第14节 SPICE 模型 (修订中)
[TOC]
SPICE 电路仿真程序可在电路仿真中对二极管进行建模。二极管模型基于产品数据表中描述的单个器件的特性和未列出的制造工艺特性。一些信息是从下图中的 1N4004 数据表中提取的。
数据表 1N4004 摘录，在[DI4] (opens new window)之后。
二极管语句以二极管元件名称开头，该名称必须以“d”加可选字符开头。示例二极管元件名称包括：d1、d2、dtest、da、db、d101。两个节点编号分别指定阳极和阴极与其他组件的连接。节点号后跟一个型号名称，指的是随后的“.model”语句。
模型语句行以“.model”开头，后跟与一个或多个二极管语句匹配的模型名称。接下来，“d”表示正在建模二极管。模型语句的其余部分是 ParameterName=ParameterValue 形式的可选二极管参数列表。以下示例中均未使用。Example2 定义了一些参数。有关二极管参数的列表，请参见下表。
一般形式：d[name] [anode] [cathode] [modelname]
.model ([modelname] d [parmtr1=x] [parmtr2=y] ...)
示例：d1 1 2 mod1
.model mod1 d
示例 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)
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二极管的 SPICE 模型
对 SPICE 模型采用的最简单方法与数据表相同：咨询制造商的网站。下表列出 (opens new window)了一些选定二极管的模型参数。备用策略是根据数据表中列出的参数构建 SPICE 模型。此处未考虑的第三种策略是对实际设备进行测量。然后，根据测量结果计算、比较和调整 SPICE 参数。
二极管 SPICE 参数
| 象征 | 姓名 | 范围 | 单位 | 默认 |
|---|---|---|---|---|
| 我是 | 是 | 饱和电流（二极管方程） | 一种 | 1E-14 |
| R S | RS | 寄生电阻（串联电阻） | Ω | 0 |
| n | ñ | 排放系数，1 到 2 | - | 1 |
| τD _ | TT | 转运时间 | s | 0 |
| (修订中) | 首席运营官 | 零偏置结电容 | F | 0 |
| φ 0 | 主播 | 结电位 | 五 | 1 |
| 米 | 米 | 结分级系数 | - | 0.5 |
| - | - | 0.33 用于线性渐变结 | - | - |
| - | - | 0.5 用于突变连接 | - | - |
| 例如_ | 例如 | 活化能： | 电子伏特 | 1.11 |
| - | - | 硅：1.11 | - | - |
| - | - | 锗：0.67 | - | - |
| - | - | 肖特基：0.69 | - | - |
| pi _ | XTI | IS 温度指数 | - | 3.0 |
| - | - | pn结：3.0 | - | - |
| - | - | 肖特基：2.0 | - | - |
| kf _ | 肯德基 | 闪烁噪声系数 | - | 0 |
| 一个_ | 自动对焦 | 闪烁噪声指数 | - | 1 |
| 足球俱乐部 | 足球俱乐部 | 正向偏置耗尽电容系数 | - | 0.5 |
| BV | BV | 反向击穿电压 | 五 | ∞ |
| IBV | IBV | 反向击穿电流 | 一种 | 1E-3 |
如果二极管参数未如上“示例”模型中指定，则参数采用上表和下表中列出[的](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt- smi] (opens new window)
选定二极管的 SPICE 参数；sk=肖特基锗=锗；否则硅。
| 部分 | 是 | RS | ñ | TT | 首席运营官 | 米 | 主播 | 例如 | XTI | BV | IBV |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 默认 | 1E-14 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0.5 | 1 | 1.11 | 3 | ∞ | 1m |
| 1N5711 斯克 | 315n | 2.8 | 2.03 | 1.44n | 2.00p | 0.333 | - | 0.69 | 2 | 70 | 10u |
| 1N5712 SK | 680p | 12 | 1.003 | 50便士 | 1.0p | 0.5 | 0.6 | 0.69 | 2 | 20 | - |
| 1N34锗 | 200p | 84m | 2.19 | 144n | 4.82p | 0.333 | 0.75 | 0.67 | - | 60 | 15u |
| 1N4148 | 35便士 | 64m | 1.24 | 5.0n | 4.0p | 0.285 | 0.6 | - | - | 75 | - |
| 1N3891 | 63n | 9.6m | 2 | 110n | 114p | 0.255 | 0.6 | - | - | 250 | - |
| 10A04 10A | 844n | 2.06m | 2.06 | 4.32u | 277p | 0.333 | - | - | - | 400 | 10u |
| 1N4004 1A | 76.9n | 42.2m | 1.45 | 4.32u | 39.8p | 0.333 | - | - | - | 400 | 5u |
| 1N4004 数据表 | 18.8n | - | 2 | - | 30便士 | 0.333 | - | - | - | 400 | 5u |
否则，从数据表中导出一些参数。
从规格表导出 SPICE 模型
首先为 spice 参数 N 选择一个介于 1 和 2 之间的值。二极管方程 (n) 需要它。Massobrio [[PAGM]](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt- (opens new window)
I D = I S (e V D /nV T -1)
V T = 26 mV at 25 o C n = 2.0 V D = 0.925 V at 1 A 从图中
1 A = I S (e (0.925 V)/(2)(26 mV) -1)
I S = 18.8E-9
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IS=18.8n 和 N=2 的数值输入上表的最后一行，[用于](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt- MHR] (opens new window)建议 TT, τ D，传输时间，近似于反向恢复存储电荷 Q RR，数据表参数（在我们的数据表中不可用）和 I F，正向电流。
I D = I S (e V D /nV T -1) τ D = Q RR /I F
