Verfügbarkeit: Entwurf und Simulation von Halbleiterschaltungen mit SPICE

Entwurf und Simulation von Halbleiterschaltungen mit SPICE: SPICE, Transistormodelle, Vierpol- und Signalflußmethode, rechnergestützter Entwurf von Elektronikschaltungen mit SPICE ; mit 180 Literaturstellen

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Format:	Buch
Sprache:	German
Veröffentlicht:	Ehningen bei Böblingen expert-Verl. 1991
Schriftenreihe:	Kontakt & Studium 321 : EDV
Schlagworte:	Halbleiterschaltung Netzwerkanalyse Software Datenverarbeitung SPICE > Programm Simulation Schaltungsentwurf
Online-Zugang:	Inhaltsverzeichnis
Beschreibung:	Literaturverz. S. 485 - 493
Beschreibung:	495 S. graph. Darst.
ISBN:	3816906508

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adam_text	Entwurf und Simulation von Halbleiterschaltungen mit SPICE SPICE, Transistormodelle, Vierpol- und Signalflußmethode, rechnergestützter Entwurf von Elektronikschaltungen mit SPICE Prof Dr -Ing Haybatolah Khakzar Prof Dr -Ing Albert Mayer Prof Dr -Ing Reinold Oetinger Mit 289 Bildern und 180 Literaturstellen Kontakt amp; Studium Band 321 Herausgeber: Prof Dr -Ing Wilfried J Bartz Technische Akademie Esslingen Weiterbildungszentrum Dl Elmar Wippler expert vertag Inhaltsverzeichnis Herausgeber-Vorwort Autoren-Vorwort TEIL 1 Netzwerkanalyseprogramm SPICE Albert Mayer 1 Einführung 1 1 Überblick über die Eigenschaften von SPICE 1 2 Ablauf einer Simulation 1 3 Simulationsarten 131 DC-Analyse 132 AC-Analyse 133 Analyse von Einschwingvorgängen 2 Eingabe der Schaltung 2 1 Schaltungsbeschreibung, Eingabeformat 2 2 Eingabe passiver Elemente 2 3 Eingabe linearer gesteuerter Quellen 2 4 Eingabe unabhängiger Quellen 241 Allgemeine Eingabeform, Quellenarten 242 Definition und Kennzeichnung der Quellenarten 2 5 Eingabe von Halbleiterbauelementen 3 Steuerkommandos 3 1 Gleichstromanalysen 3 2 Kleinsignalanalyse mit stationären Sinusquellen (AC-Analyse) 3 3 Einschwinganalyse 3 4 Temperaturanalyse 3 5 Empfindlichkeits-Analyse 33 3 6 Verzerrungs-Analyse 34 3 7 Rausch-Analyse 35 3 8 Fourier-Analyse 37 3 9 Netzwerk-Modul (Subcircuit) 38 3 10 Ausgabe 44 3 11 Optionen 46 4 Zusammenfassung der Eingabevorschriften 47 4 1 Syntax der Elementzeilen 47 4 2 Kennzeichnung der Quellenarten 48 4 3 Syntax der Steuerkommandos 49 5 Beispiele 51 5 1 Fehlabgeschlossene Leitung 51 5 2 Nichtlinearer Kondensator 51 TEIL 2 Dioden- und Transistormodell 53 1 Diodenmodell Das mathematische Modell einer Diode für Berechnungen mit SPICE 2 54 Reinold Oetinger 1 1 Ersatzschaltbild 54 1 2 Gleichung für die Ersatzschaltbilddiode 54 1 3 Gleichungen für die gespeicherte Ladung 57 131 Gleichung für die im Diffusionsgebiet (auf der Diffusions- kapazität Cj) gespeicherte Ladung 57 132 Sperrschichtkapazität 57 133 Gleichung für die gespeicherte Gesamtladung 58 1 4 Ersatzschaltbild für Kleinsignalanwendungen 59 1 5 Differentialgleichung für Großsignalanwendungen 60 1 6 Temperaturabhängigkeit der Modellparameter 60 1 7 Temperaturabhängigkeit beim bipolaren Transistor 61 1 8 Zusammenfassung der SPICE-Modellparameter, SPICE-Namen und SPICE-Ersatzwerte 61 2 Das mathematische Modell eines bipolaren Transistors für Berechnungen mit SPICE Reinold Oetinger 2 1 Einleitung 2 2 Funktionsgleichungen für die Ersatzschaltbildströme 221 Gleichungen für die gesteuerte Urstromquelle ipp 222 Gleichungen für die Ersatzschaltbilddioden 2 3 Zur Bestimmung der Gleichstromparameter des inneren Transistors 231 Das Gleichstromverhalten des inneren Transistors 232 Zur Bestimmung der Modellparameter