SPICE моделирование транзисторов и стабилитронов

АННОТАЦИЯ
В данной работе описывается исследование характеристик и разработка SPICE моделей биполярных транзисторов, в дальнейшем БТ, стабилитронов и МОП-транзистора с учетом влияния температуры для системы проектирования Mentor Graphics.
В специальной части рассмотрено:
1. Измерение характеристик различных электронных компонентов при
-60С, 25С, 85С.
2. Определение параметров Spice моделей различных электронных
компонентов.
3. Разработка Spice моделей электронных компонентов с учётом влияния температуры.
4. Включение Spice моделей электронных компонентов в систему проектирования Mentor Graphics.
В конструкторско-технологической части рассмотрено:
1. Приборы, использованные для измерения характеристик.
Экологическая часть.
B части охраны труда рассмотрено:
1. Исследование возможных вредных факторов при эксплуатации ЭВМ
и их влияние на пользователя.
Сделаны выводы по работе.
1
Оглавление
ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ТЕМЫ ДИПЛОМНОГО
ПРОЕКТИРОВАНИЯ ................................................................................ 4
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................. 5
Обзор литературы по теме дипломного проектирования ..................... 5
SPICE моделирование ............................................................................ 5
Общие сведения о стабилитронах ........................................................ 6
Общие сведения о Биполярных транзисторах. ................................... 6
Общие сведения о МОП-транзиторе. ................................................... 7
СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ ......................................................................... 9
Техническое задание ................................................................................. 9
Анализ технического задания .................................................................. 9
Разработка SPIСE моделей электронных компонентов с учетом
влияния температуры ............................................................................... 10
Моделирование стабилитрона ............................................................ 10
Моделирование МОП транзистора .................................................... 14
Моделирование биполярного транзистора ........................................ 17
Стабилитрон 2C411АOC ..................................................................... 22
Стабилитрон 2C516BOC ..................................................................... 26
Выпрямительный столб 2Ц112АМ .................................................... 28
Разработка SPICE моделей стабилитронов ....................................... 31
МОП транзистор 2П7160Б .................................................................. 36
Разработка SPICE моделей МОП транзистора.................................. 41
Транзисторная матрица 1НТ251А2 на биполярных
транзисторах ........................................................................................ 46
Разработка SPICE моделей биполярного транзистора ..................... 51
ОПИСАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО СТЕНДА ................................... 57
РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ НА ЭВМ ............................................................... 59
Система моделирования схем SYSTEM VISION ................................. 59
2
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ .................................................................. 60
Охрана труда .............................................................................................. 61
Эргономические требования к рабочему месту ................................... 61
ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ ........................................................................... 63
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ....................................................................... 65
3
ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ТЕМЫ ДИПЛОМНОГО
ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Схемотехническое (Spice) моделирование блоков автоматики, работающих в различных температурных условиях, позволяет проанализировать
работу устройства в различных режимах. Для этого необходимы соответствующие Spice модели элементов. Для многих отечественных компонентов
такие модели отсутствуют в общем доступе .
В соответствии с этим, в данной выпускной квалификационной работе
ставится задача создания моделей электронных компонентов с учетом влияния температуры в диапазоне от -60 до +85 С. Для этого необходимо исследовать электрические характеристики и определить зависимости от температуры параметров моделей элементов транзисторной матрицы (биполярных
транзисторов), стабилитронов, выпрямительного столба, включить модели в
систему проектирования .
Таким образом, тема представляется актуальной, так как полученные результаты могут быть использованы в дальнейших разработках блоков автоматики, предназначенных для работы в сложных температурных условиях .
4
ВВЕДЕНИЕ
Обзор литературы по теме дипломного проектирования
SPICE моделирование
Язык SPICE и системы на его основе используются во многих системах автоматизированного проектирования(САПР); существуют разные их
модификации. Например, в системе OrCAD используется программа PSPICE.
Заметим, что в OrCAD предусмотрен расчет логических устройств на основе
булевой алгебры. Помимо PSPICE существуют и другие программы: System
vision, HSPICE, XSPICE и др. Языки, используемые во всех программах,
имеют небольшие отличия друг от друга и дополнения по сравнению с первоначальной версией SPICE.
Язык SPICE используется для моделирования цифровых узлов с использованием электрических сигналов. Это подразумевает использование
полных SPICE-моделей. Главная сложность, возникающая при полном моделировании внутренней электрической схемы при проектировании, связана с
размером вычислительной задачи и высоким порядком уравнений, описывающих узел. Для микросхем средней степени интеграции объем вычислений
становится очень большим.
Одним из методов, позволяющих значительно сократить размер задачи,
является использование макромоделей. Однако их удается построить только
для ограниченного класса цифровых устройств - триггеров и логических элементов.
Еще одной трудностью, возникающей на пути моделирования схемотехнического цифрового узла на основе SPICE-моделей, является отсутствие
в свободном доступе принципиальных электрических схем, тем более с номиналами активных и характеристиками пассивных элементов. Большинство
фирм старается сохранить эту информацию в секрете (особенно для новых
5
разработок) В технической документации на микросхемы они иногда приводят структурную схему, которая не дает практически никакой подсказки для
составления SPICE-модели.
Поэтому в настоящее время производители микросхем практически
прекратили распространение своих SPICE-моделей.
Общие сведения о стабилитронах
Полупроводниковый стабилитрон -полупроводниковый диод, работающий при обратном смещении в режиме пробоя. До наступления пробоя через стабилитрон протекают незначительные токи, а его сопротивление очень
высоко. При наступлении пробоя, ток через стабилитрон резко возрастает, а
его дифференциальное сопротивление уменьшается до величины, составляющей для различных приборов от десятых Ом до сотен Ом[1]. Поэтому в режиме пробоя напряжение на стабилитроне поддерживается с заданной точностью в широком диапазоне токов[2].
Назначение стабилитронов-стабилизация напряжения.