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由于缺少 Q RR ，我们采用 TT=0 默认值。尽管将 TT 用于类似 4.32u 的 10A04 的整流器是合理的。1N3891 TT 不是一个有效的选择，因为它是一个快速恢复整流器。CJO，零偏置结电容是根据上图中的 V [R](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt- (opens new window)
结分级系数 M 与结的掺杂分布有关。这不是数据表项。突变连接的默认值为 0.5。我们选择 M = 0.333 对应于线性渐变结。上表中 (opens new window)的功率整流器使用低于 0.5 的 M 值。
我们采用 VJ 和 EG 的默认值。使用 VJ=0.6 的二极管比上表中显示的要[多得多](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt- 有关肖特基二极管的 XTI，请参见上 (opens new window)表。
上图的缩写数据表[列出](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt- 上面 (opens new window)列出的制造商型号进行比较。只有当模拟超过二极管的反向击穿电压时才需要 BV，齐纳二极管就是这种情况。IBV，反向击穿电流，经常被省略，但如果提供了 BV，则可以输入。
比较不同来源的二极管模型
下图[显示](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt- 请参见下表中 (opens new window)网表中的 .DC 语句。DI1N4004是厂家的二极管型号，Da1N4004是我们派生的二极管型号。
用于比较制造商模型 (D1)、计算数据表模型 (D2) 和默认模型 (D3) 的 SPICE 电路。
SPICE 网表参数：(D1) DI1N4004 制造商型号，(D2) Da1N40004 数据表导出，(D3) 默认二极管型号。
*SPICE 电路 <03468.eps> 来自 XCircuit v3.20
D1 1 5 DI1N4004
V1 5 0 0
D2 1 3 Da1N4004
V2 3 0 0
D3 1 4 默认
V3 4 0 0
V4 1 0 1
.DC V4 0 1400mV 0.2m
.model Da1N4004 D (IS=18.8n RS=0 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 默认 D
。结尾
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[我们在下图中](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt- 上图中 (opens new window)我们试图匹配的数据表电压与电流曲线。三个模型的电流与最后一列的比较表明，默认模型擅长小电流，制造商模型擅长大电流，我们计算出的数据表模型最好达到 1 A。协议几乎完美为 1 A，因为 IS 计算基于 1 A 的二极管电压。我们的模型严重超过了 1 A 以上的状态电流。
制造商模型、计算数据表模型和默认模型的首次试用。
制造商模型、计算数据表模型和默认模型与 V 与 I 的 1N4004 数据表图的比较。
型号 型号 1N4004
索引 VD 制造商数据表默认图表
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。
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解决方案是从默认的 RS=0 增加 RS。将数据表模型中的 RS 从 0 更改为 8m 会导致曲线在与制造商模型相同的电压下与 10 A（未显示）相交。将 RS 增加到 28.6m 会使曲线进一步向右移动，如下图[所示](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt- 下 (opens new window)表显示 1.4 V 时的电流 1.224470e+01 A 与 12 A 时的图相匹配。但是，0.925 V 时的电流已从上面的 1.096870e+00 下降到 7.318536e-01。
与制造商模型和默认模型相比，改进计算数据表模型的第二次试验。
将 Da1N4004 模型语句 RS=0 更改为 RS=28.6m 会将 VD=1.4 V 时的电流降低到 12.2 A。
.model Da1N4004 D (IS=18.8n RS=28.6m BV=400 IBV=5.00u CJO=30
+M=0.333 N=2.0 TT=0)
型号 型号 1N4001
索引 VD 制造商数据表图表
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。
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建议读者练习：减小 N 以使 VD=0.925 V 处的电流恢复到 1 A。这可能会增加 VD=1.4 V 处的电流 (12.2 A)，需要增加 RS 以将电流减小到 12 A。
__齐纳二极管：__有两种方法可以对齐纳二极管进行建模：在模型语句中将 BV 参数设置为齐纳电压，或者使用包含设置为齐纳电压的二极管钳位器的子电路对齐纳二极管进行建模。第一种方法的示例将 1n4469 15 V 齐纳二极管模型的击穿电压 BV 设置为 15（IBV 可选）：
.model D1N4469 D (BV=15 IBV=17m)
第二种方法用子电路模拟齐纳二极管。下图中 (opens new window)的钳位器D1 和 VZ模拟了 1N4477A 齐纳二极管的 15 V 反向击穿电压。二极管 DR 负责子电路中齐纳二极管的正向传导。
 | .SUBCKT DI-1N4744A 1 2 * 终端 AK D1 1 2 东风 DZ 3 1 博士 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) 。结尾 |
齐纳二极管子电路使用钳位器（D1 和 VZ）对齐纳二极管进行建模。
__隧道二极管：__隧道二极管可以由 SPICE 子电路中的一对场效应晶体管 (JFET) 建模。[KHM] (opens new window)本参考资料中还显示了一个振荡器电路。
Gunn 二极管： Gunn 二极管也可以由一对 JFET 建模。[ISG] (opens new window)该参考文献展示了一种微波张弛振荡器。
# 1. 总结
- 二极管在 SPICE 中由引用 .model 语句的二极管组件语句来描述。.model 语句包含描述二极管的参数。如果未提供参数，则模型采用默认值。
- 静态直流参数包括 N、IS 和 RS。反向击穿参数：BV、IBV。
- 准确的动态时序需要TT和CJO参数
- 强烈推荐制造商提供的型号。
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