Dispozitive si circuite electronice. Modelare si simulare.

PREFATA:

Lucrarea se adreseaza studentilor din institutiile de invatamant superior tehnic, care urmeaza cursurile privind specializarile Electronica si Microelectronica precum si specialistilor din domeniul proiectarii dispozitivelor microelectronice active.

Lucrarea este foarte potrivita si pentru studentii care urmaresc cursul de Dispozitive si Circuite Electronice, datorita aplicatiilor multiple referitoare la circuite cu unul sau doua tranzistoare: conexiuni standard, etaje de amplificare, etaje de iesire.

Materialul lucrarii cuprinde atat elementele de baza ale programarii in limbaj SPICE cat si aplicatii privind simularea functionarii electrice pentru principalele tipuri de dispozitive semiconductoare active (dioda semiconductoare, tranzistorul bipolar, tranzistorul cu efect de camp metal-oxid-semiconductor si tranzistorul cu efect de camp cu grila jonctiune).

Partea introductiva a cartii se refera la o scurta prezentare a programului de simulare SPICE, etapele necesare realizarii unei analize de circuit cu programul SPICE (cu referire la elementele pasive de circuit cu doua terminale, la dispozitivele semiconductopare active precum si la modelele folosite pentru aceste dispozitive), modurile de simulare (in regim de curent continuu - DC, in regim de curent alternativ - AC, in regim tranzitoriu - TRAN) si tipurile de analiza SPICE (analiza .OP, .DC, .TF, .AC) precum si a modalitatilor de prezentare a rezultatelor simularilor.

In continuare, in capitole distincte, sunt prezentate, din punct de vedere al modelarii si simularii SPICE, principalele tipuri de dispozitive semiconductoare active. Pentru fiecare tip de dispozitiv sunt prezentati parametrii de model SPICE de nivel 1 (notati cu majuscule), corelarea lor cu parametrii care intervin in expresiile caracteristicilor curent-tensiune, precum si cu cei care descriu proprietatile fizice ale dispozitivului respectiv.

Fiecare capitol cuprinde aplicatii specifice, de tipul: circuite de polarizare, calculul parametrilor punctului static de functionare si al circuitului echivalent de semnal mic, aplicatii cu diverse circuite. Pentru cazul particular al diodei semiconductoare se prezinta modul de simulare al efectului temperaturii asupra caracteristicilor curent-tensiune.

Pentru simboluri, este folosita urmatoarea conventie: marimile care definesc punctul static de functionare sunt notate cu litere mari si indici mari (de exemplu, pentru tranzistorul MOS: ID - curentul de drena, VDS - tensiunea drena-sursa); marimile care definesc parametrii de semnal mic sunt notate cu litere mici si indici mici (de exemplu: ro - rezistenta de iesire, gm - transconductanta); marimile care definesc valorile instantanee totale (suma dintre valoarea continua si cea variabila) sunt notate cu litere mici si indici mari (de exemplu, vBE - tensiunea instantanee totala aplicata pe baza tranzistorului bipolar).

Deoarece pentru simularea circuitelor cu tranzistori MOS se foloseste modelul de nivel 1, lungimea (metalurgica) a canalului este egala cu minim 1,5 ?m, aceasta fiind lungimea maxima pentru care modelul de nivel 1 este valabil.

Modalitatea de verificare a circuitelor electronice, prin simulare, nu trebuie sa fie privita ca o activitate falsa si lipsita de interes. Sunt multi ani de cand simularea reprezinta o componenta principala a activitatii de proiectare a circuitelor integrate, activitate care a redus mult atat costurile de proiectare cat si timpul necesar. Fara inventarea programelor de simulare, nu ar fi fost posibil progresul la care asistam astazi in domeniul Microelectronicii.

Existenta unor programe de analiza si simulare, complexe, care folosesc pentru partea de analiza a circuitelor, programe de tip SPICE, elaborand automat fisierul de intrare SPICE, nu trebuie sa indeparteze pe studenti de la cunoasterea modului de operare a programului SPICE si a modului de scriere a unui fisier SPICE. Dimpotriva, prin cunostintele fundamentale privind programul SPICE, prezentate in aceasta carte, speram sa venim in ajutorul studentilor care se pregatesc pentru domeniul atractiv dar si foarte pretentios, al proiectantului de circuite integrate analogice.

