Представление индукционного взаимодействия транзисторных ячеек мощных ВЧ (СВЧ) транзисторов в среде схемотехнического моделирования Ni Multisim

О.М. Булгаков, М.В. Таравков

доктор технических наук, профессор

ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ИНДУКЦИОННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТРАНЗИСТОРНЫХ ЯЧЕЕК МОЩНЫХ ВЧ (СВЧ) ТРАНЗИСТОРОВ В СРЕДЕ СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

NI MULTISIM

APPROACHES TO MODELLING OF INDUCTIVE INTERACTION OF POWERFUL VHF (UHF) TRANSISTORS UNITS BY THE MEANS

OF THE “NI MULTISIM”

Рассмотрен способ представления индукционного взаимодействия транзисторных ячеек мощного ВЧ (СВЧ) транзистора в среде схемотехнического моделирования NI Multisim. Описаны варианты задания индуктивной связи посредством различных моделей компонентов, проанализированы их достоинства и недостатки.

The representation way of inductive interaction of powerful VHF (UHF) transistor units in the electronic schematic capture and simulation program NI MULTISIM is considered. Variants of the description of inductive communication by means of various components models, their advantages and weaknesses are analyzed.

Одной из причин отказов мощных ВЧ (СВЧ) транзисторов является неравномерное распределение мощности по транзисторным ячейкам (ТЯ). Даже при однородности топологии ТЯ их размещение в корпусе транзистора характеризуется пространственной неоднородностью относительно оси симметрии ОО1 (рис.1). Центр ряда ТЯ подвержен большему, по сравнению с периферией, воздействию со стороны соседних ТЯ. Одним из механизмов воздействия ячеек друг на друга является индукционное взаимодействие рабочих токов, протекающих по монтажно-соединительным и конструкционным элементам транзистора и порождающих магнитные потоки самоиндукции и взаимоиндукции. Результатом взаимодействия является неоднородность индуктивно обусловленных параметров, основными из которых являются индуктивность общего вывода L0 и полная эквивалентная индуктивность входной цепи іь определяющих усилительные и широкополосные свойства транзистора [1].

Для анализа работы и прогнозирования отказов мощных ВЧ (СВЧ) транзисторов разработано семейство моделей, отличающихся детальностью описания (степенью приближения к реальным физическим процессам), сложностью математического аппарата и интерпретацией отдельных видов взаимодействия ТЯ [2]. Некоторые из них позволяют использовать прикладные программные средства, облегчающие ввод и представление топологических параметров и эквивалентных схем. Среди них Microwave office, SimOne, HSPICE, SPECTRE, Multisim. Однако основной проблемой их полноценного применения является сложность учета конструктивных особенностей транзистора.

Основная идея моделирования индукционного взаимодействия в среде схемотехнического моделирования NI Multisim заключается в представлении транзистора эквивалентной схемой из индуктивностей, характер соединения которых по отношению к источнику входного сигнала и нагрузке, а также степень индуктивной связи определяются типом конструкции транзистора (наличие внутри корпуса звеньев согла-

сующих цепей, количество и расположение ТЯ, наличие осевой симметрии токоведущих элементов и т.д.) и геометрическими параметрами его элементов.

Рассмотрим построение эквивалентной схемы на примере транзистора без внутренних согласующих цепей и предназначенного для работы в схеме с общим эмиттером (ОЭ), конструкция которого изображена на рис. 1.

Рис. 1. Мощный ВЧ (СВЧ) транзистор без элементов внутреннего согласования на плате усилительного каскада с ОЭ: 1 — базовый вывод; 2 — коллекторный вывод;

3 — эмиттерный вывод; 4 — проволочные проводники; 5 — балка; 6 — коллекторная металлизация; 7 — транзисторная ячейка; 8 — балластный резистор; 9 — транзисторный кристалл

Входной базовый ток протекает по контурам ABiCiCi DiEFG и ABiCiCi DiE1F1G1. Каждой ТЯ принадлежит по два контура ABiCiCi DiEFG и ABiCiCi DiE1F1G1, образованных тремя ветвями DiEFG, DiE1F1G1 и ABiCiCi Di, последняя из которых общая. Контуры замыкаются в местах присоединения конденсаторов входной согласующей цепи Сю к плате усилителя. По эмиттерному выводу Сі DiEFG (Сі DiE1F1G1) помимо базового тока протекает коллекторный ток 1к1. Каждый контур будем считать независимым и отражать на эквивалентной электрической схеме транзистора в виде отдельной катушки индуктивности. С учетом особенностей протекания тока эквивалентная электрическая схема примет вид, изображенный на рис. 2.

