Методические указания к курсовой работе «разработка математических моделей электронных схем в различных режимах их работы» (стр. 16 из 18)

Полевые транзисторы с управляющим р-n-переходом (Junction FET) описываются моделью Шихмана-Ходжеса в соответствии с эквивалентной схемой, представленной на рис.П6, а для транзистора с каналом n-типа.

Рис.П6. Нелинейная (а) и линейная (б) схемы замещения полевого транзистора с управляющим р-n-переходом и каналом n-типа

Статические характеристики полевого транзистора.

Они описываются следующими зависимостями.

Ток затвора равен

I_g = I_gs + I_gd,

где

I_gs = I_n+I_г*К_g - ток утечки затвор-исток;

I_ns = IS*[exp(V_gs/(N*V_t)-1] - нормальный ток;

I_rg = ISR*[exp(V_gs/(NR*V_t) -1] - ток рекомбинации;

K_gs= [(1-V_gs/PB)*2+0,005]^M/2 - фактор генерации;

I_gd = I_nd+I_rd*K_gd+I_j, - ток утечки затвор-сток;

l_nd= IS*[exp(V_gd/(N*V_t) -1] - нормальный ток;

I_rd = ISR*[exp(V_gd/(NR*V_t) -1] - ток рекомбинации;

K_gd= [(1-V_gd/PB)*2+0,005]^M/2 - фактор генерации;

I_j - ток ионизации, равный

ìIdrain*ALFA*V_diff*exp(-VK/V_diff) при 0<V_gs <V_ds (режим насыщения);

I_j = í

î 0 в других диапазонах;

ì0 при V_gs -VTO £ 0;

ïBETA*(1+LAMBDA*V_ds)*(V_gs-VTO)² при 0<V_gs -VTO£V_ds;

I_drain= í (режим насыщения)

ïBETA*(1+LAMBDA*V_ds)*V_ds*[2*(V_gs-VTO) *V_ds] при V_ds<V_gs -VTO;

î (линейный режим);

V_diff=V_ds-(V_gs-VTO};

V_gs - напряжение затвор-исток,

V_gd - напряжение затвор-сток.

Заметим, что полевой транзистор обедненного типа характеризуется отрицательными значениями VTO<0 (для каналов р- и n-типа), а транзистор обогащенного типа - положительными VTO ³0.

Токи стока и истока равны соответственно

I_d⁼ I_drain - I_gd,

I_s⁼ - I_drain -I_gs

В нормальном режиме (V_ds³0) ток I_drain рассчитывается по формулам:

где

V_ds - напряжение сток-исток,

V_gd - напряжение затвор-сток, область V_gs-VTO<0 соответствует режиму отсечки. В инверсном режиме (V_ds<0)

ì0 при V_gd -VTO £ 0;

ï-BETA*(1+LAMBDA*V_ds)*(V_gd-VTO)² при 0<V_gd -VTO£-V_ds;

I_drain= í (режим насыщения)

ïBETA*(1+LAMBDA*V_ds)*V_dd*[2*(V_gd-VTO) *V_ds] при -V_ds<V_gs -VTO;

î (линейный режим);

Емкости затвор-исток и затвор-сток.

Описываются выражениями

ìCGS*(1-V_gs/PB)^-M при V_gs£ FC*PB;

С_gs= í

î CGS*(1-FC)^-(1+M)*[1-FC*(1+M)+M*V_gs/PB] при V_gs> FC*PB;

ìCGD*(1-V_gd/PB)^-M при V_gd£ FC*PB;

С_gd= í

î CGD*(1-FC)^-(1+M)*[1-FC*(1+M)+M*V_gd/PB] при V_gd> FC*PB;

Линейная схема замещения полевого транзистора.

Схема приведена на рис. П6.б, где дополнительно включены источники флюктуационных токов. Тепловые шумы, создаваемые резисторами RS и RD, имеют спектральные плотности

S_RS= 4*k*T/RS, S_RD= 4*k*T/RD.