Общие сведения о Биполярных транзисторах.
Биполярный транзистор – трёх электродный полупроводниковый прибор. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям
полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому
способу чередования различают npn и pnp транзисторы (n (negative) — электронный тип примесной проводимости, p (positive) — дырочный)
Что касается зависимости h21E от температуры, то следует отметить, что
во все слагаемые рекомбинационных потерь входят параметры материала
прибора, зависящие от температуры. Это коэффициент диффузии, диффузионная длина и время жизни неосновных носителей заряда. Но это все довольно слабые зависимости. Однако в выражение для рекомбинационных потерь в эмиттере, температура входит в показатель экспоненты. Именно этим
6
слагаемым рекомбинационных потерь и определяется на экспериментах достаточно сильная зависимость h21E от температуры. h21E монотонно растет с
ростом температуры во всем интервале температур. Если транзистор работает в области микро токов, то основной вклад в сумму рекомбинационных потерь будут вносить слагаемые R ЭП и RS, в которые множителем входит
концентрация собственных носителей заряда, сильно зависящая от температуры. В этом случае она будет определять температурную зависимость h21E.
В этом случае h21E также будет расти с ростом температуры, но более сильно,
чем в области средних и больших токов.
Общие сведения о МОП-транзиторе.
Наибольшее распространение получила МОП – структура, состоящая
из двух рядом расположенных областей кремния n-типа, реализованных на
подложке p-типа. На поверхности кремния наращивается слой двуокиси, а
поверх этого слоя формируется слой металла, выполняющий роль затвора.
Две упомянутые выше области n-типа, называемые истоком и стоком, служат
соединительными элементами для входа и выхода соответственно. Через окна, предусмотренные в двуокиси кремния, выполняются металлические соединения с истоком и стоком. Узкий поверхностный канал из материала nтипа соединяет сток и исток; в других случаях канал может быть индуцированным – создаваемым под действием напряжения, приложенного к затвору.
Когда на затвор транзистора с индуцированным каналом подается положительное напряжение, расположенный слой под затвором p-типа превращается
в слой n-типа, и ток, управляемый и модулируемый сигналом, поступающим
на затвор, течет от истока к стоку. МОП-транзистор потребляет очень маленькую мощность; он имеет большое входное сопротивление, отличается
низким током цепи стока и низким уровнем шумов. Поскольку затвор, оксид
и кремний образуют конденсатор, такое устройство широко используется в
системах компьютерной памяти.
7
В КМОП-схемах, МОП-структуры применяются в качестве нагрузок и
не потребляют мощности, когда главный МОП-транзистор находится в неактивном состоянии.
8
СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Техническое задание
В результате выполнения данной выпускной квалификационной работы должен быть разработан набор SPICE моделей электронных компонентов
для проектирования блоков автоматики на их основе.
Для реализации этого задания требуется:
1) Изучить устройство и состав стабилитронов 2Ц112АМ, 2С516А,
2C411Б, транзисторной матрицы 1НТ251А2 и МОП транзистора
2П7160Б;
2) Измерить электрические характеристики заданных электронных компонентов при температуре -60 С, 25С, +85˚С.
3) Разработать схемотехнические (Spice) модели элементов, учитывающие температуру.
Анализ технического задания
Описания стабилитронов 2Ц112АМ 2С516А 2C411Б, транзисторной
матрицы 1НТ251А2 и МОП транзистора 2П7160Б могут быть предоставлены предприятием изготовителем (ВНИИА).
Для измерения электрических характеристик данных элементов
можно использовать аппаратуру, имеющуюся на кафедре Электроники и
наноэлектроники: прибор Keythley 2602 2602 (управляемый компьютером
двухканальный источник-измеритель), цифровые вольтметры и тепловую
камеру (Tabai mini-subzero mc-71).
Для создания модели микросхемы можно использовать программу
Mentor Graphics SysremVision Version 5.5, которая установлена на компьютере в выше кафедре ЭиН.
Таким образом, можно сделать вывод о выполнимости технического
задания.
9
Разработка SPIСE моделей электронных компонентов с учетом влияния
температуры
Моделирование стабилитрона
В системе Spice модель диода и стабилитрона представляет собой единую модель, электрическая схема замещения которой представлена на рис. 1.
Система состоит из нелинейного источника тока I, объемного сопротивления
RS и емкости p-n перехода С.
Рис. 1. Модель диода в системе Spice
Вольт-амперные характеристики(ВАХ) диода описываются следующими соотношениями. Ток диода представляется в виде разности токов прямой
и обратной ветвей ВАХ:
Зависимость
моделирует прямую ветвь ВАХ диода при положительных значениях
напряжения на p-n переходе. Обратная ветвь ВАХ стабилитрона при отрицательных значениях напряжения на p-n переходе определяется выражением,
характеризующим явление пробоя:
10
Здесь Vt - температурный потенциал p-n перехода, его можно определить по формуле:
где: К - постоянная Больцмана; Т - температура в градусах Кельвина; q
- заряд электрона.
Список параметров стабилитрона, их обозначения, единицы измерения
и значения по умолчанию, в системе Spice, приведены в таблице 1.
Таблица 1.
