1.2 Информационные технологии анализа и оптимизации генераторов с внешним возбуждением
Широкое использование современных информационных технологий в телекоммуникациях приводит к созданию систем проектирования, предназначенных для повышения эффективности внедрения разрабатываемых высокочастотных и сверхвысокочастотных телекоммуникационных устройств [45, 47, 49, 60-62, 74, 78, 79, 82-84, 89].
Эффективность проектирования определяется степенью формализации постановки задачи, адекватностью перехода от физической модели к математическому описанию элементов техники, а также выбором и разработкой методов, алгоритмов и программ выполнения проектных процедур. Значительные результаты за рубежом достигнуты в области разработки нелинейных моделей биполярных и полевых транзисторов и создания инструментальных САПР для решения прикладных задач [52, 60].
Особенностью развития САПР в современных условиях является возможность выбора инструментальной среды проектирования и разработка на ее основе алгоритмов и программ, необходимых для решения конкретных прикладных задач, т.е. создание прикладных САПР.
В базе данных AWR Microwave Office (AWR MWO) имеются сведения о математических моделях применяемых элементов, в частности, транзисторов, их параметрах. Математическим моделям транзисторов, описываемых в общем случае системой нелинейных дифференциальных уравнений высокого порядка, соответствуют модели в виде эквивалентных схем и SPICE-параметров. Ввод SPICE-параметров позволяет переходить к решению системы дифференциальных уравнений, которые описывают динамику работы транзисторов в различных режимах.
Рассмотрим вначале модели биполярных транзисторов, применяемых в при проектирования телекоммуникационных устройств с использованием инструментальной среды AWR MWO.
1.2.1 Модели биполярных и полевых транзисторов
В базе данных элементов СВЧ инструментальной среды проектирования AWR MWO имеются сведения о моделях применяемых транзисторов, их параметрах.
Модели биполярных транзисторов
Рассмотрим модели биполярных плоскостных транзисторов BJT (Bipolar Junction Ttransistors) и гетеротранзисторов HBT (Heterojunction Bipolar Transistors), которые в настоящее время широко применяются при разработке телекоммуникационных устройств.
Простейшей моделью плоскостного транзистора технологии BJT является модель Ebers-Молл [55], представленной на рис.1.18.
Эта модель адекватно описывает динамику работы транзистора во многих случаях. Однако она не учитывает инерционные явления, которые возникают благодаря инерционности заряда в базе транзистора.
Модель Gummel-Poon [56], представленная на рис.1.19, учитывает эти важные явления, не включенные в модель Ebers-Молл.
Рисунок 1.18 – Модель Ebers-Молл транзистора технологии BJT
Рисунок 1.19 – Модель Gummel-Poon транзистора технологии BJT
Модель Gurnmel-Poon иногда называют зарядовой моделью [1, 12], потому что она описывает ток коллектора как функцию количества заряда в базе.
В инструментальной среде AWR MWO, модель Gurnmel-Poon имеет вид, представленный на рис.1.20.
Рисунок 1.20 – Модель Gummel-Poon транзистора технологии BJT в инструментальной среде AWR MWO
SPICE-параметры, являющиеся составной частью математической модели транзистора в AWR MWO, можно классифицировать следующим образом [38]:
параметры транзистора по постоянному току;
параметры паразитных сопротивлений переходов;
емкостные параметры переходов;
параметры подложки.
Параметры модели Gummel-Poon определяются типом выбранного транзистора.
В инструментальной среде AWR MWO имеется библиотека SPICE-параметров для транзисторов BJT. Кроме того, в сети Internet существуют сайты производителей радиоэлектронных компонентов (NEC, Philips, Motorola), содержащие SPICE-параметры биполярных транзисторов. Если параметры выбранного транзистора отсутствуют в библиотеке AWR MWO, то их численные значения можно ввести, воспользовавшись специальным диалоговым окном (рис.1.21).
Выбранным биполярным транзисторам BJT, исходя из требований технического задания при решении конкретных задач по диапазону рабочих частот, коэффициенту усиления, выходной мощности, собственным шумам, нелинейным искажениям, температурным режимам, помимо модели Gummel-Poon могут соответствовать другие модели, в частности, модели Mextram, VBIC (рис.1.22, 1.23).
Рисунок 1.21 – Диалоговое окно ввода SPICE-параметров
транзисторов BJT модели Gummel-Poon
По существу, выбор транзистора, исходя из технических характеристик, автоматически определяет вид модели, которая наиболее адекватно описывает процессы, происходящие в нем.
Каждая из данных моделей позволяет достаточно точно провести исследование динамических свойств биполярного транзистора, учитывая при этом специфику его статических характеристик. Модель VBIC применяется в транзисторах, параметры которых критичны к температурным режимам. При высоких требованиях к мощности выходного сигнала наиболее эффективна модель Gummel-Poon.
Рисунок 1.22 – Модель Mextram транзистора технологии BJT
в инструментальной среде AWR MWO
Рисунок 1.23 – Модель VBIC транзистора технологии BJT
в инструментальной среде AWR MWO
Перейдем к рассмотрению моделей биполярных гетеротранзисторов HBT.
Биполярный транзистор на гетеропереходах, обладает рядом преимуществ по сравнению биполярным плоскостным транзистором BJT. Комбинация широкозонного эмиттера и узкозонной базы, малая толщина базы и высокая подвижность электронов обуславливают хорошие высокочастотные характеристики. Модель биполярного гетеротранзистора HBT представлена на рис.1.24.
Рисунок 1.24 – Модель Anholt транзистора технологии HBT
в инструментальной среде AWR MWO
В настоящее время область применения биполярных транзисторов разнообразна [57, 58] – мощные высокочастотные (ВЧ) усилители и автогенераторы в передающих устройствах, малошумящие усилители приемников, широкополосные усилители для мобильных беспроводных систем связи и т.д.