Multisim仿真软件中三极管模型参数的确定

1、2014年11月1日第37卷第21期现代电子技术Nov.2014Multisim仿真软件中三极管模型参数的确定卢敦陆（广东科学技术职业学院机械与电子学院，广东广州510640）摘要：Multisim仿真软件元件库中找不到特定型号三极管时，常常需要新建三极管模型并确定模型参数。从电流特性、输出特性等七个方面分析了三极管GP模型参数的物理意义，并且通过实例说明了通常情况下三极管模型参数的估算方法。对于模型参数的准确性通过实验的方法加以验证，表明这种估算方法具有较好的仿真度和实用性。关键词：三极管；GP模型；模型参数；估算方法中图分类号：TN11234文献标识码：A文章编号：1004373X（201

2、4）21012004DeterminationoftransistormodelparametersinMultisimsimulationsoftware(CollegeofMechanicalandElectronicEngineering,GuangdongVocationalInstituteofScienceandTechnology,Guangzhou510640,China)LUDunlutormodelneedtobeestablishedanditsparametersshouldbedetermined.ThephysicalmeaningofthetransistorGP

3、modelparametersiselaboratedinthispaperin7aspects,suchascurrentcharacteristics,outputcharacteristics,etc.Furthermore,theestimationmethodoftransistormodelparametersisillustratedbyaninstanceinnormalsituation.Theaccuracyofthemodelparameterswasverifiedintheexperiment.Theexperimentresultsindicatethatthepr

4、oposedmethodisofgoodsimulationperformanceandpracticalityKeywords：transistor；GPmodel；modelparameter；estimationmethodAbstract：IfaspecifictransistorcannotbefoundinthecomponentlibraryofMulitisimsimulationsoftware,anewtransis0引言三极管是最常用的电子器件，Multisim是最常用的电子电路仿真软件。Multisim仿真软件中有三极管元件库，但在实际工作中有些特定型号的三极管在库中是

5、没有的，这就需要用户根据相关资料（如晶体管手册或厂家提供的数据）进行创建。由于三极管仿真模型参数有42个之多，而晶体管手册或厂家提供的数据是非常有限的，这就需要充分理解模型参数的含义，并根据仿真的需要来确定相关的主要参数。（一个电子的电荷量）；K=1.38×10-23J/K（玻尔兹曼常2T为开氏温度数），（在常温下T=300K）。但考虑到式中：IS代表二极管的反向饱和电流；q=1.6×1019CI=I(eDSqV-1)I(eSV-1)（1）PN结的空间电荷区的复合效应，上面的公式修正为：n为PN结的发射系数，式中：大小为12，对于理想二I=I(eDSqV-1)（2）极管n=

6、1。1二极管仿真模型参数三极管由两个PN结构成，为了更好理解三极管的模型参数，先简要介绍二极管模型参数。RS代表二极管的二极管的仿真模型如图1所示1，CD代表体电阻，电流源代表二极管PN结的伏安特性，二极管的结电容。1.1对于理想二极管：收稿日期：20140511电流特性图1二级管的仿真模型第21期卢敦陆：Multisim仿真软件中三极管模型参数的确定般可忽略RS的影响，对于理想二极管RS=0。当ID较大RS对电路的影响表现为：时，VD=VD+ID×RS如果二极管工作电流不是很大，因RS的值较小，一2三极管模型参数Multisim仿真软件对双结型晶体管（BJT）采用Gum（3）mel

7、Poon模型，简称GP模型3，如图2所示。1.2CD代表二极管的结电容，它由PN结的势垒电容CjqCd=DISe=DqV电容特性和扩散电容Cd组成。其中：（4）rD为PN结的动态电阻；D称为PN结的渡越时式中：间，即扩散中过载少数载流子的平均寿命。-mìæVöïCJ0ç1-÷,V<FC0D0øïèCJ=í（5）mVéùïC1-FC(1+m)+FC0，VDïê0ûCëî图2三极管GP仿真模型CJ0=0；m称为PN

8、结梯度因子（对于突变结m=0.5，缓变CJ0称为PN结零偏压势垒电容，式中：对于理想二极管为PN结自建电势，结m=0.33）；它取决于PN的掺FC称为正偏势垒杂浓度，对于硅管一般为0.50.75V；D1，D2为两个二极管模拟三极管的发射结和集电结；D3,D4是为了模拟小电流时三极管电流放大倍数下降而图中，RC,RE,RBB代表三极管的三个极的体电阻；增设的。需要特别说明的是由于三极管包含两个PN结，将集电极C和发射极E倒置使用的时候也是一个三极管（由于三极管的特殊结构，C极和E极不对称，此时电流放大倍数很小，称为反向三极管），所以三极管模型参数中包含正向参数和反向参数。2.1电流特性（3个参数

9、）ICC=ISe电容公式的系数，目的是对二极管正向大电压下的势垒FC的大小为01，电容进行修正，一般取0.5。1.3IS受温度的影响可用下面公式表示：TöIS(T)=IS0æç÷eè0øXTIqE0温度特性（6）三极管电流特性可以用公式（8）表示：IS0表示常温T0=300K下的反向饱和电流；IS(T)式中：XTI表示IS温度指表示工作温度T下的反向饱和电流；EG=1.1eV。料，EG表示禁带宽度，数，对于硅二极管，XTI=3；对于硅材(qVFNF和NR三个参数，式中：包含IS，分别称为三极管传输-1，IEC=ISe)(qVR-1)（

10、8）饱和电流、正向电流发射系数和反向电流发射系数。需要特别注意的是IS不能为0，对于理想三极管而NF=NR=1。言，1.4二极管的噪声包含体电阻RS的热噪声及PN的散噪声特性2.2弹噪声和闪烁噪声，PN的散弹噪声和闪烁噪声电流的公式是：inD=包含的参数有正向电流放大倍数F和反向电流放电流放大倍数（8个参数）大倍数R，由于F和R的大小受工作电流的影响，当电流太小和太大时，F和R都会下降，如图3所示。（7）Kf为闪烁噪声系数，式中：对于硅二极管Kf的典型值为闪烁噪声指数，是10-6A，对于理想二极管Kf=0；一般情况下=1。1.5击穿特性二极管加反向电压到一定幅度，就会产生击穿现图3F值随IC电

11、流的变化象；出现反向电流的拐点，称之为反向击穿电压VB和击穿电流IBV。现代电子技术为了模拟小电流下降的情况在仿真模型中加入三极管KF=0，AF=1。2014年第37卷了三极管D3，D4。D3引入了ISE和NE，称为发射结漏电硅晶体管其典型值是KF=6×10-16A，AF=1。对于理想流和漏电系数，D4引入了ISC和NC，称为集电结漏电流NC的缺省值分别为2和1.5。和漏电系数。对于理想三极管ISE和ISC都等于0，NE，为了模拟大电流下降的情况，三极管模型参数中引入了IKF和IKR，称为F和R的大电流降落拐点电流。对于理想三极管，IKF和IKR为无穷大，实际取1030A。2.3温度

12、特性（4个参数）XTI、Eg对IS的影响见公式参数T、（6），另温度对(T)=(To)(TTo)XTB图4Early效应的影响是：（9）XTB称为的温度指数，式中：对于理想三极管XTB=0。2.92.4模型中有三个电容，分别为发射结电容、集电结电电容特性（11个参数）管PTF=0。PTF为在频率fT处的超前相位，对于理想三极其它参数（1个）3三极管模型参数的估算方法前面详细说明了三极管各个模型参数的物理意义，VJE，MJE；CJC，VJC，MJC；容和衬底电容，其参数分别为CJE，CJS，VJS，MJS；，m，FC。以及FC，对应公式（5）中的CJ0，此XCJC称为集电极电容分解系数，外还有X

13、CJC，它的目的是通过测量或相应公式的计算可以确定各个参数的值。但在通常情况下，并不需要对三极管电路做十分精确和全面的仿真，而是根据实际需要和能得到的三极管的资料确定主要参数的值。下面通过实际例子来说明通常情况下三极管主要模型参数的估算方法，以国际常用塑封晶体管9013为例。从晶体管手册上可以查到，其参数为ICB0=0.1A，=64232，fT=100MHz，PCM=625mW，ICM=500mA，下方法进行估算：ISC=0.1A。将集电极电容分为连接基极内外节点的两部分，其缺省值为1。2.5开关特性（5个参数）正向渡越时间TF和反向渡越时间TR，其中：TF=T（10）式中：fT是三极管的特征

14、频率。TF受工作电流的影响，其公式是：V2éIöæTFF=TFê1+XTFç÷eCCTFèøëTF可以用以BUCB0=40V，BUCE0=20V4。根据上述数据，úû（11）（1）根据参数ICB0=0.1A，可令集电结漏电电流（2）=64232，因此F可以取中间的某个值。通VTF和ITF分别称为渡越时间系数、式中：XTF，渡越时间电压参数和渡越时间电流参数。如不考虑TF受工作电ITF为零，VTF取无穷大。流的影响，则XTF，常情况下可以用万用表HFE档很方便的测得三极管的电流放大倍数，

15、对于图5的三极管测得=190。流，对于9013三极管而言，正常工作电流约为32.5mA正常工作状态下：(3)根据PCM，BUCB0和BUCE0估算三极管正常工作电2.6RC，RE分别表示集电极、RB表示最发射极体电阻，B电阻特性（6个参数）RBM表示最小基极电阻，IR表示基极半阻大基极电阻，RB=RBM=0，IR取无穷大。电流。对于理想三极管，（根据PCM/BUCE0估算）。再根据公式（8）可知，在三极管ICICC=ISe2.7VAF和VAR分别代表正反向Early电压，见图4。它体输出特性（2个参数）B(qVF现的是三极管基区宽度调制效应。对于理想三极管，VAF和VAR为无穷大。2.8闪烁噪

16、声系数KF和闪烁噪声指数AF，对于NPN型噪声特性（2个参数）放大倍数的大电流降落拐点电流。向渡越时间TF=1.59ns。（4）根据ICM=500mA，可令IKF=500mA，即正向VBE0.7V，令NF=1，由此可确定IS5.8×10-14A。-1)(12)（5）将fT=100MHz代入公式（10），可知三极管正第21期卢敦陆：Multisim仿真软件中三极管模型参数的确定RBM=0，IR=32.5mA=171A。B（6）对于中小功率三极管，RB一般取260，VAF的典型（7）晶体管参数中没有给出输出特性，值是50150V，VAF可以取其中的某个值，如VAF=150V。（8）其他的

17、参数采用缺省值。对于以上模型参数的准确性可以通过实验的方法加以验证56，实验电路如图5所示。为了减少外围元件的影响，电阻选用高精度金属膜电阻，电容采用高精度钽电容，环境温度为27。表1RbBECCBE图5实验电路（1）直流工作点分析（VCC分别取3V，6V，12V），数据如表1所示。实验数据和仿真数据比较（一）CCBECC实验数据仿真数据0.6300.6151.181.192.402.390.6490.6382.682.694.644.630.6680.6605.765.799.069.05UBE的值偏小，3%以内。当工作点较低时，这主要是由数据分析：实验数据和仿真数据基本一致，误差在数据分析

18、：当频率较低时(f<fT)，仿真结果较好，误差在5%以内。但当频率较高时，仿真误差增大，此时要考虑结势垒电容、耦合电容等因素的影响。于小电流复合效应造成的。IS虽然影响UBE，但对直流工作点IC的影响较小，所以对IS通常采用估算的方法。输入信号频率为1kHz，输入幅度为10mVpp），数据如表2所示。表2（2）电压放大倍数分析（VCC分别取3V，6V，12V，4结语本文在论述三极管GP仿真模型参数的物理意义后，给出了根据三极管的电器参数估算主要仿真模型参数的方法，实验表明这种确定方法具有较好的仿真度。实验数据和仿真数据比较（二）实验数据仿真数据参考文献1杨华中，罗峥，江蕙.电子电路的计算机辅助分析与设计方法2李艳红，郭松梅，刘璐玲.电工电子技术及其应用M.北京:北京理工大学出版社，2013.3熊俊俏，戴丽萍，刘海英.双极型三极管EM模型与GP模型分析和应用J.北华航天工业学院学报，2010（B07）：5254.社，2012.4张久全.电子元器件速查与计算手册M.北京:机械工业出版5张爱英.基于Multisim的三极管放大电路仿真分析J.现代电子技术，2013，36（4）：12312