Обозначение
Параметр
Единицы
Значение
измерения по умолчанию
IS
Ток насыщения
A
1.0e-14
RS
Объемное сопротивление
W
0
N
Коэффициент не идеальности
-
1
TT
Время переноса заряда
C
0
CJO
Барьерная емкость при нулевом смеще-
Ф
0
нии
VJ
Контактная разность потенциалов
В
1
M
Коэффициент плавности перехода
-
0.5
EG
Ширина запрещенной зоны
ЭВ
1.11
XTI
Температурный
-
3.0
коэффициент
тока
насыщения
11
KF
Коэффициент шума
-
0
AF
Показатель степени шума
-
1
FC
Коэффициент нелинейности барьерной
-
0.5
емкости прямо смещённого перехода
BV
Напряжение обратного пробоя
В
-
IBV
Начальный ток пробоя
A
1.0e-3
TNOM
Номинальная температура
°C
27
Методика определения параметров модели стабилитрона. Исходными
данными для определения параметров модели стабилитрона являются: топология модели (рис. 1.), уравнения, описывающие элементы топологии и перечень параметров математической модели (табл. 1.), описывающие его нормальное функционирование, характеристики. В результате должны быть
определены значения параметров математической модели стабилитрона. Как
известно, стабилитрон это элемент, работающий на обратной ветви ВАХ,
обусловленной пробоем. Нормальное функционирование стабилитрона в
справочниках описывается:напряжением стабилизации VZ при токе стабилизации IZ и дифференциальным сопротивлением стабилитрона RZ. Три этих
характеристики однозначно определяют обратную ветвь ВАХ (рис. 2.) при
заданной температуре Т.
12
Рис.2 Вах стабилитрона
Как видно из рисунка 2, дифференциальное сопротивление RZ определяет сопротивление стабилитрона в точке (VZ, IZ). Исходя из топологии модели (рис. 1) и уравнения, описывающего обратную ветвь ВАХ, можем записать:
Отсюда определяем сопротивление стабилитрона:
Напряжение обратного пробоя определим как пресечение касательной
к обратной ВАХ стабилитрона в точке (VZ, IZ) с осью напряжений:
Начальный ток пробоя в точке BV будет равен:
13
Таким образом, получены уравнения, связывающие параметры модели
стабилитрона с характеристиками, приводимыми в справочной литературе.
Здесь необходимо заметить, что в полученные уравнения для определения
параметров модели входит параметр Vt, который зависит от температуры.
Поэтому температура также является параметром модели.
Моделирование МОП транзистора
Для модели LEVEL=3 используются полуэмпирические уравнения статических характеристик МОП-транзистора. Пороговое напряжение полагается равным
Vto = VTNOM-  Vds+GAMMA Fs PHI - Vbs +Fn(PHI-Vbs)+Vt?XN,
где  = ETA(8,15*10 22 )/Cox/(Leff) 3 - коэффициент статической обратной связи,
Fs коэффициент, учитывающий влияние геометрии прибора на укорочение канала;
Fn=0,5DELTA  EPSsil/Cox/W
коэффициент, учитывающий влияние
ширины канала на пороговое напряжение;
XN=1+0,5(GAMMAFs PHI - Vbs +Fn(PHI-Vbs)/(PHI-Vbs)+
+ q10 4 NFS/Cox.
Эффективная подвижность носителей с учетом напряженности поля в
канале равна
14
 eff  U0   fact ,
где  fact  1 / (1  THETA  (Vgs - Vto)).
Напряжение насыщения определяется по формуле:
VDsat = Va  Vb 
Va2  Vb2 ,
где параметр Va =(Vgs-Vto)/(1+Fb) учитывает увеличение напряженности поля в канале.
Параметр Vb  Leff  VMAX / eff учитывает ограничение скорости носителей в канале,
Fb = Fn+0,5*GAMMA*-Fs/ PHI - Vbs .
Эффективная длина канала определяется соотношением
 L п ри Vds < VDsat;
L - L п ри Vds > VDsat,
Leff = 
где
L1, е с ли L1< 0,5  L;

L = 
XL  (1- 0,25  XL / L1), е с ли L1> 0,5  L;
 A, е с ли п рам
а е т р VMAX н е з адна ;
L1 = 
2
A + B в п ро т ив
н о м с лу
 ае ;;

A=KAPPA(Vds-VDsat).
Список параметров этой модели:
Табл. 2
15
Параметр Обозначение
level
LEVEL
vto
V t0
kp
KP
gamma
γ
phi
φ
lambda
λ
tox
Tox
Описание
Выбор номера модели
Пороговое напряжение (относительно 0)
Полная проводимость
Коэффициент влияния подложки
Потенциал поверхности
Модуляция длины канала
Толщина подзатворного окисла
Значение
в MOS3
3
1,5 (n); -1 (p)
Вычисл.
Вычисл.
Вычисл.
0,2493
4,8e-8
nsub |
dnb | nb
nss
nfs | dnf
| nf | dfs
xj
Id
wd
xl | dl |
Idel
xw | dw |
wdel
uo
Nsub
Концентрация примеси в подложке
1e16
Единица
–
V
A/ V2
V 1/2
V
V -1
<1, m;
>1, Å
cm -3
NSS
NFS
Поверхностная плотность
Быстрая поверхностная плотность
0,0
2e-12
cm -2
cm -2
Xj
LD
WD
Xl
Глубина перехода стока и истока
Боковая диффузия
Глубинная диффузия
Изменение длины маски и травления
0,0
4,9318e-8
1e-7
0.0
m
m
m
m
Xw
Изменение ширины маски и травления
0.0
m
0
vmax
VMAX
delta
δ
tpg
TPG
theta
θ
eta
η
kappa
del
κ
Подвижность электронов или дырок в канале в 1015,35 (n)
слабых эл. полях
525 (p)
Максимальная дрейфовая скорость смещения 1,4664e7
носителей
Коэффициент, учитывающий эффекты узкого 0,3105
канала
Тип материала затвора:
1
• Тип примеси такой же, как у стока-истока
(tpg=1)
• Тип примеси обратный стоку-истоку (tpg= -1)
• Алюминиевый затвор (tpg=0)
Коэффициент, учитывающий уменьшение по- 0,17 (n)
движности носителей под действием попереч- 0,4 (p)
ного поля
Коэффициент, учитывающий наклон выходных 1,279
ВАХ в пологой области
Коэффициент насыщения поля
1
Снижение длины канала на каждую сторону
0.0
cm 2
V*s
m/s
/
—
V -1
m
16
Моделирование биполярного транзистора
Параметры, требуемые для модели БТ могут быть заданы в директиве
.МОDEL. Для описания модели БТ необходимо задать следующие параметры
Обозначение
Параметр
параметра
Разме-
Значение
рность
умолчанию
по
Показатель стеᴨȇни, определяющий зависиAF
мость сᴨȇктральной плотности шума от тока
1
через ᴨȇреход
Максимальный коэффициент ᴨȇредачи тока
BF
в нормальном режиме в схеме с ОЭ (без уче-
100
та токов утечки)
BR
CJC
CJE
CJS (CCS)
EG
FC
GAMMA
IKF (IK)*
Максимальный коэффициент ᴨȇредачи тока
1
в инверсном режиме в схеме с ОЭ
Емкость коллекторного ᴨȇрехода при нулевом смещении
Емкость эмиттерного ᴨȇрехода при нулевом
смещении
Емкость коллектор-подложка при нулевом
смещении
Ширина запрещенной зоны
Ф
0
пФ
0
Ф
0
эВ
1,11
Коэффициент нелинейности барьерных ем-
0,5
костей прямосмещенных ᴨȇреходов
Коэффициент леᴦᴎрования эпитаксиальной
10-11
области
Ток начала спада зависимости BF от тока
коллектора в нормальном режиме
А
?
