Пример 4.3. Температурная зависимость стабилизируемого напряжения
В предыдущем примере нами было рассмотрено влияние температуры на вид ВАХ диода. Как можно видеть из рис. 6, с ростом температуры падает прямое напряжение диода. Чтобы увидеть, как температурная зависимость диода влияет на выходной сигнал диодной схемы, смоделируем работу схемы стабилизатора напряжения из примера 4.1 для различных температур.
Для настройки нужной температуры ее необходимо ввести в поле Operating Temperature (TEMP) (Температура рабочей точки) диалогового окна General Simulation Options (Общие параметры моделирования), вызываемого одноименной командой меню Options (Параметры).
На рис. 7 приведены результаты расчета временной диаграммы напряжения на выходе схемы (узел 3) для трех различных температур. Видно, что постоянная составляющая выходного напряжения быстро уменьшается с ростом температуры, как и предполагалось из температурной зависимости характеристик диода.
Рис.7. Временные диаграммы стабилизируемого напряжения для трех различных температур (диод KD522A)
Пример 4.4. Расчет вольт-фарадной характеристики диода
К сожалению, СМ SPICE не позволяет непосредственно вычислять и строить вольт-фарадные характеристики (ВФХ). Однако для этой цели можно использовать малосигнальный анализ, который позволяет оценить емкость как составляющую полной проводимости диода. Далее путем повторения малосигнального анализа в различных рабочих точках можно получить вольтфарадную характеристику как график емкости перехода от прикладываемого к нему постоянного напряжения Vd. Для схемы, приведенной на рис. 8, емкость была рассчитана в узком частотном диапазоне для напряжения Vd, изменяемого в диапазоне от – 2,0 до 0,5 В.
Величина емкости перехода Ceq = Cd + Cdife может быть легко получена из выходного файла с результатами малосигнального анализа (AC Analysis) в AIM-Spice.
Рис. 8. Схема, содержащая идеальный диод, и соответствующая ей малосигнальная эквивалентная схема
Рис. 9. Вольт-фарадная характеристика p–n-перехода
Для малосигнальной эквивалентной схемы, представленной на рис. 8, емкость может быть выражена через рассчитанные параметры с помощью формулы
,
(11)
где Y = gd + j2πfCeq – полная проводимость параллельного соединения Ceq и gd .
Используя это уравнение, можно построить вольт-фарадную характеристику p–n-перехода, показанную на рис. 9 (для ее расчета использованы заданные по умолчанию значения параметров: CJO = 1 пФ и TT = 12 нс).
Известно, что результирующая емкость диода включает две составляющие: барьерную емкость Cd и диффузионную емкость Cdif. Резкое увеличение емкости при прямом смещении в районе 0,4 В связано с диффузионной емкостью, которая увеличивается экспоненциально с ростом прямого напряжения. В области напряжений, меньших 0,4 В, доминирует барьерная емкость.
Пример 4.6. Моделирование переходного процесса при переключении диода
Как уже отмечалось, диоды с переходом металл–полупроводник относятся к приборам, работающим на «основных носителях», поэтому в них нет процессов накопления и рассасывания неосновных носителей, как это имеет место в диодах с p–n-переходами. Поэтому диоды Шоттки должны иметь более короткое время переключения по сравнению с обычными диодами. Для иллюстрации этого здесь рассмотрен пример моделирования переходного процесса в обоих типах диодов.
Switching diode with p-n - junction
vd 1 0 dc 0 pwl (0,1 5n,l 5.01n,0 50n,0)
vid 1 2 dc 0
dl 2 0 dmod
.model dmod d IS=0.1p RS=16 CJO=2p TT=12n
Рис. 10. Листинг с описанием процедуры моделирования процесса переключения диода
На рис. 10 приведен листинг с описанием процедуры моделирования переходного процесса для обычного диода. В исходном состоянии диод смещен в прямом направлении напряжением 1 В. В момент времени t = 5 нс, напряжение скачком переключается до величины 0 В, после чего начинается процесс выключения диода. Параметры анализа переходного процесса устанавливаются в соответствии с рис. 10.
Результаты расчета переходного процесса с помощью СМ AIM-Spice приведены на рис. 11. Из него видно, что после установки на диоде нулевого напряжения, через него в течение некоторого времени протекает отрицательный ток. Такой ток необходим для создания на последовательном сопротивлении падения напряжения, противоположного прямому напряжению на переходе, которое существует до момента рассасывания избыточного заряда неосновных носителей. Время, требуемое для удаления этого заряда, – время обратного восстановления – представляет собой важный параметр, характеризующий переключательные возможности диода. В SPICE-модели диода ему соответствует параметр TT – время пролета (transit time). В данном примере TT = 12 нс, что приводит к результирующему времени задержки порядка 5 нс.
Рис. 11. Диалоговое окно с атрибутами расчета переходного процесса диода
Для выполнения моделирования процесса переключения диода Шоттки необходимо изменить в строке листинга с описанием модели диода (рис. 10) значение параметра, соответствующее времени пролета (transit time), положив его равным нулю (TT=0). Это связано с отсутствием в этом приборе эффектов накопления и рассасывания носителей. Приведенные на рис. 12 результаты моделирования процесса переключения диода Шоттки свидетельствуют о его значительно более высоком быстродействии по сравнению с обычным диодом.
Рис. 12. Результаты моделирования процесса переключения обычного диода с p–n-переходом и диода Шоттки. На верхнем графике показана временная диаграмма входного напряжения, на нижнем – токи через диод с p–n переходом (пунктир) и диода Шоттки (сплошная линия)