a. Tổng quan về các mô hình tương đương của cấu kiện bán dẫn
Một mạch điện tử thường gồm nhiều cấu kiện tích cực và cấu kiện thụ động. Đặc tính điện áp- dòng điện của các cấu kiện tuyến tính thường được xác định bởi các quan hệ khá đơn giản, trong khi với cấu kiện phi tuyến thì đặc tính điện áp – dòng điện lại khá phức tạp.
Như vậy để phân tích và thiết kế mạch dễ dàng hơn, cấu kiện phi tuyến thường được thay thế bởi mô hình mạch tương đương có cùng đáp ứng và đặc tính với cấu kiện thực.
Mô hình mạch tương đương của các cấu kiện bán dẫn phi tuyến được ghép từ các cấu kiện thụ động tuyến tính, các nguồn dòng và nguồn áp không đổi hoặc có điều khiển trong một điều kiện làm việc nào đó của cấu kiện phi tuyến. Mô hình mạch tương đương thường được xây dựng dựa vào các phương trình, các công thức cơ bản miêu tả hoạt động cũng như đặc tính của cấu kiện.
Mô hình mạch tương đương rất hữu ích để xây dựng các phần mềm phân tích, mô phỏng mạch điện. Một mô hình nổi tiếng dùng trong phần mềm thiết kế mạch điện tử và vi mạch là mô hình SPICE
Có nhiều mô hình tương đương cho mỗi cấu kiện tích cực tùy thuộc vào ứng dụng và các điều kiện tương ứng của thiết bị, ngoài ra còn phụ thuộc cả vào yêu cầu tốc độ tính toán, độ chính xác…Các loại mô hình mạch tương đương chính, phân loại theo độ lớn tín hiệu làm việc trong cấu kiện:
+ Mô hình mạch tương đương một chiều: Dùng để tính toán cho phân cực một chiều và ứng dụng tần số rất thấp.
+ Mô hình mạch tương tương tín hiệu lớn: Dùng cho các ứng dụng dòng hoặc điện áp làm việc có biên độ lớn.
+ Mô hình mạch tương đương tín hiệu nhỏ: Dùng cho các ứng dụng dòng hoặc điện áp làm việc có biên độ nhỏ, thay đổi rất ít quanh điểm làm việc 1 chiều.
Tùy thuộc vào tần số làm việc mà còn sử dụng: Mô hình mạch tương đương tín hiệu nhỏ tần số cao, tần số thấp; Mô hình mạch tương đương tín hiệu lớn tần số cao, tần số thấp, mô hình tương đương hỗn hợp, mô hình tương đương lý tưởng …
b. Mô hình tương đương trong chế độ một chiều và xoay chiều tín hiệu lớn.
b.1 Mô hình Điốt lý tưởng
Sử dụng khi phân tích định tính hoạt động của mạch, và tính toán trong mạch khi điện áp và dòng trong mạch lớn.
+ Điốt phân cực thuận: Sơ đồ một khóa điện tử ở trạng thái đóng: Điốt làm việc ở điện áp lớn, tần số nhỏ. Điện áp phân cực thuận có thể bỏ qua vì UT = 0,6V cho điôt Si, và UT = 0,2V cho điôt Ge là quá nhỏ. Đặc tuyến Vôn- Ampe lúc này coi như trường hợp ngắn mạch.
Đặc tuyến Vôn-Ampe là đường thẳng trùng với trục I.
+ Điốt phân cực ngược: một khóa ở trạng thái hở
b.2 Mô hình nguồn độc lập + Điốt phân cực thuận:
- Sơ đồ một nguồn áp lý tưởng :
I I I
A K A K
U = UT VT≈0
0 UAK I
I I
A K A K
U = UT VT≈0
0 UAK
I I + -
A K A K UT= 0,7V
U = UT UT= 0,7V UAK
I I + -
A K A K UT= 0,7V
U = UT UT= 0,7V UAK
- Sơ đồ một nguồn điện áp thực : Trong trường hợp này điốt được coi như một nguồn điện áp thực gồm có nguồn điện áp và nội trở của nó chính là RT (điện trở trong của Điốt và nó là điện trở thuận).