17
IKR*
Ток начала спада зависимости BR от тока
А
?
уменьшается на 50% полного ᴨȇрепада А
?
эмиттера в инверсном режиме
Ток базы, при котором сопротивление базы
IRB*
между RB и RBM
IS
ISC (C4)*
ISE (C2)*
ISS
ITF
KF
MJC (МС)
MJE (ME)
MJS (MS)
NC*
NE*
NF
Ток насыщения при темᴨȇратуре 27°С
Ток насыщения утечки ᴨȇрехода базаколлектор
Ток насыщения утечки ᴨȇрехода базаэмиттер
Обратный ток p-n-ᴨȇрехода подложки
Ток, характеризующий зависимость TF от
тока коллектора при больших токах
Коэффициент, определяющий сᴨȇктральную
плотность шума
Коэффициент,
учитывающий
плавность
коллекторного ᴨȇрехода
Коэффициент,
учитывающий
плавность
эмиттерного ᴨȇрехода
Коэффициент,
учитывающий
плавность
ᴨȇрехода коллектор-подложка
Коэффициент не идеальности коллекторного
ᴨȇрехода
Коэффициент не идеальности ᴨȇрехода база-эмиттер
Коэффициент не идеальности в нормальном
режиме
А
10-16
А
0
А
0
А
0
А
0
0
0,33
0,33
0
1,5
1,5
1
NK
Коэффициент, определяющий множитель Qb
0,5
NR
Коэффициент неидеальности в инверсном
1
18
режиме
NS
PTF
QCO
Коэффициент не идеальности ᴨȇрехода под-
1
ложки
Дополнительный фазовый сдвиг на гранич-
градус
0
Кл
0
ное) при нулевом смещении ᴨȇрехода база- Ом
0
ной частоте транзистора fГР=1/(2Рtf)
Множитель, определяющий заряд в эпитаксиальной области
Объемное сопротивление базы (максималь-
RB
эмиттер
RBM*
Минимальное
сопротивление
базы
при
больших токах
Ом
RB
RC
Объемное сопротивление коллектора
Ом
0
RCO
Сопротивление эпитаксиальной области
Ом
0
RE
Объемное сопротивление эмиттера
Ом
0
с
0
с
0
0
TF
TR
Время ᴨȇреноса заряда через базу в нормальном режиме
Время ᴨȇреноса заряда через базу в инверсном режиме
TRB1
Линейный темᴨратурный коэффициент RB
C-1
0
TRB2
Квадратичный темᴨȇратурный коэффициент 0 -2
C
RB
0
TRC1
Линейный темᴨȇратурный коэффициент RC 0C-1
0
TRC2
Квадратичный темᴨȇратурный коэффициент 0 -2
C
RC
0
TRE1
Линейный темᴨȇратурный коэффициент RE
C-1
0
TRE2
Квадратичный темᴨȇратурный коэффициент 0 -2
C
RE
0
TRM1
Линейный
0
темᴨȇратурный
0
коэффициент 0C-1
19
RBM
TRM2
Квадратичный темᴨȇратурный коэффициент 0 -2
C
RBM
T_ABS
Абсолютная темᴨȇратура
0C
T_MEASURED
Темᴨȇратура измерений
0C
T_REL_GLOBAL Относительная темᴨȇратура
0
0C
T_REL_LOCAL
Разность между темᴨȇратурой транзистора и 0C
VAF (VA)*
Напряжение Эрли в нормальном режиме
В
?
VAR (VB)*
Напряжение Эрли в инверсном режиме
В
?
В
0,75
В
0,75
В
0,75
В
10
В
?
VJC (PC)
VJE (PE)
VJS (PS)
VO
VTF
XCJC
XCJC2
ХТВ
XTF
ХТI (РТ)
модели-прототипа
Контактная разность потенциалов ᴨȇрехода
база-коллектор
Контактная разность потенциалов ᴨȇрехода
база-эмиттер
Контактная разность потенциалов ᴨȇрехода
коллектор-подложка
Напряжение, определяющее ᴨȇрегиб зависимости тока эпитаксиальной области
Напряжение, характеризующее зависимость
TF от смещения база-коллектор
Коэффициент расщепления емкости базаколлектор CJC
Коэффициент расщепления емкости базаколлектор CJC
Темᴨȇратурный коэффициент BF и BR
Коэффициент, определяющий зависимость
TF от смещения база-коллектор
Темᴨȇратурный коэффициент IS
1
1
0
0
3
20
Статический режим транзистора.