Din acest punct de vedere, speram ca aceasta carte sa completeze seria de carti aparute cu acest subiect, din care, o parte, sunt prezentate in bibliografia de la sfarsitul lucrarii.

Pentru comentarii si observatii relativ la aceasta carte, cititorii sunt rugati sa foloseasca urmatoarea adresa de E-mail: disp.sem@gmail.com (Autorii).

CUPRINS:

Prefata 5

1. INTRODUCERE IN SPICE 9
1.1. Scopul simularii cu ajutorul calculatorului a circuitelor electrice 9
1.2. Scurta prezentare a programului de simulare SPICE 10
1.3. Etapele necesare realizarii unei analize de circuit cu programul SPICE 13
1.3.1. Scrierea fisierului de intrare 13
1.3.2. Elemente de circuit cu doua terminale 16
1.3.2.1. Rezistorul 16
1.3.2.2. Condensatorul 17
1.3.2.3. Bobina 17
1.3.2.4. Surse de tensiune si curent independente 18
1.3.2.5. Surse de semnal independente 18
1.3.3. Surse de tensiune si curent dependente 21
1.3.4. Dispozitive semiconductoare 23

2. SIMULAREA SPICE. MODURI DE SIMULARE. TIPURI DE ANALIZA 25
2.1. Modul de simulare in curent continuu 25
2.1.1. Analiza .OP 25
2.1.2. Analiza .DC 28
2.1.3. Analiza .TF 30
2.2. Modul de simulare in curent alternativ 32
2.3. Modul de simulare in domeniul timp (tranzitoriu) 35
2.4. Rezultatele simularii 37

3. CIRCUITE CU DIODE SEMICONDUCTOARE 38
3.1. Modelarea diodei semiconductoare 38
3.2. Circuite de curent continuu 57

4. CIRCUITE CU TRANZISTOARE BIPOLARE 65
4.1. Modelarea tranzistorului bipolar 65
4.2. Circuite de curent continuu 75
4.3. Functionarea in regim dinamic a tranzistorului bipolar 86
4.3.1. Calculul analitic 86
4.3.2. Circuitul echivalent pentru modelul de semnal mic 88
4.4. Etaje de amplificare cu un tranzistor 97
4.4.1. Conexiunea cu emitor comun 97
4.4.2. Conexiunea cu baza comuna 103
4.4.3. Conexiunea colector comun 109
4.4.4. Conexiunea cu emitor comun cu degenerare in emitor 116
4.5. Etaje de amplificare cu doua tranzistoare 119
4.5.1. Configuratiile CC-EC si CC-CC 119
4.5.2. Perechi cu cuplaj in emitoare 132
4.5.2.1. Analiza de semnal mic 133
4.5.2.2. Amplificarea de mod diferential si de mod comun 135
4.5.2.3. Rezistenta de intrare de mod diferential si de mod comun 139
4.6. Etaje de iesire 143
4.6.1. Etajul de iesire repetor pe emitor 143
4.6.2. Etajul de iesire cu emitorul comun 147
4.6.3. Etajul de iesire clasa B 150

5. CIRCUITE CU TRANZISTOARE CU EFECT DE CAMP 158
5.1. Modelarea tranzistorului cu efect de camp metal-oxid-semiconductor (TECMOS) - canal indus 158
5.2. Circuite de curent continuu 168
5.3. Functionarea in regim dinamic a tranzistorului MOS 175
5.3.1. Calculul analitic 175
5.3.2. Circuitul echivalent pentru modelul de semnal mic 176
5.4. Etaje de amplificare cu un tranzistor 177
5.4.1. Conexiunea cu sursa comuna 177
5.4.2. Oglinda de curent MOS 181
5.4.3. Amplificatorul cu sursa comuna 183
5.4.4. Conexiunea cu grila comuna 187
5.4.5. Amplificatorul cu grila comuna 187
5.4.6. Conexiunea cu drena comuna (repetorul pe sursa) 194
5.4.7. Amplificatorul cu drena comuna 202
5.4.8. Conexiunea cu sursa comuna, cu degenerare in sursa 204
5.5. Etaje de amplificare cu doua tranzistoare 207
5.5.1. Modelarea tranzistorului cu efect de camp cu grila-jonctiune (TECJ) 207
5.5.2. Perechi de TECJ cu cuplaj in surse. Analiza de semnal mic 211

ANEXE 217

Bibliografie 223