M M D
D
I U I
U T
T
R = −U
Δ
= Δ
UT RT
+ Điốt phân cực ngược: Sơ đồ một nguồn dòng lý tưởng
A K
i= -IS
A K
-IS
b.3 Sơ đồ tương đương tổng quát của Điốt Ideal UT RT
c. Mô hình mạch tương đương tín hiệu nhỏ
c.1. Sơ đồ một điện trở động Ri ở chế độ tín hiệu nhỏ tần số thấp
Trong trường hợp Điốt luôn phân cực thuận, điểm làm việc một chiều M(IM, UM), đối với tín hiệu xoay chiều biên độ nhỏ đáp ứng của điôt được coi như một phần tử tuyến tính:
- Điện trở động Ri:
D M M D
i
dv
R di1
di dv
D
D =
= =>
S M
th Vth
U S
th
I + I
V e
I V
M
η η
η
=
i = R
Do ở chế độ phân cực thuận IM >> IS và UM/ηVth>>1
th M
V
i I
R =η
Ri
c.2. Sơ đồ tương đương ở chế độ tín hiệu nhỏ tần số cao
ID
IM M
UT UM UAK ID
IM M
UT UM UAK
Ở chế độ này điôt được coi như một điện trở thuận Ri mắc song song với một điện dung khuếch tán Ckt. Ckt xuất hiện trong khoảng thời gian τ là khoảng thời gian lệch pha giữa i và u. Ckt là điện dung khuếch tán của tiếp xúc P-N và được xác định:
Ri
= τ
Ckt Ri
Ckt
c.3. Sơ đồ một điện dung chuyển tiếp ở chế độ tín hiệu nhỏ (Phân cực ngược)
tx n
C
⎟⎠
⎜ ⎞
⎝⎛ +
=
T RV 1 U
C(0)
Ct.x
A K
UR=UKA
Trong đó:
+ UR điện áp ngược đặt lên điốt.
+ VT: điện áp nhiệt.
+ C(0): Điện dung của Điốt trong điều kiện cân bằng nhiệt (VR=0).
+ n: hằng số tỉ lệ (n=1/2 hoặc 1/3 tùy thuộc loại Điốt ).
d. Mô hình spice của điốt
SPICE = Simulation Program with Integrated Circuits Emphasis: được phát triển trong thập kỷ 70 tại Berkeley, hiện nay trở thành một công cụ được lựa chọn để phân tích, thiết kế, mô phỏng mạch điện tử nói chung, mạch tích hợp nói riêng
Mạch điện được biểu diễn dưới dạng các phần tử rời rạc (R,L,C, nguồn nguồn độc lập và nguồn phụ thuộc). Các cấu kiện điện tử đều được đưa về mô hình tương đương SPICE.
Trong công cụ SPICE đã sử dụng kỹ thuật số rời rạc để giải các phương trình sai phân liên tục mô tả hoạt động của mạch.
Mô hình SPICE hiện nay được sử dụng rất phổ biến trong các phần mềm thiết kế, phân tích, mô phỏng mạch điện tử nói chung mạch tích hợp nói riêng.
Hiện nay có nhiều phiên bản khác nhau của phần mềm SPICE do các hãng phát triển ví dụ: PSPICE (Trong bộ phần mềm Orcad của Cadence), HSPICE Toolbox (trong Matlab) …
SPICE có các mô hình để mô tả nguồn dòng, nguồn áp độc lập, nguồn dòng nguồn áp phụ thuộc, điện trở, tụ điện, cuộn cảm, biến thế, đường dây truyền sóng (transmission line), nam châm vĩnh cửu, BJT, MOSFET, JFET, MESFET, Điốt, khuếch đại thuật toán… Một phương tiện khác cũng được sử dụng để mô tả rõ ràng đặc tuyền V-A của các phân tử phi tuyến.
Ngoài ra SPICE có thể phân tích “.TRAN – Transient Analysis”, “.TF – Small- signal Tranfer Function”, “.DC-Large-Signal Transfer Characteristic”, “.AC-Sinusoid Steady-State Frequency Response”, “.TEMP-Temperature Specification”, “.IC- Initial Conditions”, “.STEP- Parameter Step”, “.OP-print bias point information”, “DISTO- DistortionAnalysis”, “.SENS-Sensitivity analysis…
Hầu hết các phiên bản của SPICE thường mô tả mạch từ các file đầu vào dạng text, kết quả thường trả về dạng file dữ liệu dạng text, tuy nhiên hiện nay nhiều phần mềm mô phỏng, thiết kế mạch có tính tương tác rất cao, cho phép người sử dụng nhập số liệu cũng như quan sát kết quả bằng tương tác trên màn hình đồ họa rất thuận tiện “click and drag”
Trong học phần này chủ yếu nghiên cứu mô hình SPICE cho các loại cấu kiện điện tử - đây là nội dung rất quan trọng, hữu ích cho việc sử dụng các phần mềm phân tích, thiết kế, mô phỏng mạch điện tử.
- Cú pháp chung:
.MODEL MNAME TYPE(PNAME1=PVAL1 PNAME2=PVAL2 ... ) - Mô hình Spice của Điốt
Name Parameter Units Default
IS saturation current A 1.0E-14
N emission coefficient - 1
BV reverse breakdown voltage V infinite
RS diode series resistance Ω 0
CJO zero-bias junction capacitance F 0
VJ junction potential V 1
M grading coefficient