Режим описывается следующими соотношениями
Ib = Ibe1/BF + Ibe2 + Ibc1/BR + Ibc2;
Ic = Ibe1/Qb*Ibc1/Qb*Ibc1/BRIbc2;
Ibe1 =IS[exp(Vbe/(NF*Vt)) 1];
Ibe2 =ISE[exp(Vbe/(NE*Vt)) 1];
Ibc1 =IS[exp(Vbc/(NR*Vt)) 1];
Ibc2 =ISC[exp(Vbc/(NC*Vt) 1];
Qb =Q1[1 + (1 + 4Q2) NK ]/2;
Q1=1/(1-Vbc/VAF-Vbe/VAR), Q2=Ibe1/IKF+Ibc1/IKR;
Is =ISS [exp(Vjs/(NS*Vt)) 1].
В этих формулах приняты обозначения: Ib - ток базы; Ic - ток коллектора; Ibe1 - ток коллектора в нормальном режиме; Ibc1- ток коллектора в инверсном режиме; Ibe2, Ibc2 - составляющие тока перехода база эмиттер, вызванные
неидеальностью перехода; Is - ток подложки; Vbe, Vbc - напряжения на переходе внутренняя база эмиттер и внутренняя база коллектор; Vbs - напряжение
внутренняя база подложка; Vbn - напряжение внутренняя база подложка для
режима квазинасыщения; Vbx - напряжение база внутренний коллектор; Vce напряжение внутренний коллектор внутренний эмиттер; Vjs - напряжение
внутренний коллектор подложка для npn- транзистора, напряжение внутренняя подложка коллектор для pnp- транзистора или напряжение внутренняя
база подложка для Lpnp-транзистора.
Объемное сопротивление базы Rb характеризуется двумя составляющими. Первая составляющая RB определяет сопротивление вывода базы и
сопротивление внешней области базы, которое не зависит от тока базы Ib.
Вторая составляющая RBM характеризует сопротивление активной области
базы, находящейся прямо под эмиттером; это сопротивление зависит от тока
21
Ib. Объемное сопротивление базы Rb определяется выражениями в зависимости от значения параметра IRB.
Стабилитрон 2C411АOC
Описание стабилитрона 2C411АOC
22
Схема подключения стабилитрона в приборе keythley 2602:
Рис3.
Схема подключения стабилитрона в приборе keythley 2602
Измеренные ВАХ стабилитрона при температурах 25C, -60C, 85C
Рис 4.Прямая ветвь ВАХ
23
Рис 5. Обратная ВАХ
Рис 6.Прямая ВАХ в полулогарифмическом масштабе
24
Рис 7. Обратная ВАХ в полулогарифмическом масштабе
25
Стабилитрон 2C516BOC
Описание стабилитрона 2C516BOC
26
Схема подключения стабилитрона в приборе keythley 2602:
Рис3.
Схема подключения стабилитрона в приборе keythley 2602
Измеренные ВАХ стабилитрона 2C516BOC
при температурах 25C, -60C, 85C
Рис 8.Прямая ВАХ
27
Рис 9. прямая ВАХ в полулогарифмическом масштабе
Выпрямительный столб 2Ц112АМ
Описание выпрямительного столба 2ц112АМ
постоянное прямое напряжение столба, В
(при прямом токе Iпр = 10,0 мА)
Uпр не более 10,0 В
Постоянный обратный ток столба, мкА
(при обратном напряжении Uобр = 2,0 кВ)
Iобр не более 10,0 мкА
Время обратного восстановления столба, мкс
(при Uобр.и = 50,0 В; Iбр.отсч = 2,0 мА)
tвос.обр не более 0,30 мкс
28
Схема подключения стабилитрона в приборе keythley 2602:
Рис3.
Схема подключения стабилитрона в приборе keythley 2602
Измеренные ВАХ выпрямительного столба 2ц112АМ при температурах
25C, -60C, 85C
Рис10. Прямая ВАХ
29
Рис 11. прямая ВАХ в полулогарифмическом масштабе
30
Разработка SPICE моделей стабилитронов
Схема подключения стабилитрона в System Vision
Рис 17. Схема подключения стабилитрона
Рис.12 Сравнение измеренных (значки) и смоделированных (линии) ВАХ
прямой ветви стабилитрона 2C411АOC, при температурах 25˚C, -60˚C, 85˚C.
31
Рис. 13 Сравнение экспериментальных и смоделированных ВАХ стабилитрона 2C411АOC, прямой ветви диода в полулогарифмическом масштабе,
при температурах 25˚C, -60˚C, 85˚C
Рис. 14 Сравнение измеренных (значки) и смоделированных (линии) ВАХ
обратной ветви стабилитрона 2C411АOC, при температурах 25˚C, -60˚C,
85˚C.
32
Рис. 15 Сравнение измеренных (значки) и смоделированных (линии) ВАХ
прямой ветви диода 2C516BOC, при температурах 25˚C, -60˚C, 85˚C.
Рис. 16 Сравнение измеренных (значки) и смоделированных (линии) ВАХ
прямой ветви диода 2C516BOC, при температурах 25˚C, 55˚C, 85˚C.
