SPICE diodemodellering: een praktische gids voor accurate simulatie

SPICE is de industriestandaard voor schakelingssimulatie, en diodes zijn een van de meest gemodelleerde componenten. Een diodes gedrag wordt in SPICE vastgelegd door twee statements: het apparaatelement en de modeldefinitie. Het elementstatement verbindt de diode met de schakeling, terwijl het modelstatement de elektrische kenmerken specificert.

Een diode definiëren in SPICE

Elk diode-element moet beginnen met de letter d gevolgd optioneel door een identifier (bijv. d1, dtest, d101). De volgende twee nummers zijn de anode en kathode knooppuntnummers. De laatste token is de naam van het model dat later gedefinieerd wordt.

Voorbeeld:

 d1 1 2 mod1 

Het corresponderende modelstatement begint met .model, gevolgd door de modelnaam, het sleutelwoord d, en dan optionele parametertoewijzingen in de vorm Parameter=Waarde. Parameters die weggelaten worden, vallen terug op standaardwaarden getoond in de tabellen hieronder.

Voorbeeld:

 .model mod1 d 

Voorbeeld met parameters:

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

Belangrijke diodeparameters

Een betrouwbaar model verkrijgen

De meest accurate manier om een SPICE model te verkrijgen is het direct downloaden van de website van de fabrikant. Als dat onbeschikbaar is, kunt u een model construeren uit de datasheet door de bovenstaande sleutelparameters te extraheren. Als derde optie kunt u het apparaat zelf meten en de SPICE parameters fitten aan de gemeten I-V kromme.

Parameter extractie voorbeeld – 1N4004

Om het proces te illustreren, leiden we een model af voor de gangbare 1N4004 gelijkrichter. We beginnen met het selecteren van een emissiecoëfficiënt N van 2,0, wat typisch is voor silicium gelijkrichters. Gebruikmakend van de diodevergelijking

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

en het datasheet punt (V_D = 0,925 V bij I_D = 1 A, V_T = 26 mV bij 25 °C) lossen we I_S op:

 I_S = 18,8 nA 

Overige parameters worden op hun standaardwaarden gezet tenzij de datasheet anders specificeert:

• RS = 0 Ω (initieel, later aangepast voor betere fit)
• TT = 0 s (geen Q_RR data beschikbaar)
• CJO = 30 pF (uit V_R-C_J grafiek)
• M = 0,333 (lineair gegraide knooppunt)
• VJ = 1 V, EG = 1,11 eV, XTI = 3,0
• BV = 400 V, IBV = 5 µA (omgekeerde doorbraak specificaties)

Resulterende modelstatement:

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

Fijnafstellen van het model

Bij het vergelijken van het afgeleide model met het fabrikantsmodel en de datasheet I-V kromme, merkten we op dat de stroom bij 1,4 V de specificatie overschreed (12 A). Het aanpassen van de serieweerstand naar 28,6 mΩ bracht de kromme in lijn bij 1,4 V terwijl het 1 A punt behouden bleef. Verdere fijninstelling kan bereikt worden door N en RS te itereren tot de gesimuleerde kromme de datasheet kromme over het volledige bereik matcht.

Modellen vergelijken

De volgende SPICE schakeling demonstreert de drie modellen parallel voor eenvoudige vergelijking:

SPICE schakeling voor het vergelijken van fabrikant, datasheet-afgeleide, en standaard modellen.

Netlist fragment:

 *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 

Zener, tunnel en Gunn diodes

Voor Zenerdiodes bestaan twee modelleerstrategieën:

• Stel de BV parameter in op de Zener-spanning (bijv. .model D1N4469 D (BV=15 IBV=17m)). Dit is de eenvoudigste benadering.
• Gebruik een subcircuit met een diodeklemmer die de doorbraakspanning dwingt (zie het subcircuit hieronder voor een 1N4477A model).

Voorbeeld subcircuit:

 .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 

Voor tunnel-diodes kan een paar JFETs de negatieve differentiële weerstandsregio emuleren, zoals getoond in referentie [KHM]. Op dezelfde manier kan een Gunn-diode gemodelleerd worden met twee JFETs om het microgolf oscillatiegedrag vast te leggen ([ISG]).

Kernpunten

• Gebruik het diode element om het apparaat te verbinden; het .model statement definieert het elektrisch gedrag.
• Statische parameters (N, IS, RS) domineren laag-frequentie prestaties; omgekeerde doorbraak specs (BV, IBV) zijn van belang voor hoogspanningstoepassingen.
• Dynamisch gedrag hangt af van TT en CJO; neem ze op voor accurate transiente simulaties.
• Fabrikant-geleverde modellen zijn te prefereren; indien onbeschikbaar, afleiden uit datasheet data of empirische metingen.