Источник тока I_шd, характеризующий дробовой и фликкер-шум, имеет спектральную плотность

S_d=8*k*T*G_m/3+KF-I_d^AF/f,

где

G_m=dI_drain/dV_gs - дифференциальная проводимость в рабочей точке по постоянному току.

Температурные эффекты характеризуются следующими зависимостями:

VTO(T) = VTO+VTOTC*(T- Tnom);

ВЕТА(T) =BETA*1,01^{BETATCE(T-Tnom)};

IS(T) =IS*exp[EG(Tnom)/(N*V_t)*(Т/Tnom -1)]*(Т/Tnom );

ISR(T) =ISR*exp[EG(Tnom)/(NR*V_t)*(T/Tnom-1)]*(T/Tnom)^XTI/NP;

PB(T) = PB*T/Tnom-3*V_t*ln(T/Tnom)-EG(Tnom)*T/Tnom+EG(T);

CGS(T) = CGS*{1+M*[0,0004(T-Tnom)+1-РВ(Т)/РВ]};

CGD(T) = CGD*{1+M*[0,0004(T-Tnom)+1-РВ(Т)/РВ]};

KF(T) = KF*PB(T)/PB,

AF(T) = AF*PB(T)/PB.

EG(T)=E*Go-a*T²/(b+T)

Скалярный коэффициент Area

Позволяет учесть параллельное соединение однотипных транзисторов, для чего в приведенной выше модели изменяются следующие параметры:

IS=IS*Area, ВЕТА=ВЕTА*Area, RD=RD/Area, RS=RS/Area, CGS=CGS*Area, CGD=CGD*Area.

Значение Area указывается в задании на моделирование при включении транзистора в схему, по умолчанию Агеа=1.

В качестве примера приведем описание параметров модели транзистора КП303Е

.model KP303E NJF (VTO=-4.12 BETA=782.5u LAMBDA=9.13m RS=21

+RD=21 CGS=4.2pF CGD=3.8pF FC=0.5 PB=1 IS=10f)

Параметры модели полевого транзистора приведены в табл. 3.

Таблица 3

Имя параметра	Параметр	Значение по умолчанию	Единица измерения
VTO	Пороговое напряжение	-2	В
BETA	Коэффициент пропорциональности	10-4	А/В
LAMBDA	Параметр модуляции длины канала	0	1/В
IS	Ток насыщения р-n-перехода затвор-канал	10-14	А
N	Коэффициент неидеальности р-n-перехода затвор-канал	1
ISR	Параметр тока рекомбинации р-п- перехода затвор-канал	0	А
NR	Коэффициент эмиссии для тока ISR	2	В
ALPHA	Коэффициент ионизации	0	В
VK	Напряжение ионизации для перехода затвор-канал	0	В
RD	Объемное сопротивление области стока	0	Ом
RS	Объемное сопротивление области истока	0	Ом
CGO	Емкость перехода затвор-сток при нулевом смещении	0	Ф
CGS	Емкость перехода затвор-исток при нулевом смещении	0	Ф
M	Коэффициент лавинного умножения обедненного р-п-перехода за твор-канал	0,5
FC	Коэффициент нелинейности емкостей переходов при прямом смещении	0,5
PB	Контактная разность потенциалов р-п-перехода затвора	1	В
VTOTC	Температурный коэффициент VTO	0	В/°С
BETATCE	Температурный коэффициент BETA	0
ХTI	Температурный коэффициент тока IS	3
KF	Коэффициент, определяющий спектральную плотность фпиккер-шума	0
AF	Показатель степени, определяющий зависимость спектральной плотности фликкер-шума от тока через переход	1
T_MEASURD	Температура измерения	°С
T_ABS	Абсолютная температура	°С
Т_ REL_GLOBAL	Относительная температура	°С
T_REL_LOCAL	Разность между температурой транзистора и модели-прототипа	°С

Арсенид-галлиевыи полевой транзистор