент QD), характеристики которых зависят от величины управляющего входного сигнала (напряжения) нелинейно. Использование эквивалентной схемы диода с линейными элементами, характеристики которых не зависят от амплитуды входного сигнала, существенно упрощает анализ ИС по переменному току.
Рис 3. Малосигнальная (а) и шумовая (б) эквивалентные схемы диода
Рис. 4. Эквивалентная схема БТ
Элементы в этой схеме моделируют:
-резистор RD - омическое сопротивление областей анода и катода;
-проводимость GD - проводимость р-п-перехода диода при прямом включении;
-конденсатор CD - емкость диода.
Назначение резистора RD такое же, как и в схеме, приведенной на рис.1.
Проводимость GD сучетом выражения (2) описывается выражением
 | (10) |
Проводимость GD и емкость CD рассчитываются для некоторого фиксированного значения напряжения VD определенного в результате анализа ИС по постоянному току (при подключения к схеме только источника питания) и сохраняют свои значения в ходе анализа ИС по переменному току.
Шумовая модель диода
Анализ шумовых характеристик проводится при моделировании линейных ИС в режиме малого сигнала. Поэтому за основу эквивалентной схемы шумовой модели диода, приведенной на рис.3.б, взята его малосигнальная модель. Эквивалентная схема, приведенная на рис.3.б, содержит два генератора шумовых токов, включенных параллельно тем элементам эквивалентной схемы, шумы (noise) которых они моделируют:
-генератор INRD – моделирует тепловой шум резистора RD;
-генератор IND – моделирует дробовой и фликер - шум диода.
Тепловой шум резистора обусловлен хаотическим тепловым движением носителей заряда в областях анода и катода. Генератор INRD моделируется выражением
 | (11) |
Дробовой шум обусловлен дискретным характером переноса заряда при протекании тока и зависит от заряда электрона и тока диода.
Дробовой и тепловой шумы являются ''белыми", то есть частотно-независимыми.
Фликер-шум (шум 1/f) объясняет увеличение шумов полупроводниковых: приборов на низких частотах. Обусловлен этот шум флуктуациями (изменениями) концентрации носителей заряда и их подвижности и зависит от тока диода и частоты переменного управляющего сигнала. Генератор IND моделируется выражением
 | (12) |
где f- частота переменного сигнала;
Kf и αf – коэффициенты фликер-шума,
В выражении (12) под корнем первое слагаемое моделирует дробовой, второе - фликер-шум.
Температурная модель диода
Температура элементов ИС является одним из важнейших факторов, влияющих на работоспособность схемы и электрические характеристики ее элементов, поэтому она всегда указывается в техническом задании и ее влияние на электрические характеристики элементов моделируется.
В данной программе моделируются следующие температурные зависимости электрических параметров диода:
- начальное значение тока диода:
 | (13) |
где EG – ширина запрещенной зоны полупроводника для кремния
 |
T0 – нормальная температура (T0=300K)',
ХTI – показатель степени температурной зависимости начального тока р-п-перехода;
- контактной разности потенциалов р п-перехода
 | (14) |
- барьерной емкости р-п-перехода
 | (15) |
-коэффициентов фликер-шума
 | (16) |
 | (17) |
ЛИТЕРАТУРА
1. Новиков Ю.В. Основы цифровой схемотехники. Базовые элементы и схемы. Методы проектирования. М.: Мир, 2001. - 379 с.
2. Новиков Ю.В., Скоробогатов П.К. Основы микропроцессорной техники. Курс лекций. М.: ИНТУИТ.РУ, 2003. - 440 с.
3. Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Цифровые устройства: Учеб. пособие для ВТУЗов. СПб.: Политехника, 2006. - 885 с.
4. Преснухин Л.Н., Воробьев Н.В., Шишкевич А.А. Расчет элементов цифровых устройств. М.: Высш. шк., 2001. - 526 с.
5. Букреев И.Н., Горячев В.И., Мансуров Б.М. Микроэлектронные схемы цифровых устройств. М.: Радио и связь, 2000. - 416 с.
6. Соломатин Н.М. Логические элементы ЭВМ. М.: Высш. шк., 2000. - 160 с.