Рис. 2. Эквивалентная электрическая схема транзистора:

LN1, LN2 — контурные индуктивности; КЫ — активная составляющая входного

импеданса транзисторной ячейки

Индуктивность контуров и коэффициент связи между ними определяется геометрическими размерами элементов, входящих в их состав, а также взаиморасположением токоведущих элементов и контура. Для их расчета удобнее пользоваться определением геометрического индуктивного фактора (ГИФ), как параметра, объединяющего понятия индуктивности и коэффициента взаимоиндукции [3]. Для задания величины индуктивной связи в N1 Multisim коэффициент связи Кс рассчитывается в соответствии с выражением

С -v'i-.Yi-i-jVz ,

где M — коэффициент взаимоиндукции; Lni Ln2 — индуктивности контуров, принадлежащих N-й транзисторной ячейке.

Возможности NI Multisim позволяют задавать индуктивную связь между цепями несколькими способами. Каждый из них отличается адекватностью используемой SPICE модели связующего компонента (степенью приближения к реальным физическим процессам в индуктивно связанных цепях), определяемой количеством задаваемых параметров, наглядностью и удобством применения. Рассмотрим их по отдельности.

Первый способ — использование различных моделей трансформаторов с подключением выводов обмоток к связываемым цепям. К ним относятся такие модели, как NLT_VIRTU AL и TS_VIRTUAL семейства BASIC_VIRTUAL, TRANSFOR-MER_CT_RATED и TRANSFORMER_RATED семейства RATED_VIRTUAL, модели семейства TRANSFORMER, в том числе COUPLED_INDUCTORS. Из всех перечисленных моделей наиболее подходящей для моделирования индуктивно связанных цепей с точки зрения задаваемых свойств подходит модель COUPLED_INDUCTORS (рис. 3), электрическими параметрами которой являются: индуктивность первичной обмотки (primary coil inductance), индуктивность вторичной обмотки (secondary coil inductance) и коэффициент связи (coefficient of coupling).

T1

Рис. 3. Условное графическое обозначение модели COUPLED_INDUCTORS

Тип включения обмоток трансформатора (согласное или встречное) задается ориентацией его зажимов относительно направлений протекания токов и положительного обхода связываемых цепей.

Достоинством данного способа является наглядность представления индуктивно связанных цепей. Однако, ввиду того что в индукционном взаимодействии помимо входных токов участвуют выходные токи, при увеличении количества N транзисторных ячеек и связанных с ними контуров применение данного способа влечет к увеличению количества моделей, что в свою очередь существенно усложняет графическое представление и дальнейший анализ схемы.

Второй способ — применение модели INDUCTOR_COUPLING (рис. 4), не имеющей выводов для подключения к электрической цепи и являющейся, по сути, терминалом для ввода значений параметров: перечня индуктивно связанных элементов цепи (coupled inductor list) и коэффициента связи (coupling coefficient), единого для всех индуктивно связанных элементов из перечня.

Т1

Рис. 4. Условное графическое обозначение модели INDUCTO R_COUPLING

Тип включения катушек индуктивности задается аналогично, как и в предыдущем случае.

Достоинством этого способа по сравнению с предыдущим является отсутствие электрических соединений с элементами индуктивно связанных цепей.

Так как данная модель позволяет задавать только общий коэффициент связи для нескольких индуктивно связанных элементов, ее недостаток заключается в необходимости использования отдельной модели для каждой пары индуктивно связанных элементов с различными коэффициентами связи.

Третий способ — задействование блока ARBITRARY_SPICE_BLOCK семейства BASIC_VIRTUAL, являющегося компонентом без выводов и позволяющего добавлять SPICE код напрямую через текстовое окно в NETLIST. Данный блок используется либо для моделирования схем, заданных только SPICE кодом, либо для создания индивидуального компонента для конкретной схемы.

Каждой катушке индуктивности, размещаемой в рабочем поле, по умолчанию симулятор присваивает обозначение LI, L2,...,LN, а в NETLIST идентификатор, состоящий из обозначения катушки в схеме и префикса <l>. Таким образом, каждой катушке индуктивности в NETLIST соответствуют идентификаторы lLl, lL2,...,lLN.

Для задания величины индуктивной связи между двумя элементами цепи необходимо ввести в окне «Arbitrary SPICE text» вкладки «Value» SPICE код вида <X1 X2 X3 X^>.

Разработчиком N1 МиШБт предложена единственная форма записи этого кода, такая как <К1 ЬЬ1 ЬЬ2 0.5>, где К1 — обозначение наличия индуктивной связи; ЬЬ1, ЬЬ2 — обозначения связанных индуктивностей Ь1 и Ь2; 0.5 — коэффициент связи (вещественное число от 0 до 1) [4]. Однако при проведении экспериментов было выяснено, что симулятор распознает и другие форматы записи кода, представленные в таблице.

