SPICE-modellen

Het SPICE-circuitsimulatieprogramma voorziet in het modelleren van diodes in circuitsimulaties. Het diodemodel is gebaseerd op de karakterisering van individuele apparaten zoals beschreven in een productgegevensblad en op kenmerken van het fabricageproces die niet worden vermeld. Sommige informatie is geëxtraheerd uit een 1N4004-gegevensblad in onderstaande afbeelding.

Gegevensblad 1N4004 uittreksel, na [DI4].

De diode-instructie begint met een diode-elementnaam die moet beginnen met "d" plus optionele tekens. Voorbeelden van namen van diode-elementen zijn:d1, d2, dtest, da, db, d101. Twee knooppuntnummers specificeren de verbinding van respectievelijk de anode en kathode met andere componenten. De knooppuntnummers worden gevolgd door een modelnaam, verwijzend naar een volgende ".model"-instructie.

De regel van de modelverklaring begint met ".model", gevolgd door de modelnaam die overeenkomt met een of meer diodeverklaringen. Vervolgens geeft een "d" aan dat een diode wordt gemodelleerd. De rest van de modelverklaring is een lijst met optionele diodeparameters in de vorm ParameterName=ParameterValue. Geen worden gebruikt in het onderstaande voorbeeld. Voorbeeld2 heeft een aantal parameters gedefinieerd. Zie onderstaande tabel voor een lijst met diodeparameters.

 Algemene vorm:d[naam] [anode] [kathode] [modelnaam] .model ([modelnaam] d [parmtr1=x] [parmtr2=y] . . .) Voorbeeld:d1 1 2 mod1 .model mod1 d Voorbeeld 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) 

SPICE-modellen voor diodes

De eenvoudigste aanpak voor een SPICE-model is dezelfde als voor een gegevensblad:raadpleeg de website van de fabrikant. De onderstaande tabel geeft een overzicht van de modelparameters voor enkele geselecteerde diodes. Een terugvalstrategie is om een ​​SPICE-model te bouwen op basis van de parameters die op het gegevensblad worden vermeld. Een derde strategie, die hier niet wordt beschouwd, is het meten van een echt apparaat. Bereken, vergelijk en pas vervolgens de SPICE-parameters aan de metingen aan.

Diode SPICE-parameters

Symbool Naam Parameter Eenheden Standaard Ik_S ISSaturatiestroom (diodevergelijking)A1E-14R_S RSparsitaire weerstand (serieweerstand)Ω0nNEmissiecoëfficiënt, 1 tot 2-1τ_D TTTransittijden0C_D (0)CJOZero-bias junctiecapaciteitF0φ₀ VJJunction-potentiaalV1mMJunction-classificatiecoëfficiënt-0,5--0,33 voor lineair gegradeerde kruising---0,5 voor abrupte kruising--E_g EGActiveringsenergie:eV1.11--Si:1.11----Ge:0.67----Schottky:0.69--p_i XTIIS temperatuur exponent-3.0--pn junctie:3.0----Schottky:2.0--k_f KFFlicker-ruiscoëfficiënt-0a_f AFFlicker noise exponent-1FCFCForward bias uitputtingscapaciteit coëfficiënt-0.5BVBVOmgekeerde doorslagspanningV∞IBVIBVomgekeerde doorslagstroomA1E-3

Als de diodeparameters niet zijn gespecificeerd zoals in het "Voorbeeld"-model hierboven, nemen de parameters de standaardwaarden aan die in de bovenstaande tabel en onderstaande tabel worden vermeld. Deze standaardmodellen zijn diodes met geïntegreerde schakelingen. Deze zijn zeker geschikt voor voorbereidend werk met discrete apparaten. Gebruik voor meer kritisch werk SPICE-modellen die zijn geleverd door de fabrikant [DIn], SPICE-leveranciers en andere bronnen. [smi]

SPICE-parameters voor geselecteerde diodes; sk=schottky Ge=germanium; anders silicium.

Deel IS RS N TT CJO M VJ EG XTI BV IBV Standaard1E-140100.511.113∞1m1N5711 sk315n2.82.031.44n2.00p0.333-0.6927010u1N5712 sk680p121.00350p1.0p0.50.60.69220-1N34 Ge200p84m2.19144n4.82p0.3330.750.67-6015u1N414835p64m1.245.0n4.0-60 75-1N389163n9.6m2110n114p0.2550.6--250-10A04 10A844n2.06m2.064.32u277p0.333---40010u1N4004 1A76.9n42.2m1.454.32u39.8p0.333---4005u1N4004 gegevensblad18.8n-2-30p0.333 ---4005u

Leid anders enkele parameters af van het gegevensblad.