33
Полученные SPICE модели
2C411АOC(25 градусов)
.model VD1 D( level = 2
+ IS = 1.8e-12
+ Rs = 0.01
+ N = 1.36
+ BV = 7.155
+ IBV = 1.e-3
+ NBV = 3.5)
.ENDS
2C516BOC(25 градусов)
.model VD1 D( level = 2
+ IS = 1.75e-12
+ Rs = 0.5
+ N = 1.358
+ BV = 7.155
+ IBV = 1.e-3
+ NBV = 3.5)
.ENDS
2ц112ам
* 2C112AM macromodel
.model VD1 D( level = 2
+ IS = 4e-11
+ Rs = 23
+ N = 2.22
+ BV = 7.155
34
+ IBV = 1.e-3
+ NBV = 3.5)
.ENDS
35
МОП транзистор 2П7160Б
Описание МОП транзистора 2П7160Б
36
Измеренные ВАХ МОП транзистора 2П7160Б
Рис.18 Семейство входных характеристик 25С
Рис.19 Семейство входных характеристик 55С
37
Рис.20 Семейство входных характеристик 85С
I,A
NMOT640N~dc~idvg~vb_x
7,0E-01
6,0E-01
85C
5,0E-01
55C
4,0E-01
3,00E-01
3,00E-01
3,00E-01
3,0E-01
25C
2,0E-01
1,0E-01
V,B
0,0E+00
2
3
4
5
6
Рис.21 Смещение характеристик с температурой
при напряжении Vзи=0,3 В
38
2P7160BN~dc~idvd~vb_x
1,0E+00
9,0E-01
3.8
8,0E-01
3.9
3.7
7,0E-01
6,0E-01
1,00E+01
5,00E+00
3,90E+00
3,80E+00
3,70E+00
3,60E+00
3,40E+00
3,00E+00
5
3.6
5,0E-01
4,0E-01
3.4
3,0E-01
2,0E-01
3
1,0E-01
0,0E+00
0
1
2
3
4
5
Рис 22.Семейство выходных характеристик при 25С
2P7160BN~dc~idvd~vb_x
10
1,0E+00
9,0E-01
3,4 B
V,B
8,0E-01
3,6 B
7,0E-01
1,00E+01
5,00E+00
3,90E+00
3,80E+00
3,70E+00
3,60E+00
3,40E+00
3,00E+00
6,0E-01
3,7 B
5,0E-01
I,A
4,0E-01
3,0E-01
V,B
2,0E-01
1,0E-01
3,9 B
I,A
0,0E+00
0
1
2
3
4
5
Рис 23.Семейство выходных характеристик при 55 С
39
3B
2P7160BN~dc~idvd~vb_x
1,0E+00
3B
9,0E-01
3.4 B
V,B
3.6 B
3.7 B
I,A
8,0E-01
7,0E-01
6,0E-01
1,00E+01
5,00E+00
3,90E+00
3,80E+00
3,70E+00
3,60E+00
3,40E+00
3,00E+00
5,0E-01
4,0E-01
3,0E-01
3,8 B
2,0E-01
5B
1,0E-01
10 B
0,0E+00
0
1,0E+00
1
2
3
4
Рис 23.Семейство выходных характеристик 85 С
5
2P7160BN~dc~idvd~vb_x
3.8 B
9,0E-01
55C
8,0E-01
7,0E-01
25C
6,0E-01
3,70E+00
3,40E+00
3,70E+00
3,40E+00
3,70E+00
3,40E+00
V,B
5,0E-01
4,0E-01
3,0E-01
I,A
10 B
2,0E-01
5B
1,0E-01
3.9 B
0,0E+00
0
1
2
3
4
5
Рис 24.Смещение характеристик с температурой при напряжении
Vси=3,4 В и 3,7 В
40
Разработка SPICE моделей МОП транзистора
Схема подключения в System Vision
Рис 25. Схема подключения МОП транзистора
Полученные SPICE модели
* Subcircuit 2P7160B
.SUBCKT KP7163 200
100
300
M1
300
300
.model
201
100
2P7160B NMOS(Level=3
+
+
2P7160B W=1000u L=1u
NFS=6e10
Vto=3.2 Tox=1e-6 theta=3.4 eta=0.0
kp=0.009)
.ENDS
85C
41
25C
Рис 26.Сравнение измеренных и смоделированных входных характеристик МОП транзистора при температуре 25C в полулогарифмическом
масштабе.
55C
85C
Рис 27.Сравнение измеренных (значки) и смоделированных (линии) выходных характеристик МОП транзистора при температуре 25C в режиме
больших токов.
42
I,A
V,B
Рис 28.Сравнение измеренных (значки) и смоделированных (линии) входных
характеристик МОП транзистора при температуре 55C в полулогарифмическом масштабе
I,A
V,B
43
Рис 27.Сравнение измеренных и смоделированных выходных характеристик МОП транзистора при температуре 55C
V,B
I,A
Рис 28.Сравнение измеренных (значки) и смоделированных (линии) входных
характеристик МОП транзистора при температуре 85C в полулогарифмическом масштабе
44
I,A
V,B
Рис 27.Сравнение измеренных (значки) и смоделированных (линии) выходных
характеристик МОП транзистора при температуре 85C
45
Транзисторная матрица 1НТ251А2 на биполярных транзисторах
Описание транзисторной матрицы 1НТ251А2
Рис.28 Таблица максимальных значений транзисторной матрицы
46
Измеренные ВАХ транзисторной матрицы 1НТ251А2
1,00E+00
-1,00E+00
-9,00E-01
-8,00E-01
-7,00E-01
-6,00E-01
-5,00E-01
-4,00E-01
-3,00E-01
V,B
-2,00E-01
1,00E-01
1,00E-02
1,00E-03
I,A
1,00E-04
I,A
1,00E-05
Ряд1
Ряд2
1,00E-06
Ряд3
1,00E-07
V,B
1,00E-08
1,00E-09
1,00E-10
1,00E-11
V,B
1,00E-12
Рис 29.fgummel биполярного транзистора №1 при температуре 25С.
3,50E-02
1e-4
3,00E-02
2,50E-02
Iк
2,00E-02
Bf
Ряд1
Ряд2
1,50E-02
Ряд3
Iб
1,00E-02
5,00E-03
0,00E+00
0,00E+00
I,A
1,00E+00
2,00E+00
3,00E+00
4,00E+00
5,00E+00
6,00E+00
Рис 30.Icvce биполярного транзистора №1 при температуре 25С.
