双极型三极管em模型与gp模型分析和应用_三极管模型

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双极型三极管em模型与gp模型分析和应用三极管EM模型双极型晶体管模型很多,但用得广泛的为EM模型和GP模型,EM模型本身是一种大信号非线性直流模型,不考虑电荷存储效应和二阶效应,但通过不断改进,有EM2,EM3模型,其中EM3模型与GP模型相似。

EM1模型实际上是基于正向和反向工作的两个BJT的叠加、并分别用两个P-N结二极管来代表发射结和集电结而建立起来的,不考虑电荷存储效应,适合所有工作区域,如饱和区、反向放大区、正向放大区和截止区,常用的模型有三种:注入型模型、传输型模式和混合Π型。EM1型包含三个参数,形式简单,不考虑厄尔利效应,适合直流非线性模型,但忽略了晶体管的电荷存储效应和各端上的电阻。

如果考虑非线性电荷存储效应和串联电阻,增添了两个结的耗尽层电容,则称为EM2模型,EM2模型有15个参数,该模型主要用于集成电路分析设计,具有模拟精度高、建模简易、快速、结果易理解等优点,特别适合数字电路,但该模型没有考虑基区宽度调制以及β随电流变化的效应。

如果再考虑三极管的各种二阶效应,如基区宽度调制效应(厄尔利效应)、电流增益与电流关系、温度的影响等,则得到EM3模型。EM3模型有40个参数。EM3模型与G-P模型等价,但是,EM3模型处理基区宽度调制、渡越时间与电流关系、参数与温度关系等是分别处理的,而GP模型则是将这些因素统一处理,通过分析基区多数载流子电荷的作用,建立起器件性能与基区多数载流子电荷的联系,其优点是物理意义清楚,直接把器件的电学特性与基区多子电荷联系了起来,可有效地处理大信号问题,而且精度高,即使在高注入水平时,也与实际测量结果非常一致。G-P模型提供了双极型三极管更精确和更完整的模型。

1.1 双极型三极管的GP模型分析双极型三极管的模型,首先分析的NPN三极管的工艺。

图1 双极型三极管的工艺双极型三极管的有四种工作状态,即正向放大、反向放大、饱和和截止,三极管的工作必须有直流偏置,此时工作在大信号状态,其等效模型如图2所示。该模型不仅适合大信号工作的数字逻辑电路,也适合大信号非线性GP模型,如进行射频电路的谐波平衡仿真。

图2 双极性三极管大信号GP模型根据大信号GP模型设置静态工作点Q,在Q点计算直流电流,考虑小信号的交流信号,在静态工作点作线性化模型,得到高频小信号仿真的电路模型,如图3所示,可用于SPICE S参数仿真,但该模型的线性化,不适合高频非线性工作情形。

图3 双极型三极管交流小信号GP模型1.2 GP模型的参数根据上述的GP模型,GP模型共有40个参数,如表1所示。

表1 GP模型参数符号名称符号名称ISE发射结泄漏饱和电流VJE发射结内建电势ISC集电结泄漏饱和电流MJE发射结梯度因子BF理想正向最大电流增益VJC集电结内建电势BR理想反向最大电流增益CJS零偏C-衬底结电容IS饱和电流rc集电区电阻re发射区电阻rb零偏基区电阻VJS衬底结内建电势FC正偏压耗尽电容系数MJS衬底结梯度因子TF理想正向渡越时间CJE零偏发射结电容XTF TF随偏置变化系数CJC零偏集电结电容VTF TF随电压VBC变化电压MJC集电结http://www.daodoc.comR·VT-1iBCrec= ISCeVBCNC·VT-1—53—增刊熊俊俏等:双极型三极管EM模型与GP模型分析和应用2010年7月

3)集电极电流iC=1NqB(iF-iR)-iRBR-iBCrec(3)式中:

NqB =q1s2(1+1+4q2S)q1s代表基区宽度调制效应q1s=VBEVAR-VBCVAFq2S代表高能级注入的影响:

q2S=iFIKF+iRIKR4)基区电阻rBB′= rbm+3(rb-rbm)tan(z)-zz*tan2(z)(4)式中:

z =1+12π2iBIRB-124π2iBIRB1.4 结电容方程双极型三极管内部含2个PN结,存在结电容。

集电结的结电容为CBC,发射http://www.daodoc.comR·VT(5)CBE= CSBE+ CDBE=CJE1-VBCVJEMJE+TFFNF·VTISNqBexpVBENF·VT(6)式中,渡越时间TFF:

TFF = TF1+XTFiFiF+ITF2expVBC1.44VTF2 特高频振荡器的设计与仿真以双极型三极管NE68119为例,设计900MHz的VCO,NE68119的工作频率范围为50MHz-3GHz,NE68119的GP模型与等效电路可参考文献[8]。选用变容二极管SMV1249,设计的VCO电路如图4所示。