Моделирование диодов в SPICE: практическое руководство к точной симуляции

SPICE — индустриальный стандарт моделирования схем, и диоды — одна из самых часто моделируемых компонент. Поведение диода в SPICE описывается двумя операторами: элемент прибора и определение модели. Оператор элемента подключает диод к схеме, а оператор модели задаёт его электрические характеристики.

Определение диода в SPICE

Каждый элемент диода должен начинаться с буквы d с опциональным идентификатором (напр., d1, dtest, d101). Следующие два числа — номера узлов анода и катода. Последний токен — имя модели, определяемой позже.

Пример:

 d1 1 2 mod1 

Соответствующий оператор модели начинается с .model, за которым имя модели, ключевое слово d, и затем опциональные присваивания параметров вида Parameter=Value. Пропущенные параметры по умолчанию принимают значения из таблиц ниже.

Пример:

 .model mod1 d 

Пример с параметрами:

 D2 1 2 Da1N4004 .model Da1N4004 D (IS=18.8n RS=0 BV=400 IBV=5.00u CJO=30 M=0.333 N=2) 

Ключевые параметры диода

Символ	Имя	Параметр	Единицы	По умолчанию
IS	IS	Ток насыщения (уравнение диода)	А	1E‑14
RS	RS	Паразитное сопротивление (последовательное)	Ом	0
n	N	Коэффициент эмиссии, 1–2	—	1
τD	TT	Время транзита	с	0
CD(0)	CJO	Нулевое смещение переходной ёмкости	Ф	0
ϕ0	VJ	Переходной потенциал	В	1
m	M	Коэффициент градирования перехода	—	0.5
Eg	EG	Активационная энергия (эВ)	—	1.11
pi	XTI	Температурный экспонент IS	—	3.0
kf	KF	Коэффициент мерцания шума	—	0
af	AF	Экспонент мерцания шума	—	1
FC	FC	Коэффициент обеднённой ёмкости при прямом смещении	—	0.5
BV	BV	Обратное пробойное напряжение	В	∞
IBV	IBV	Обратный пробойный ток	А	1E‑3

Получение надежной модели

Самый точный способ — скачать модель с сайта производителя. Если недоступна, можно построить модель из даташита, извлекая ключевые параметры выше. Третий вариант — измерить прибор самостоятельно и подогнать SPICE параметры к измеренной ВАХ.

Пример извлечения параметров — 1N4004

Для иллюстрации выведем модель для распространённого выпрямителя 1N4004. Начнём с выбора коэффициента эмиссии N = 2.0, типичного для кремниевых выпрямителей. Используя уравнение диода

 I_D = I_S (e^{V_D/(N V_T)} - 1) 

и точку даташита (V_D = 0,925 В при I_D = 1 А, V_T = 26 мВ при 25 °C) решаем для I_S:

 I_S = 18,8 нА 

Остальные параметры устанавливаются в значения по умолчанию, если даташит не указывает иное:

• RS = 0 Ом (изначально, позже скорректировано для лучшего соответствия)
• TT = 0 с (нет данных Q_RR)
• CJO = 30 пФ (из графика V_R‑C_J)
• M = 0,333 (линейно градинированный переход)
• VJ = 1 В, EG = 1,11 эВ, XTI = 3,0
• BV = 400 В, IBV = 5 мкА (спецификации обратного пробоя)

Результирующий оператор модели:

 .model Da1N4004 D (IS=18.8n RS=0 BV=400 IBV=5.00u CJO=30 +M=0.333 N=2.0 TT=0) 

Тонкая настройка модели

Сравнивая выведенную модель с моделью производителя и даташитом ВАХ, заметили, что ток при 1,4 В превышает спецификацию (12 А). Корректировка последовательного сопротивления до 28,6 мОм привела кривую в соответствие при 1,4 В, сохраняя точку 1 А. Дальнейшая тонкая настройка достигается итерацией N и RS до совпадения симулированной кривой с даташитом по всему диапазону.

Сравнение моделей

Следующая SPICE схема демонстрирует три модели параллельно для легкого сравнения:

Фрагмент нетлиста:

 *SPICE circuit <03468.eps> from XCircuit v3.20 D1 1 5 DI1N4004 V1 5 0 0 D2 1 3 Da1N4004 V2 3 0 0 D3 1 4 Default V3 4 0 0 V4 1 0 1 .DC V4 0 1400mV 0.2m .MODEL Da1N4004 D (IS=18.8n RS=28.6m BV=400 IBV=5.00u CJO=30 +M=0.333 N=2.0 TT=0) .MODEL DI1N4004 D (IS=76.9n RS=42.0m BV=400 IBV=5.00u CJO=39.8p +M=0.333 N=1.45 TT=4.32u) .MODEL Default D .END 

Зенеровские, туннельные и Ганновские диоды

Для зенеровских диодов существуют две стратегии моделирования:

• Установить параметр BV в зенеровское напряжение (напр., .model D1N4469 D (BV=15 IBV=17m)). Это простейший подход.
• Использовать подсхему с диодным зажимом, форсирующей пробойное напряжение (см. подсхему ниже для модели 1N4477A).

Пример подсхемы:

 .SUBCKT DI-1N4744A 1 2 * Terminals A K D1 1 2 DF DZ 3 1 DR VZ 2 3 13.7 .MODEL DF D (IS=27.5p RS=0.620 N=1.10 +CJO=78.3p VJ=1.00 M=0.330 TT=50.1n) .MODEL DR D (IS=5.49f RS=0.804 N=1.77) .END 

Для туннельных диодов пара JFET может эмулировать область отрицательного дифференциального сопротивления, как показано в справочнике [KHM]. Аналогично, диод Ганна можно смоделировать двумя JFET для улавливания его микроволнового генераторного поведения ([ISG]).

Ключевые выводы

• Используйте элемент diode для подключения прибора; оператор .model определяет его электрическое поведение.
• Статические параметры (N, IS, RS) доминируют в низкочастотной работе; пробойные спецификации (BV, IBV) важны для высоковольтных применений.
• Динамическое поведение опирается на TT и CJO; включайте их для точных переходных симуляций.
• Производительские модели предпочтительны; если недоступны — выводите из даташита или эмпирических измерений.