Альтернативные форматы SPICE кода

Xl X2 X3 X4

k в любом регистре lll, Lll, lLl ll2, Ll2, lL2 При 0<X4<1 форма записи <0.5> или <.5>

Наиболее подходящим форматом с точки зрения компактности и простоты ввода является вариант вида <k lll 112 .5>.

Тип включения катушек индуктивности задается аналогично, как и для первого способа.

Данный способ по сравнению с первыми двумя характеризуется компактностью описания моделей, возможностью задания в одной модели коэффициентов связи сразу для всех пар индуктивно связанных элементов, количество которых теоретически ограничивается только вычислительными мощностями симулятора.

Четвертый способ основан на нетипичном применении модели CURRENT_CONTROLLED_VOLTAGE_SOURCE управляемого током источника напряжения (рис. 5). Данная модель позволяет задавать один основной электрический параметр transresistance — активную составляющую полного взаимного сопротивления. Физический смысл этого способа основан на толковании явления взаимной индукции, заключающегося в индуцировании ЭДС в одной из индуктивно связанных цепей при изменении тока в другой. Индуцированная ЭДС может интерпретироваться как самостоятельный источник напряжения. Таким образом, произведение ыМ, являющееся множителем слагаемого fiJ MI, входящего в состав уравнений, описывающих индуктивно связанные электрические цепи [5], может выступать в качестве взаимного сопротивления (transresistance).

Достоинством данного способа является возможность задания непосредственно величины взаимоиндукции М, что в некоторых случаях сокращает объем вычислений. Ему присущи недостатки первого из описанных способов, в дополнение к необходимости применения двух моделей для задания одной индуктивной связи.

Электрическая цепь с индуктивно связанными элементами посредством вышеуказанной модели изображена на рис. 6.

Рис. 5. Условное графическое обозначение модели CURRENT CONTROLLED VOLTAGE SOURCE

Рис. 6. Электрические цепи с индуктивной связью, заданной двумя управляемыми

током источниками напряжения

В случае использования данного способа тип включения катушек индуктивности L1 и L2 (согласное или встречное) задается взаимной ориентацией зажимов управляемых током источников напряжения относительно направлений протекания токов и положительного обхода связываемых цепей.

Сравнительный анализ численных результатов моделирования индуктивной связи, задаваемой описанными способами, показал их совпадение, что свидетельствует о внутренней непротиворечивости самой среды моделирования. Незначительные отличия результатов моделирования (сотые доли процента) для четвертого способа по сравнению с остальными обусловлены точностью вычисления сопротивления индуктивной связи и стремятся к нулю по мере ее повышения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Проектирование и технология производства мощных СВЧ транзисторов / В.И. Никишин [и др.]. — М.: Радио и связь, 1989. — 144 с.

2. Булгаков О.М. Некоторые приложения декомпозиционных моделей мощных ВЧ и СВЧ транзисторов на основе изоморфно-коллективного подхода. — Воронеж: Воронежский государственный университет, 2006. — 236 с.

3. Булгаков О.М. К расчету индуктивности общего вывода мощного ВЧ (СВЧ) транзистора // Вестник Воронежского института МВД России. — 2003. — № 3(15). — С. 16—21.

4. Официальный сайт компании NATIONAL INSTRUMENTS [Электронный ресурс ]. — Режим доступа: http://digita1.ni.com.

5. Основы теории цепей: учебник для вузов / Г.В. Зевеке [и др.]. — Изд. 4-е, пе-рераб. — М.: Энергия, 1975. — 752 с.

REFERENCES

1. Proektirovanie i tehnologiya proizvodstva moschnyih SVCh tranzistorov / V.I. Ni-kishin [i dr.]. — M.: Radio i svyaz, 1989. — 144 s.

2. Bulgakov O.M. Nekotoryie prilozheniya dekompozitsionnyih modeley moschnyih VCh i SVCh tranzistorov na osnove izomorfno-kollektivnogo podhoda. — Voronezh: Vo-ronezhskiy gosudarstvennyiy universitet, 2006. — 236 s.

3. Bulgakov O.M. K raschetu induktivnosti obschego vyivoda moschnogo VCh (SVCh) tranzistora // Vestnik Voronezhskogo instituta MVD Rossii. — 2003. — N° 3(15). — S. 16—21.

4. Ofitsialnyiy sayt kompanii NATIONAL INSTRUMENTS [Elektronnyiy resurs]. — Rezhim dostupa: http://digital.ni.com.

5. Osnovyi teorii tsepey: uchebnik dlya vuzov / G.V. Zeveke [i dr.]. — Izd. 4-e, pe-rerab. — M.: Energiya, 1975. — 752 s.