lg, np, Igg, ng, Bp, l«F 233 Zur Bestimmung der Modellparameter np, Igg, np, Bp, IkR 234 Zur Bestimmung der Modellparameter U^p, U^p 2 4 Bahnwiderstände 241 Emitter- und Kollektor-Bahnwiderstand 242 Basis-Bahnwiderstand 2 5 Funktions-Gleichungen für die gespeicherten Ladungen 251 Gleichungen für die gespeicherte Ladung Qpp und Qgc 252 Gleichung für die Kollektorsubstratkapazität CQ-g 2 6 Lineares Ersatzschaltbild für eine Kleinsignal-Wechselstrom analyse, Erweiterungen des Modells für Hochfrequenz anwendungen 2 7 Differentialgleichungen für eine Großsignal-Einschwinganalyse 2 8 Zusammenfassung der Modellparameter, SPICE-Namen und SPICE-Ersatzwerte 3 Modellierung des Sperrschicht-Feldeffekt-Transistors mit dem Netzwerkanalyse-Programm SPICE 87 Haybatolah Khakzar 3 1 Das JFET Transistormodell (n-Kanal) 87 311 Das Ersatzschaltbild 87 312 Gleichungen für die Ersatzschaltbildströme 88 3121 Gleichungen für die gesteuerte Quelle 88 3122 Diodenströme 89 313 Das Gleichstromverhalten 90 314 Ladungsspeicherung auf Cqq und Cgg 90 315 Ersatzschaltbild für Kleinsignalanwendungen 91 316 Differentialgleichungen für Großsignalanwendungen 93 317 Zusammenfassung der Modellparameter, SPICE-Namen und SPICE-Ersatzwerte 93 4 Modellierung des MOS-Feldeffekt-Transistors mit dem Netzwerkanalyseprogramm SPICE 95 Haybatolah Khakzar 4 1 Das LEVEL-1 MOS-Modell 95 411 Geometrie und Großsignalersatzschaltbild 95 412 Kennlinien 96 413 Gleichungen 97 4131 Gesteuerte Stromquelle Ipg = Ipg (Upg, Upg) 9? 4132 Schwellenspannung U 98 4133 Bandwiderstände Rs und Rd 99 4134 ■ Drain-Bulk und Source-Bulk Diode 99 4135 Dioden-Kapazitäten Cgp, Cgg 99 4136 Restliche Kapazitäten Cgg, C(3p, Cqb 100 414 Ladungsspeicherung auf egg- und cgp- 101 415 Ersatzschaltbild für Kleinsignalanwendungen 102 416 Differentialgleichungen für Großsignalanwendungen 103 417 Zusammenfassung der Modellparameter, SPICEnamen und SPICEersatzwerte 104 4 2 Das LEVEL-2 MOS-Modell 106 421 Ersatzschaltbild 106 422 Gleichungen für die Ersatzschaltbildströme 106 423 Der Drain-Source-Strom lp g 109 424 Diodenströme (identisch mit MOS1-Modell) 113 4 3 Das Gleichstromverhalten 113 4 4 Ladungsspeicherung auf Sperrschichtkapazitäten CßS und CBD 114 441 Ersatzschaltbild für Kleinsignalanwendungen 114 442 Temperaturabhängigkeit 114 4 5 Das LEVEL-3 MOS-Modell 115 451 Schwellspannung Ujh 115 452 Die Grundgleichung für den Drainstrom lp g 117 453 Kanallängenmodulation 120 454 Ladungsspeicherung 120 455 Temperaturabhängigkeit 122 456 Leistungsvergleich zwischen MOS2-und MOS3-Modell 122 4 6 Anhang 123 5 Modellierung des GaAs-MESFET-Transistors mit SPICE Haybatolah Khakzar 5 1 Prinzip 5 2 Gleichstrom-Ersatzschaltbild von GaAs-MESFET 5 3 Gleichungen für die gesteuerte Quelle 5 4 Kleinsignal-Ersatzschaltbild 5 5 Modellparameter, SPICEnamen und SPICEersatzwerte Modellierung des HEMT-Transistors mit SPICE Haybatolah Khakzar Zusammenfassung Eigenschaften von GaAs und dem GaAs-HEMT Transistor Eigenschaften von GaAs Der HEMT-Transistor GaAs MESFET Modell von Statz Modellierung des HEMT-Transistors Das GaAs MESFET Modell von Curtice Parameterextraktion Quadratisches Modell Kubisches Modell MESFET Modell von Statz Vergleichstabelle der Fehler Kennlinien Schlußbetrachtung Anhang Abkürzungen TEIL 3 Entwurf analoger Schaltungen Haybatolah Khakzar 1 Die klassische Berechnung von Verstärkern mit Hilfe der Vierpoltheorie 158 1 1 Transistoren 158 111 Transistortypen 158 112 Der bipolare Transistor (Junction Transistor) 158 113 Der Sperrschicht-Feldeffekttransistor (Junction