47
5e-4
1,E+00
Ic_A
Ib_A
Bf
I,A
1,E-01
1,E-02
V,B
1,E-03
1,E-04
1,E-05
1,E-06
3e-4
1,E-07
1,E-08
1,E-09
1,E-10
1,E-11
-1,70
1,E-12
I,A
-1,50
-1,30
-1,10
-0,90
-0,70
-0,50
-0,30
Рис 31. fgummel биполярного транзистора №1 при температуре -60С
48
1,0E-01
9,0E-02
1,E-04
3,E-04
5,E-04
Bf
8,0E-02
I
7,0E-02
,A
6,0E-02
5,0E-02
V
4,0E-02
,B
3,0E-02
2,0E-02
I
1,0E-02
к
0,0E+00
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
Iб
2,50
3,00
3,50
4,00
4,50
5,00
Рис 32. Icvce биполярного транзистора №1 при температуре -60С
1e-4
1,00E+00
0,00E+00
1,00E-01
2,00E-01
3,00E-01
4,00E-01
5,00E-01
6,00E-01
7,00E-01
8,00E-01
9,00E-01
3,50E+02
1,00E+00
1,00E-01
3,00E+02
1,00E-02
2,50E+02
1,00E-03
V
1,00E-04
2,00E+02
,B
1,00E-05
V
1,00E-06
1,00E-07
5e-4
1,00E-08
Ряд1
Ряд2
Ряд3
1,50E+02
,B
I
1,00E+02
к
3e-4
5,00E+01
1,00E-09
1,00E-10
0,00E+00
Рис.33 fgummel биполярного транзистора №1 при температуре 85С
49
I,A
1,80E-02
Iб
1,60E-02
1,40E-02
1,20E-02
1,00E-02
Ряд1
Ряд2
Ряд3
B
8,00E-03
6,00E-03
I,A
4,00E-03
2,00E-03
Bf
0,00E+00
0,00E+00
5,00E-01
1,00E+00
1,50E+00
2,00E+00
2,50E+00
3,00E+00
3,50E+00
4,00E+00
4,50E+00
5,00E+00
Рис 34.Icvce биполярного транзистора №1 при температуре 85С
50
Разработка SPICE моделей биполярного транзистора
Схема подключения в System Vision
Рис 35 Схема подключения.
51
Сравнение измеренных и смоделированных характеристик биполярного транзистора при температуре 25C.
52
Сравнение измеренных и смоделированных характеристик биполярного транзистора при температуре -60C.
53
Сравнение измеренных и смоделированных характеристик биполярного транзистора при температуре 85C.
54
Полученные SPICE модели
.SUBCKT
1НТ251А2_bip cc bb ee
Qsmall
cc bb ee ee Bip
.model Bip npn (
+ IS = 0.9e-14
+ BF = 400.
+ NF= 0.96
+ VAF = 160.00
+ IKF = 150.36m
+ ISE = 8.500f
+ NE = 1.252
+ BR = 22.96
+ NR = 992.7m
+ VAR = 17.00
+ IKR = 8.000m
+ ISC = 89.65f
55
+ NC = 1.173
+ RB = 60
+ IRB = 15m
+ RBM = 0.4
+ RE = 0.1
+ RC = 1.000
+ XTB = 1.43
+ EG = 1.110
+ XTI = 2.591
+ CJE = 5.200p
+ VJE = 1.100
+ MJE = 272.0m
+ TF = 47.81p
+ XTF = 4.359
+ VTF = 3.237
+ ITF = 17.53m
+ PTF = 176.2
+ CJC = 7.544p
+ VJC = 1.359
+ MJC = 253.0m
+ XCJC = 1.000
+ TR = 5.099n
+ FC = 500.0m )
.ENDS
56
ОПИСАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО СТЕНДА
Описание измерительного стенда
Программируемый источник-измеритель KEITHLEY 2602A
Источник/Измеритель KEITHLEY SourceMeter® 2602A представляет
собой комбинацию прецизионного, малошумящего, высокостабильного источника питания постоянного тока с малошумящим, высокоимпедансным
мультиметром, имеющим высокую стабильность и высокий класс точности.
Любой источник-измеритель KEITHLEY 2600A, имеет встроенный TSP (Test
Script Processor) процессор, что позволяет существенно увеличить скорость и
пропускную способность, а наличие встроенного TSP Express Software, позволяет быстро снимать вольтамперные характеристики (ВАХ) без дополнительного программирования. Кроме того, источники-измерители KEITHLEY
SourceMeter® 2602A поддерживают программное обеспечение предыдущей
серии KEITHLEY SourceMeter® 2601/2602: LabTracer II и TestScript Builder.
Каждый канал источника/измерителя KEITHLEY SourceMeter® 2602A
может быть сконфигурирован, как:

Климатическая камера Tabai mini-subzero mc-71.
57


Является климатической камерой нового поколения ,чей производитель зарекомендовал себя на многих предприятиях России. Имеет
множество систем защиты такими как датчик защиты от перегрева ,
датчик предельной температуры в камере и многими другими. Имеет
знак качества ФГУ «РОСТЕСТ-Москва»
58
РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ НА ЭВМ
Использование Microsoft Office Excel для записи экспериментальных
данных, построения графиков, сохранения файлов в формате csv для дальнейшего использования в пакете SYSTEM VISION. Microsoft Office Excel
является удобной программой для обработки данных с последующим построением графиков.
Использование пакета SYSTEM VISION для отладки Spice моделей
элементов. О нем будет говорится в следующем пункте более подробно
Использование графического редактора Inkscape, для редактирования
изображений полученных из Microsoft Office Excel и SYSTEM VISION.
Например, выходной файл SYSTEM VISION имеет множество ненужных
фрагментов или не соответствующих требованиям, редактор позволяет изменять их чтобы они стали соответствовать требованиям.
Использование Microsoft Office Word для написания дипломной работы. Word - специализированная программа, которая имеет множество функций для создания текста и его редактирования.
Система моделирования схем SYSTEM VISION
Mentor Graphics SystemVision является виртуальной лабораторией для
проектирования и анализа электрических систем. Система аналогового, цифрового и "смешанного" моделирования.
