[Halex07]

4.15. Биполярный транзистор и получение его характеристик. Создание графика семейства выходных характеристик на основе TRANSFER.
В качестве модели для биполярных транзисторов Протеус использует модель Гуммеля-Пуна (Рис. 98 ), которая при некотором сокращении параметров может быть приведена к более известной у нас модели Эберса-Молла.
Ниже, как и для диода, я приведу полный список параметров, который заложен в ISIS для биполярных транзисторов, в том числе, как всегда с параметрами, присущими только Протеусу.
• Initially OFF OFF (-) Как и для диода начальное состояние (изменяется кликом по знаку вопроса: вопрос – не определено, пусто – выкл., галочка – вкл.).
Параметры из раскрывающегося списка:
• Ideal forward beta BF (100) Максимальный коэффициент усиления тока в нормальном режиме в схеме с ОЭ;
• Saturation Current IS (1e-016) Ток насыщения при температуре 27°С (А);
• Forward emission coefficient NF (1) Коэффициент эмиссии (неидеальности) для нормального режима;
• Forward Early voltage VAF (∞) Напряжение Эрли в нормальном режиме (В);
• Forward beta roll-off corner current IKF (∞) Ток начала спада зависимости BF от тока коллектора в нормальном режиме (А);
• B-E leakage saturation current ISE (0) Ток насыщения утечки перехода база-эмиттер (А);
• B-E leakage emission coefficient NE (1.5) Коэффициент эмиссии тока утечки эмиттерного перехода;
• Ideal reverse beta BR (1) Максимальный коэффициент усиления тока в инверсном режиме в схеме с ОЭ;
• Reverse emission coefficient NR (1) Коэффициент эмиссии (неидеальности) для инверсного режима;
• Reverse Early voltage VAR (∞) Напряжение Эрли в инверсном режиме (В);
• Reverse beta roll-off corner current IKR (∞) Ток начала спада зависимости BR от тока эмиттера в инверсном режиме (А);
• B-C leakage saturation current ISC (0) Ток насыщения утечки перехода база-коллектор (А);
• B-C leakage emission coefficient NC (2) Коэффициент эмиссии тока утечки коллекторного перехода;
• Zero bias base resistance RB (0) Объемное сопротивление базы (максимальное) при нулевом смещении перехода база-эмиттер (Ом);
• Minimum base resistance at high currents RBM (RB) Минимальное сопротивление базы при больших токах (Ом);
• Current for base resistance=(rb+rbm)/2 IRB (∞) Ток базы, при котором сопротивление базы уменьшается на 50 % полного перепада между RB и RBM (А);
• Emitter resistance RE (0) Объемное сопротивление эмиттера (Ом);
• Collector resistance RC (0) Объемное сопротивление коллектора (Ом);
• Zero bias B-E depletion capacitance CJE (0) Емкость эмиттерного перехода при нулевом смещении (Ф);
• B-E built in potential VJE (0.75) Контактная разность потенциалов перехода база- эмиттер;
• B-E junction grading coefficient MJE (0.33) Коэффициент, учитывающий плавность эмиттерного перехода;
• Ideal forward transit time TF (0) Время переноса заряда через базу в нормальном режиме (сек);
• Coefficient for bias dependence of TF XTF (0) Коэффициент, определяющий зависимость TF от смещения база-коллектор;
• Voltage giving VBC dependence of TF VTF (∞) Напряжение, характеризующее зависимость TF от смещения база-коллектор (В);
• High current dependence of TF ITF (0) Ток, характеризующий зависимость TF от тока коллектора при больших токах (А);
• Excess phase PTF (0) Дополнительный фазовый сдвиг на граничной частоте транзистора f=1/2π*TF;
• Zero bias B-C depletion capacitance CJC (0) Емкость коллекторного перехода при нулевом смещении (Ф);
• B-C built in potential VJC (0.75) Контактная разность потенциалов перехода база- коллектор;
• B-C junction grading coefficient MJC (0.33) Коэффициент, учитывающий плавность коллекторного перехода;
• Fraction of B-C cap to internal base XCJC (1) Доля барьерной емкости, относящаяся к внутренней базе;
• Ideal reverse transit time TR (0) Время переноса заряда через базу в инверсном режиме (сек);
• Zero bias C-S capacitance CJS (0) Емкость перехода коллектор-подложка при нулевом смещении;
• Substrate junction built in potential VJS (0.75) Контактная разность потенциалов перехода коллектор-подложка (В);
• Substrate junction grading coefficient MJS (0) Коэффициент, учитывающий плавность перехода коллектор-подложка;
• Forward and reverse beta temp. exp. XTB (0) Температурный коэффициент BF и BR;
• Energy gap for IS temp. dependency EG (1.11) Ширина запрещенной зоны (эВ);
• Temp. exponent for IS XTI (3) Температурный экспоненциальный коэффициент для тока IS;
• Forward bias junction fit parameter FC (0.5) Коэффициент нелинейности барьерных емкостей прямосмещенных переходов;
• Flicker Noise Coefficient KF (0) Коэффициент, определяющий спектральную плотность фликер-шума;
• Flicker Noise Exponent AF (0) Показатель степени, определяющий зависимость спектральной плотности фликер-шума от тока через переход.
Как я и предупреждал, количество параметров в раскрывающемся списке для транзистора очень большое, и в него попали почти все параметры модели за исключением следующих:
• Initial B-E voltage ICVBE (-) Начальное (стартовое) напряжение база-эммитер;
• Initial C-E voltage ICVCE (-) Начальное (стартовое) напряжение коллектор-эммитер;
• Area factor AREA (1) Множитель для коэффициентов, используемый при моделировании мощных транзисторов;
Ну и два, уже известных нам температурных коэффициента.
• Instance temperature TEMP (27)
• Parameter measurement temperature TNOM (27)
Количество параметров впечатляет, однако на практике, при моделировании используются они далеко не все. Для примера опять рассмотрим одну модель. Я выбрал BC177 – наш аналог КТ3107А опять таки есть у О. Петракова, так что будет с чем сравнивать. Попутно с помощью TRANSFER графика поучимся строить семейства характеристик. Аналогичный пример уже есть в SAMPLES Протеуса и называется Transfer.DSN. Расположен он конечно-же в папке Graph Based Simulation. Там построено семейство характеристик для BC108. В библиотеках Протеуса есть два транзистора BC177 – один на основе примитива, а другой на основе SPICE-модели Zetex. Я собрал это все в один проект и туда же прилепил и модель КТ3107A от О. Петракова, которая выглядит так:

.model kt3107a  PNP  (Is=6.545f  Xti=3  Eg=1.11  Vaf=86.5  Bf=105.5
+   Ne=8.56 Mje=.35 Ise=7.735n Ikf=.186 Xtb=1.5 Var=32 Br=1.62 Nc=2
+   Isc=3.35p Ikr=12m Rb=39.1 Rc=.71 Cjc=12.8p Vjc=.65 Mjc=.33 Fc=.5
+   Cje=12.6p Vje=.69 Tr=30.5n Tf=477.5p Itf=56m Vtf=35 Xtf=2)

Итак, на Рис. 99 семейство характеристик, взятое из даташита от фирмы Siemens.
Для чистоты эксперимента я применил PNP транзистор, чтобы Вы могли сравнить – чем будет отличаться наш график от графика приведенного в SAMPLES для NPN. Итак, строим ту же схему, что и приведенная в Transfer.DSN (Рис. 100 ). Но, как мы все помним полярность для PNP будет другая, поэтому – разворачиваем токовый зонд в другую сторону и задаем минусовые напряжения и токи. Обратите внимание, что в свойствах генератора, включенного в цепь базы необходимо поставить галку Current Source (Источник тока).
Затем добавляем в проект график TRANSFER. В его свойствах в качестве Source1 выбираем коллекторный источник напряжения (у меня это Ucol) и задаем ему значения от 0 до -50V (как на графике из даташита), а число шагов как можно больше для того, чтобы кривые получились плавными. В качестве Source2 задаем базовый источник тока с пределами 100uA до 1mA и числом шагов 10 (тоже, чтоб было похоже на график даташита). Для пущей важности я еще ограничил вручную шкалу Y как на том графике – от 0 до 100mA. Все это представлено на Рис. 101.
Теперь втаскиваем наш коллекторный зонд на поле графика и запускаем симуляцию графика. Если Вы нигде не ошиблись, то должны получить нечто как на следующем Рис. 102.
И вот тут нас поджидает «приятная неожиданность» - Протеус не умеет разворачивть горизонтальную шкалу, т.е. отрицательные значения всегда слева, поэтому наше семейство характеристик получилось в зеркальном отображении по сравнению с «книжным». Ведь в даташите в направлении слева направо указано –Vce. Но это замечание касается только PNP транзисторов, с NPN все будет выглядеть нормально. Правда, надо отдать должное – хотя бы для 100uA базы при -10V на коллекторе точки совпадают с даташитом, а вот для больших токов базы для этой модели явное расхождение. И еще один «неприятный» факт. Если я ставлю для Ibase количество шагов 10, то получаю 11 кривых, а если 9, то и получу 9. Ну никак не получается семейство из 10 кривых.
Ну и в заключение рассмотрения биполярных транзисторов я хочу привести еще один пример исследования зависимости напряжения насыщения от тока коллектора, рассмотренный в цикле статей и книге О. Петракова и адаптированный для проведения исследования в ISIS. Для этого нам потребуется создать схему, изображенную на Рис. 103. Обратите внимание, что в качестве I3col использован генератор DC из левого меню с включенным флажком Current Source. Для изменения тока базы использован источник тока, управляемый током СССS с коэффициентом передачи 0,1 (т.е. ток базы будет в десять раз меньше тока коллектора).
Далее используем уже знакомый нам график DC SWEEP для построения характеристики с параметрами указанными на Рис. 104. Параметры подобраны для максимального совпадения с моделью О. Петракова, а в качестве «подопытных кроликов» я использовал две модели из библиотек Протеуса для транзистора BC337 и модель КТ315А из статьи О. Петракова, присоединенную к примитиву NPN транзистора аналогично предыдущему примеру.
На Рис. 105 приведен результат тестирования для транзистора КТ315А, проведенный в Протеусе вместе с картинкой из статьи О. Петракова. Как видим, результаты совпадают, что я и хотел подчеркнуть этим примером.
Но бы нечестно с моей стороны не отметить, что модель КТ315А представленная на прилагаемом к книге диске и описанная в статье отличаются некоторыми параметрами, в частности RС. Поэтому, для совпадения картинки из статьи мне пришлось его поставить таким, каким он приведен в тексте статьи и главы из книги, посвященной тестированию биполярных транзисторов.
Оба приведенные в этом параграфе примера находятся в соответствующих папках прилагаемого архива Bipolar.rar. Там же имеются файлы секций для импорта в предыдущие версии Протеуса.
Рисунки 98, 99, 100
Рисунки 101, 102, 103
Рисунки 104, 105.