Field Effect Transistor, JFET) 160 114 Der MOS-Feldeffekttransistor 162 1 2 Der Transistor als verstärkendes Element 167 1 3 Die fastlineare Ersatzschaltung 168 1 4 Die lineare Ersatzschaltung 173 1 5 Die geränderte Leitwertsmatrix 174 1 6 Die S-Parameter von Vierpolen 183 1 7 Die Transistorgrundschaltungen 188 171 Die Grundschaltungen des Bipolartransistors 189 172 Die Grundschaltungen des Feldeffekttransistors 195 1 8 Berechnung von rückgekoppelten Verstärkern mit Hilfe der klassischen Gegenkopplungstheorie 199 181 Rückkopplung, Gegenkopplung und Mitkopplung 199 182 Definition und Auswertung von Empfindlichkeiten des gegengekoppelten Verstärkers gegenüber einer Veränderung der Übertragungsfunktion ohne Gegenkopplung 201 1821 Gegenkopplung über eine Verstärkerstufe 201 1822 Gegenkopplung über mehrere Verstärkerstufen 203 183 Das Verhalten der Gegenkopplung gegenüber Stärsignalen 205 184 Grundsätzliche Verknüpfungsmöglichkeiten von Verstärker zweitor und Gegenkopplungszweitor 206 2 Verstärkerberechnung mit der Signalflußmethode 212 2 1 Einleitung 212 2 2 Regeln des Signalflußgraphen 212 2 3 Grundsignalflußgraphen des gegengekoppelten Verstärkers 217 2 4 Schleifenverstärkung (return ratio), Gegenkopplungsfaktor (return difference) und Nullgegenkopplungsfaktor (null return difference) 218 2 5 Ein- und Ausgangswiderstand eines gegengekoppelten Verstärkers 220 2 6 Reihen- und Parallelgegenkopplung 222 2 7 Einstufig gegengekoppelter Verstärker 224 2 8 Zweistufig gegengekoppelte Verstärker 237 3 Stabilitätsanalyse rückgekoppelter Verstärker 245 3 1 Die Impulsantwort 245 3 2 Stabilitätsanalyse bei gegengekoppelten Verstärkern 251 3 3 Das Routh-Hurwitz-Kriterium 253 3 4 Beispiele zum Ruth-Hurwitz-Kriterium 255 3 5 Wurzelortskurven 257 3 6 Das Nyquist-Kriterium 266 3 7 Das Bode-Diagramm 268 4 Operationsverstärker 275 4 1 Eigenschaften des idealen Operationsverstärkers und seine Grundschaltung 275 4 2 Der invertierende Operationsverstärker 276 4 3 Der nichtinvertierende Operationsverstärker 277 4 4 Der Differenzierer 278 4 5 Der Integrierer 280 4 6 Aufbau eines Operationsverstärkers 281 4 7 Der Differenzverstärker 282 471 Differenzverstärkung, Gleichtaktverstärkung und Gleichtaktunterdrückungsfaktor 282 472 Der Emitter-gekoppelte Differenzverstärker 284 473 Berechnung von und Vg\| 285 474 Differenzverstärker und Konstantstromversorgung 287 745 Funktionsweise eines Differenzverstärkers und Übertragungseigenschaften 288 476 Eingangswiderstand des Differenzverstärkers 290 4 8 Elektrische Simulation eines halbelastischen Stoßes 291 481 Das physikalische Problem 291 482 Bewegung in der Luft 291 483 Halbelastischer Stoß am Boden 292 484 Übergang auf die elektrische Simulation 293 485 Realisierung der Schaltung 297 486 Umschalten zwischen den beiden Differentialgleichungen 301 487 Darstellung als Ball 302 488 Bedienungsanleitung für das Demonstrationsmodell eines halbelastischen Stoßes 303 4 9 Operationsverstärkerbegriffe 304 5 Breitbandverstärker 310 5 1 Generelle Betrachtung 310 5 2 Bedingungen für maximal flacher Betragsverlauf und lineare Phase 313 521 Funktion mit maximal flachem Betragsverlauf 313 522 Funktionen mit möglichst linearer Phase 316 5 3 Grundlegende Eigenschaften der einzeln gegengekoppelten Verstärkerstufen 317 531 Emitterschaltung mit Reihengegenkopplung 318 532 Emitterschaltung mit Parallelgegenkopplung 322 533 Zusammenschalten der Stufen 325 5 4 Hochfrequenzkompensation der Verstärker 327 541 Emitterschaltung mit Reihengegenkopplung bei hohen Frequenzen 327 542 Emitterschaltung