-Поддерживает стандартные языки VHDL, VHDL-AMS, Spice, C
-Поддерживает моделирование иерархических схемных и языковых
проектов
-Поддерживает моделирование на системном уровне (укрупненные
функциональные блоки и интерфейсы)
59
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Так как вреда экологии при выполнении дипломной работы не было, то
имеет смысл описать только негативное воздействие на человека.
60
ОХРАНА ТРУДА
Эргономические требования к рабочему месту
Рабочее место персонального компьютера – это участок общего рабочего помещения, оборудованный необходимыми комплексами технических средств вычислительной техники, в том числе и мониторами, в пределах которых постоянно или временно находится пользователь персонального компьютера в процессе трудовой деятельности.
При обустройстве рабочего места пользователя следует обеспечить
соответствие конструкции всех элементов рабочего места и их взаимного
расположения эргономическим требованиям с учётом характера выполняемой деятельности, технических средств, форм организации труда и основного рабочего положения пользователя. Эти вопросы нашли отражение в
требованиях по ГОСТ Р 50923-96 [12].
К работе на компьютере(ПК) допускаются люди, которые прошли
обучение безопасным методам труда.
На пользователя оказывают негативное влияние следующие факторы:
- высокое электромагнитное излучение;
- высокое статическое электричество;
- статические физические перегрузки;
- небольшой уровень ионизации воздуха;
- сильное напряжение зрительных анализаторов.
Чтобы уменьшить вредное влияние, на организм человека, необходимо придерживаться следующих правил:
61
-Удалять пыль за компьютером.
-Стараться придерживаться определенному режиму труда и отдыха.
-Использовать ионизаторы воздуха.
-Нужно расставить мониторы так, чтоб от экрана одного, до другого
было не меньше 2-х метров, а между боковыми поверхностями не менее 1,2
метра.
-Дневной свет не должен падать в глаза, нужно чтобы он падал сбоку.
-На окнах должны быть средства регулирующие освещённость помещения.
Вывод:
-При выполнении выпускной квалификационной работы вреда экологии нанесено небыло.
-Вред человеку сведён к минимуму, но удалить его полностью не
представляется возможным.
62
ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ
В результате проведенной работы разработаны SPICE модели с использованием пакета System Vision системы Mentor Graphics для электронных
компонентов: стабилитронов, МОП транзистора и транзисторной матрицы, –
с учетом влияния температуры в диапазоне от -60 до 85˚C.
Были измерены и исследованы электрические характеристики электронных компонентов в диапазоне температур -60˚C…+85˚C.
Разработанные модели включены в систему проектирования Mentor
Graphics Sуstem Vision. Погрешность моделирования статических ВАХ составила не более 15%.
В части «Охрана труда» рассмотрены опасные и вредные факторы при
эксплуатации вычислительной техники, произведен анализ воздействия на
организм, и способы защиты от них.
Разработанные модели предполагается использовать во ФГУП ВНИИ
им. Духова при проектировании электронных блоков автоматики
Анализ показал, что в целом модели могут с высокой точностью и в
широком диапазоне напряжений, токов описывать характеристики реальных
приборов. На предоставленных в работе графиках видно, что достигнуть идеальной точности не возможно, но в целом модели ведут себя практически
идентично реальным образцам.
Стабилитроны
Как видно из графиков при изменении температуры изменяется и
напряжение стабилизации, а именно, чем выше температура, тем позже
наступит пробой в стабилитроне в обратной ветви, что может вносить неполадки в работу прибора, в котором будет установлен данных стабилитрон. В
63
связи с этим был введен температурный коэффициент напряжения стабилизации (ТКН) и он равен:
В стабилитронах ТКН принимает отрицательные значения так как он
работает на обратной ветви ВАХ. Меньшее значение коэффициента ТКН
свидетельствует о более высоком качестве стабилитрона.
МОП транзистор
Изменение тока стока с температурой определяется двумя параметрами:
контактной разностью потенциалов (КРП) p-n перехода и подвижностью основных носителей заряда. При увеличении температуры КРП уменьшается,
сопротивление канала падает и ток увеличивается. Также повышение температуры приводит к уменьшению подвижности и уменьшению тока стока. Соответственно токи утечки с увеличением температуры возрастают.
Биполярный транзистор
На работу биполярного транзистора оказывает огромное влияние температура, что видно из выше представленных графиков, это связано с тремя физическими факторами: уменьшением потенциального барьера, увеличением
тепловых токов и увеличением коэффициентов передачи токов. В результате
увеличения инжекции носителей, увеличивается выходной ток транзистора.
64
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 http://pro-spo.ru/systeml/3077--spice
2 http://radiowiki.ru/wiki/
3 “Краткие методические указания по курсу ”Основы электроники и
схемотехники.” - Новосибирский государственный технический университет. (http://www.opprib.ru/main/labor/pdf/metodika/oe/060401.pdf)
4 Волович
Г.И.
“Схемотехника
аналоговых
и
аналого-цифровых
устройств.” - М.: Додека-XXI, 2005.
5 ”Стабилитроны типов 2C411АOC, 2C516BOC, 2Ц112АМ. Технические
условия ВНИИА им. - Н. Л. Духова
6 Транзисторная матрица 1НТ251А2 Технические условия ВНИИА им. Н. Л. Духова
7 МОП транзистор 2П7160Б. Технические условия ВНИИА им. - Н. Л.
Духова
8 - Разевиг В. Д. “Система схемотехнического моделирования и проектирования печатных плат Design Center (PSpice).” — М.: СК Пресс, 1996.
9 http://mvf.klerk.ru/spr/spr89.htm
10 http://edudocs.ru/docs/42/index-26929.html
11 Лысенко А. П. Методическое пособие “Биполярные транзисторы.”,М., 2006.
12 http://www.masters.donntu.edu.ua/2001/fvti/tereschuk/diss/lib/mop.htm
13 ГОСТ Р 5.001-2002
65