[发明专利]一种硅晶体管输出特征仿真算法

说明书

本发明公开了一种硅晶体管输出特征仿真算法，涉及对BJT硅晶体管,增强型MOS硅晶体管的输出特征仿真。本发明定义了晶体管扩展低压区,扩展高压区和本征区。所述仿真算法中使用的晶体管数据完全来者数据手册，易于获得。扩展低压区,扩展高压区可以帮助电路仿真软件计算，本征区从电压算电流和从电流算电压都是显式公式形式，使用方便。可以仿真NPN,PNP,NMOS和PMOS型晶体管的输出特征。

技术领域

本发明涉及一种仿真算法，具体地说是涉及对BJT硅晶体管,增强型MOS硅晶体管的输出特征仿真。

背景技术

BJT硅晶体管包括NPN和PNP型,增强型硅MOS有NMOS和PMOS型，这四种晶体管用途极广， BJT是电流控制型, MOS晶体管是电压控制型.

BJT硅晶体管有很多模型,比如ebers-moll模型,这些模型中有些参数需要来自晶体管设计制造阶段所使用的内部数据,这些数据并不在相应元件的数据手册中给出,所以不容易得到.

有些模型公式从电压算电流有显式公式,反方向是隐式关系,无法用公式显式表达,那要通过电流算电压就需要较复杂的过程, 或者电流算电压是显式公式，反过来不能用公式显式表达，都不方便使用。

发明内容

本发明的目的是克服了现有技术中的不足,提出了一种算法，不从晶体管的物理特征出发建模,而从结果出发,完全用晶体管数据手册上的数据来建立仿真模型，易于实现。而且从电压算电流和从电流算电压都是显式公式形式，使用方便。可以用在含有晶体管的电路的仿真计算中。

本发明采用的技术方案是：

1.如图1，晶体管特征曲线按电压分为三个区，晶体管实际工作范围为本征区，电压低于晶体管实际工作范围的区域为扩展低压区, 电压高于晶体管实际工作范围的区域为扩展高压区。图1和后面讨论适用于NPN和NMOS管，对于PNP和PMOS管也类似，但集电极电压低于发射极电压，漏极电压低于源极减压，所以电压先取负号，再应用图1和后面算法，算完后电压再取负号

2.扩展低压区和扩展高压区伏安特征为两条直线，当晶体管处在电路中仿真时，电路仿真软件试算时，电流电压如果超出本征区，必然进入这两个扩展区之一，这时候通过这两条直线可以引导电路仿真算法修订试算值，使得最后结果达到本征区合理值。线性器件在电路仿真计算时收敛速度最快，所以这两个区的伏安特征为两条直线。正常情况下，最后结果不应进入这两个区域。如果最后计算结果真落入了此两个区域，说明电路设计可能有误，电路无法正常工作。

3.本征区特征曲线是晶体管真实特征曲线，BJT晶体管和MOS晶体管的输出特征曲线共同特征是电压较低时电流随电压升高而快速升高，当电压达到一定值后电流基本不随电压变化，用下面公式表示：

上式中，p是和控制端有关的函数，对于对BJT晶体管为基极电流的函数，对于MOS管是栅极电压的函数。当u_out当较大时，电流大小主要由p决定。p的单位为mA

C₁是无量纲参数

C₂单位为1/伏 , C₂与u_out相乘后是无量纲数。

u_out为输出电压,对BJT晶体管为集电极-发射极之间电压,对于MOS管,指漏极和源极间电压。对NPN或NMOS，该电压直接适用，对于对PNP或PMOS,该电压取负号。

I_out为输出电流,对BJT晶体管为集电极电流,对于MOS管,指漏极电流。对NPN或NMOS，电流正方向为电流流入集电极及漏极，对PNP或PMOS，电流正方向为流出集电极和漏极。

根据式(1),已知电流反算电压也很方便,可以用公式显式给出: