Модели SPICE

Программа моделирования схем SPICE позволяет моделировать диоды в схемах. Модель диода основана на характеристиках отдельных устройств, описанных в технических характеристиках продукта, и на характеристиках производственного процесса, которые не указаны. Некоторая информация была взята из таблицы данных 1N4004 на рисунке ниже.

Выдержка из таблицы данных 1N4004 после [DI4].

Заявление о диоде начинается с названия диодного элемента, которое должно начинаться с буквы «d» и дополнительных символов. Примеры названий диодных элементов включают:d1, d2, dtest, da, db, d101. Два номера узла определяют подключение анода и катода соответственно к другим компонентам. За номерами узлов следует название модели, относящееся к последующему оператору «.model».

Строка описания модели начинается с «.model», за которым следует название модели, соответствующее одному или нескольким операторам диодов. Далее, «d» указывает, что диод моделируется. Остальная часть утверждения модели представляет собой список дополнительных параметров диода в форме ParameterName =ParameterValue. Ни один из них не используется в примере ниже. В примере 2 определены некоторые параметры. Список параметров диодов см. В таблице ниже.

 Общий вид:d [название] [анод] [катод] [название модели] .model ([название модели] d [parmtr1 =x] [parmtr2 =y]...) Пример:d1 1 2 mod1 .model mod1 d Пример 2:D2 1 2 Da1N4004 .model Da1N4004 D (IS =18,8n RS =0 BV =400 IBV =5,00u CJO =30 M =0,333 N =2) 

Модели SPICE для диодов

Самый простой подход к модели SPICE такой же, как и к техническому описанию:обратитесь на веб-сайт производителя. В таблице ниже перечислены параметры модели для некоторых выбранных диодов. Альтернативной стратегией является построение модели SPICE на основе параметров, перечисленных в таблице данных. Третья стратегия, не рассматриваемая здесь, - это измерение реального устройства. Затем рассчитайте, сравните и скорректируйте параметры SPICE в соответствии с измерениями.

Параметры диода SPICE

Символ Имя Параметр Единицы По умолчанию Я _S IS Ток насыщения (уравнение диода) A1E-14R _S RSP Парситное сопротивление (последовательное сопротивление) Ω0nN Коэффициент излучения, от 1 до 2-1τ _D TTTransit раз0C _D (0) CJO Емкость перехода при нулевом смещении F0φ ₀ VJПотенциал перехода V1mMКоэффициент градации перехода -0,5--0,33 для линейно-градиентного перехода ---- 0,5 для резкого перехода - E _g EGA Энергия активации:эВ1,11 - Si:1,11 ---- Ge:0,67 ---- Шоттки:0,69 - p _i XTIIS температурный показатель-3,0 - pn переход:3,0 ---- Шоттки:2,0 - k _f KFF Коэффициент шума мерцания-0a _f AF Показатель фликкер-шума-1FCFC Коэффициент обеднения емкости прямого смещения-0.5BVBV Напряжение обратного пробоя V∞IBVIBV Ток обратного пробоя A1E-3

Если параметры диода не указаны, как в модели «Пример» выше, параметры принимают значения по умолчанию, перечисленные в Таблице выше и Таблице ниже. Эти значения по умолчанию моделируют диоды интегральной схемы. Их, безусловно, достаточно для предварительной работы с дискретными устройствами. Для более ответственной работы используйте модели SPICE, поставляемые производителем [DIn], поставщиками SPICE и другими источниками. [smi]

Параметры SPICE для выбранных диодов; sk =шоттки Ge =германий; еще кремний.

Часть ЕСТЬ RS N TT CJO M VJ EG XTI BV IBV По умолчанию1E-1401000.511.113 ∞1m1N5711 sk315n2.82.031.44n2.00p0.333-0.6927010u1N5712 sk680p121.00350p1.0p0.50.60.69220-1N34 Ge200p84m2.19144n4.82p0.3330.750.67-2945.0p1Nm 75-1N389163n9.6m2110n114p0.2550.6--250-10A04 10A844n2.06m2.064.32u277p0.333 --- 40010u1N4004 1A76.9n42.2m1.454.32u39.8p0.333 --- 4005u1N4004 техническое описание18.8n-2-30p0.333 --- 4005u

В противном случае выведите некоторые параметры из таблицы данных.

Получение моделей SPICE из таблиц спецификаций

Сначала выберите значение для параметра специи N от 1 до 2. Это требуется для уравнения диода (n). Массобрио [PAGM], стр. 9, рекомендует:«… п, коэффициент эмиссии обычно составляет около 2». В таблице выше мы видим, что силовые выпрямители 1N3891 (12 A) и 10A04 (10 A) используют около 2. Первые четыре в таблице не имеют значения, потому что они представляют собой слабый сигнал Шоттки, Шоттки, германий и кремний соответственно. . Ток насыщения, IS, выводится из уравнения диода, значение (V _D , Я _D ) на графике на рисунке выше, и N =2 (n в уравнении диода).

 Я  Д  =Я  S  (e 
 V  D  / нВ  T  
 -1) V  T  =26 мВ при 25 
 o 
 C n =2,0 В  D  =0,925 В при 1 А по графику 1 А =Я  S  (e 
 (0,925 В) / (2) (26 мВ) 
 -1) Я  S  =18,8E-9 

Числовые значения IS =18,8n и N =2 вводятся в последней строке таблицы выше для сравнения с моделью производителя для 1N4004, которая значительно отличается. На данный момент RS по умолчанию равен 0. Это будет сделано позже. Важными статическими параметрами постоянного тока являются N, IS и RS. Рашид [MHR] предполагает, что TT, τ _D , время прохождения приблизительно определяется из накопленного заряда обратного восстановления Q _RR , параметр таблицы данных (недоступен в нашей таблице данных) и I _F , прямой ток.

 Я  Д  =Я  S  (e 
 V  D  / нВ  T  
 -1) τ  D  =Q  RR  / I  F  

Мы принимаем TT =0 по умолчанию из-за отсутствия Q _RR . Хотя разумно было бы взять ТТ за аналогичный выпрямитель типа 10А04 на 4.32u. 1N3891 TT не подходит, потому что это выпрямитель с быстрым восстановлением. CJO, емкость перехода при нулевом смещении оценивается по V _R против C _J график на рисунке выше. Емкость при напряжении, ближайшем к нулю на графике, составляет 30 пФ при 1 В. При моделировании высокоскоростной переходной характеристики, например, в импульсных источниках питания стабилизатора, необходимо указать параметры TT и CJO.

Коэффициент градации перехода M связан с профилем легирования перехода. Это не элемент таблицы данных. Значение по умолчанию - 0,5 для крутого перехода. Мы выбрали M =0,333, что соответствует линейно-градиентному переходу. Выпрямители мощности в таблице выше используют более низкие значения M, чем 0,5.

Мы берем значения по умолчанию для VJ и EG. Гораздо больше диодов используют VJ =0,6, чем показано в таблице выше. Однако выпрямитель 10A04 использует значение по умолчанию, которое мы используем для нашей модели 1N4004 (Da1N4001 в таблице выше). Используйте EG по умолчанию =1,11 для кремниевых диодов и выпрямителей. В таблице выше приведены значения для диодов Шоттки и германия. Возьмите XTI =3, температурный коэффициент IS по умолчанию для кремниевых устройств. См. Таблицу XTI для диодов Шоттки выше.

В сокращенной таблице данных, приведенной на рисунке выше, перечислены I _R =5 мкА @ V _R =400 В, что соответствует IBV =5u и BV =400 соответственно. Параметры 1n4004 SPICE, полученные из таблицы данных, перечислены в последней строке таблицы выше для сравнения с моделью производителя, указанной над ней. BV необходим только в том случае, если симуляция превышает напряжение обратного пробоя диода, как в случае стабилитронов. IBV, ток обратного пробоя, часто опускается, но может быть введен, если он предоставлен с BV.

Сравнение моделей диодов из разных источников

На рисунке ниже показана схема для сравнения модели производителя, модели, полученной из таблицы данных, и модели по умолчанию с использованием параметров по умолчанию. Для измерения тока диода необходимы три фиктивных источника 0 В. Источник 1 В изменяется от 0 до 1,4 В с шагом 0,2 мВ. См. Оператор .DC в списке соединений в таблице ниже. DI1N4004 - это модель диода производителя, Da1N4004 - наша производная модель.

Цепь SPICE для сравнения модели производителя (D1), расчетной модели таблицы данных (D2) и по умолчанию модель (D3).

Параметры списка соединений SPICE:(D1) модель производителя DI1N4004, (D2) данные из таблицы Da1N40004, (D3) модель диода по умолчанию.

 * Схема SPICE <03468.eps> из XCircuit v3.20 D1 1 5 DI1N4004 В1 5 0 0 D2 1 3 Da1N4004 V2 3 0 0 D3 1 4 По умолчанию V3 4 0 0 V4 1 0 1 .DC V4 0 1400 мВ 0,2 м .model Da1N4004 D (IS =18,8n RS =0 BV =400 IBV =5,00u CJO =30 + M =0,333 N =2,0 TT =0) .МОДЕЛЬ DI1N4004 D (IS =76,9n RS =42,0 м BV =400 IBV =5,00u CJO =39,8p + M =0,333 N =1,45 TT =4,32u) .MODEL По умолчанию D .конец 

Мы сравниваем три модели на рисунке ниже. и к данным графика таблицы в таблице ниже. VD - это зависимость напряжения диода от тока диода для модели производителя, нашей расчетной модели из таблицы данных и модели диода по умолчанию. Последний столбец «График 1N4004» взят из таблицы данных зависимости напряжения от тока на рисунке выше, которую мы пытаемся сопоставить. Сравнение токов для трех моделей с последним столбцом показывает, что модель по умолчанию хороша для низких токов, модель производителя хороша для высоких токов, а наша расчетная модель таблицы данных лучше всего подходит для до 1 А. Соглашение почти идеальное. при 1 А, потому что расчет искробезопасности основан на напряжении на диоде при 1 А. Наша модель значительно превышает ток выше 1 А.

Первая пробная версия модели производителя, расчетной модели таблицы данных и модели по умолчанию.

Сравнение модели производителя, расчетной модели таблицы и модели по умолчанию с графиком таблицы данных 1N4004 для V и I.

 модель модель модель 1N4004 индекс таблицы данных производителя ВД график по умолчанию 3500 7.000000e-01 1.612924e + 00 1.416211e-02 5.674683e-03 0,01 4001 8.002000e-01 3.346832e + 00 9.825960e-02 2.731709e-01 0,13 4500 9.000000e-01 5.310740e + 00 6.764928e-01 1.294824e + 01 0.7 4625 9.250000e-01 5.823654e + 00 1.096870e + 00 3.404037e + 01 1.0 5000 1.000000e-00 7.395953e + 00 4.675526e + 00 6.185078e + 02 2.0 5500 1.100000e + 00 9.548779e + 00 3.231452e + 01 2.954471e + 04 3.3 6000 1.200000e + 00 1.174489e + 01 2.233392e + 02 1.411283e + 06 5.3 6500 1.300000e + 00 1.397087e + 01 1.543591e + 03 6.741379e + 07 8.0 7000 1.400000e + 00 1.621861e + 01 1.066840e + 04 3.220203e + 09 12. 

Решение состоит в том, чтобы увеличить RS с RS =0 по умолчанию. Изменение RS от 0 до 8 м в модели из таблицы данных приводит к тому, что кривая пересекает 10 А (не показано) при том же напряжении, что и у модели производителя. Увеличение RS до 28,6 м смещает кривую дальше вправо, как показано на рисунке ниже. Это приводит к более точному сопоставлению нашей модели таблицы данных с графиком таблицы данных (рисунок выше). В таблице ниже показано, что ток 1,224470e + 01 A при 1,4 В соответствует графику при 12 A. Однако ток при 0,925 В снизился с 1,096870e + 00 выше до 7,318536e-01.

Вторая попытка улучшить расчетную модель таблицы данных по сравнению с моделью производителя и моделью по умолчанию.

Изменение оператора модели Da1N4004 с RS =0 на RS =28,6 м снижает ток при VD =1,4 В до 12,2 А.

 .model Da1N4004 D (IS =18,8n RS =28,6m BV =400 IBV =5,00u CJO =30 + M =0,333 N =2,0 TT =0) модель модель 1N4001 график таблицы данных производителя ВД 3505 7.010000e-01 1.628276e + 00 1.432463e-02 0,01 4000 8.000000e-01 3.343072e + 00 9.297594e-02 0,13 4500 9.000000e-01 5.310740e + 00 5.102139e-01 0.7 4625 9.250000e-01 5.823654e + 00 7.318536e-01 1.0 5000 1.000000e-00 7.395953e + 00 1.763520e + 00 2.0 5500 1.100000e + 00 9.548779e + 00 3.848553e + 00 3.3 6000 1.200000e + 00 1.174489e + 01 6.419621e + 00 5.3 6500 1.300000e + 00 1.397087e + 01 9.254581e + 00 8.0 7000 1.400000e + 00 1.621861e + 01 1.224470e + 01 12. 

Предлагаемое упражнение для читателя:уменьшите N так, чтобы ток при VD =0,925 В восстановился до 1 A. Это может увеличить ток (12,2 A) при VD =1,4 В, требуя увеличения RS для уменьшения тока до 12 A.

Стабилитрон: Существует два подхода к моделированию стабилитрона:установите для параметра BV значение напряжения стабилитрона в операторе модели или смоделируйте стабилитрон с помощью подсхемы, содержащей фиксатор диода, настроенного на напряжение стабилитрона. Пример первого подхода устанавливает напряжение пробоя BV равным 15 для модели стабилитрона 1n4469 15 В (IBV опционально):

 .model D1N4469 D (BV =15 IBV =17 м) 

Второй подход моделирует стабилитрон с помощью подсхемы. Фиксаторы D1 и VZ на рисунке ниже моделируют напряжение обратного пробоя 15 В стабилитрона 1N4477A. Диод DR учитывает прямую проводимость стабилитрона в подсхеме.

.SUBCKT DI-1N4744A 1 2 * Клеммы A K D1 1 2 DF ДЗ 3 1 ДР VZ 2 3 13,7 МОДЕЛЬ DF D (IS =27,5p RS =0,620 N =1,10 + CJO =78,3p VJ =1,00 M =0,330 TT =50,1n) .МОДЕЛЬ DR D (IS =5,49f RS =0,804 N =1,77) .КОНЕЦ 

В подсхеме стабилитрона используется фиксатор (D1 и VZ) для моделирования стабилитрона.

Туннельный диод: Туннельный диод может быть смоделирован парой полевых транзисторов (JFET) в подсхеме SPICE. [KHM] В этом справочнике также показана схема генератора.

Диод Ганна: Диод Ганна также может быть смоделирован парой полевых транзисторов JFET. [ISG] В этом справочнике показан релаксационный микроволновый генератор.

ОБЗОР:

• Диоды описываются в SPICE заявлением о диодном компоненте со ссылкой на оператор .model. Оператор .model содержит параметры, описывающие диод. Если параметры не указаны, модель принимает значения по умолчанию.
• Статические параметры постоянного тока включают N, IS и RS. Параметры обратной разбивки:BV, IBV.
• Для точной динамической синхронизации требуются параметры TT и CJO.
• Настоятельно рекомендуется использовать модели, предоставленные производителем.