mit Parallelgegenkopplung bei hohen Frequenzen 330 5 5 Der optische Empfänger 334 5 6 Die SPICE-Simulation eines optischen Empfängers mit HEMT-Transistoren 339 561 Einleitung 339 562 Der optische Empfänger 339 5621 Die Schaltung 340 5622 Das Kleinsignalersatzschaltbild 341 563 Analyse und Optimierung mit SPICE 343 5631 Besonderheiten bei der Analyse 343 5632 Die Eingabe der Schaltung für SPICE 344 5633 Ergebnis der Analyse 344 6 Oszillatoren 346 6 1 Schwingungsbedingung 346 6 2 Wien-Brücken-Oszillator 347 6 3 LC-Oszillator 350 6 4 Der Colpitts- und Heartley-Oszillator 353 641 Berechnung des Colpitts- und Heartley-Oszillators 356 6 5 Der Phasenschieber-Oszillator 357 6 6 Der Quarz-Oszillator 358 661 Ersatzschaltbild des Quarzes 358 662 Praktischer Aufbau eines 1 MHz-Quarz-Oszillators 359 663 Dimensionierung der Bauteile 360 664 SPICE Simulationsprogramm 361 7 Rauscharmer Verstäker 363 7 1 Rechnen mit Rauschsignalen 363 7 2 Wie beschreibt man Rauschsignale? 363 7 3 Wie berechnet man nun diesen Effektivwert? 363 7 4 Rauscharten 365 741 Thermisches Rauschen 365 742 Schrotrauschen 367 743 1/f-Rauschen 368 7 5 Rauschmodelle von Halbleiterbauelementen in SPICE 370 751 Diode 370 752 Bipolarer Transistor 371 753 Sperrschicht-FET 371 754 MOS-FET 371 7 6 Entwurf rauscharmer Verstärker mit SPICE 373 761 Verstärker mit bipolaren Transistoren 373 762 Verstärker mit FET 375 7621 Sperrschicht FET 375 763 Verstärker mit MOS-FET 375 7 7 Zusammenfassung 376 7 8 Rauschmeßtechnik 381 781 Einleitung 381 782 Rauschzahlmessung mit der Empfängermethode 381 783 Rauschzahlmessung mit der Rauschgeneratormethode 383 7831 Die 3 dB-Methode 383 7832 Die Y-Faktor-Methode 385 7 9 Signal- und Rauschverhältnis bei Nachrichtensystemen 385 791 Trägerfrequenzkoaxialsysteme 385 7 10 Optischer Empfänger mit Paralletgegenkopplung 387 7 11 Kritische Betrachtung der auf der WARC-Konferenz 1977 und RARC-Konferenz 1983 beschlossenen Rundfunk- Satell iten-Systemwerte 394 7 11 1 WARC-Anforderungen an den Fernsehdirektempfang von Satelliten 394 7 11 2 Stand der Technik der Satelliten-Rundfunk-Einzelempfänger 395 7 11 3 Die theoretische Minimalgrenze der Sendeleistung des Fern sehtransponders 397 7 11 4 Leistungsbilanz für die Satelliten-Abwärtsstrecke 398 7 11 5 Erforderliche Leistung bei großen Ausleuchtungszonen 399 7 11 6 Schlußfolgerung 400 8 Klirrarmer Verstärker 425 8 1 Einleitung 425 8 2 Nichtlineare Systeme 426 821 Nichtlineare Systeme ohne Speicher 427 822 Nichtlineare Systeme mit Speicher 427 8 3 n-dimensionale Laplacetransformation 429 831 Transformation und Faltungssatz 429 832 Übertragungsfunktionen 435 833 Symmetrien 437 8 4 Nichtlineare Verzerrungen 439 841 Klirren und Intermodulation 439 842 Klirrfaktor und Klirrgütemaß 440 8 5 Kombination von nichtlinearen Systemen 441 851 Kettenschaltung 441 852 Inverse Systeme 443 8 6 Analyse eines nichtlinearen Netzwerks am Beispiel eines Transistorverstärkers mit nichtlinearem Abschlußwiderstand 445 861 Ersatzschaltbild 445 862 Knotenpotentialanalyse 449 8 7 Gütefaktoren der nichtlinearen Verzerrung 2 und 3 Ordnung bei gegengekoppelten Verstärkern 461 8 7 Zusammenfassung 463 8 8 Beispiel 1: Klirranalyse eines einstufigen Verstärkers bei tiefen Frequenzen 470 8 9 Beispiel 2: Analyse eines nichtlinearen Netzwerks am Beispiel eines Transistorverstärkers mit linearem Abschluß widerstand bei hohen Frequenzen 474 891 Ursachen der Nichtlinearität 479 Literaturverzeichnis 485 Sachregister 494 Autorenverzeichnis 495
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