De SPICE-modellen afleiden uit specificatiebladen

Selecteer eerst een waarde voor specerijparameter N tussen 1 en 2. Deze is vereist voor de diodevergelijking (n). Massobrio [PAGM] pp 9, beveelt aan ".. n, de emissiecoëfficiënt is meestal ongeveer 2." In de bovenstaande tabel zien we dat de gelijkrichters 1N3891 (12 A) en 10A04 (10 A) beide ongeveer 2 gebruiken. De eerste vier in de tabel zijn niet relevant omdat ze respectievelijk schottky, schottky, germanium en silicium klein signaal zijn. . De verzadigingsstroom, IS, wordt afgeleid van de diodevergelijking, een waarde van (V_D , I_D ) in de grafiek in bovenstaande afbeelding, en N=2 (n in de diodevergelijking).

 ID =IS (e
VD /nVT 
 -1) VT =26 mV bij 25
o
 C n =2,0 VD =0,925 V bij 1 A uit grafiek 1 A =IS (e
(0,925 V)/(2)(26 mV)
 -1) IkS =18.8E-9 

De numerieke waarden van IS=18,8n en N=2 zijn ingevoerd in de laatste regel van de bovenstaande tabel ter vergelijking met het model van de fabrikant voor 1N4004, dat aanzienlijk verschilt. RS staat voorlopig standaard op 0. Het wordt later geschat. De belangrijke statische DC-parameters zijn N, IS en RS. Rashid [MHR] suggereert dat TT, τ_D , de transittijd, worden geschat op basis van de opgeslagen lading in omgekeerde richting Q_RR , een gegevensbladparameter (niet beschikbaar op ons gegevensblad) en I_F , voorwaartse stroom.

 ID =IS (e
VD /nVT 
 -1) τD =QRR /IF 

We nemen de standaard TT=0 bij gebrek aan Q_RR . Hoewel het redelijk zou zijn om TT te nemen voor een vergelijkbare gelijkrichter zoals de 10A04 op 4.32u. De 1N3891 TT is geen geldige keuze omdat het een snelherstel-gelijkrichter is. CJO, de nul-bias junctiecapaciteit wordt geschat op basis van de V_R vs C_J grafiek in figuur hierboven. De capaciteit bij de spanning die het dichtst bij nul in de grafiek ligt, is 30 pF bij 1 V. Als een snelle transiënte respons wordt gesimuleerd, zoals bij schakelende voedingen voor regelaars, moeten TT- en CJO-parameters worden opgegeven.

De junction graderingscoëfficiënt M is gerelateerd aan het doteringsprofiel van de junctie. Dit is geen gegevensbladitem. De standaardwaarde is 0,5 voor een abrupte kruising. We kiezen voor M=0.333 overeenkomend met een lineair gegradeerde kruising. De gelijkrichters in de bovenstaande tabel gebruiken lagere waarden voor M dan 0,5.

We nemen de standaardwaarden voor VJ en EG. Veel meer diodes gebruiken VJ=0,6 dan weergegeven in de bovenstaande tabel. De 10A04-gelijkrichter gebruikt echter de standaardwaarde, die we gebruiken voor ons 1N4004-model (Da1N4001 in bovenstaande tabel). Gebruik de standaard EG=1.11 voor siliciumdiodes en gelijkrichters. De bovenstaande tabel bevat waarden voor schottky- en germaniumdiodes. Neem de XTI=3, de standaard IS-temperatuurcoëfficiënt voor siliciumapparaten. Zie bovenstaande tabel voor XTI voor schottky-diodes.

Het verkorte gegevensblad, Afbeelding hierboven, vermeldt I_R =5 µA @ V_R =400 V, overeenkomend met respectievelijk IBV=5u en BV=400. De 1n4004 SPICE-parameters die zijn afgeleid van het gegevensblad, worden vermeld in de laatste regel van de bovenstaande tabel ter vergelijking met het hierboven vermelde model van de fabrikant. BV is alleen nodig als de simulatie de doorslagspanning van de diode overschrijdt, zoals het geval is voor zenerdiodes. IBV, omgekeerde doorslagstroom, wordt vaak weggelaten, maar kan worden ingevoerd indien voorzien van BV.

Diodemodellen van verschillende bronnen vergelijken

De onderstaande afbeelding toont een circuit om het model van de fabrikant, het model dat is afgeleid van de datasheet en het standaardmodel met behulp van standaardparameters te vergelijken. De drie dummy 0 V-bronnen zijn nodig voor de diodestroommeting. De 1 V-bron wordt in stappen van 0,2 mV van 0 naar 1,4 V geveegd. Zie .DC-instructie in de netlijst in onderstaande tabel. DI1N4004 is het diodemodel van de fabrikant, Da1N4004 is ons afgeleide diodemodel.

SPICE-circuit voor vergelijking van fabrikantmodel (D1), berekend databladmodel (D2) en standaard model (D3).

SPICE-netlijstparameters:(D1) DI1N4004 fabrikantmodel, (D2) Da1N40004 datasheet afgeleid, (D3) standaard diodemodel.

*SPICE-circuit <03468.eps> van XCircuit v3.20 D1 1 5 DI1N4004 V1 5 0 0 D2 1 3 Da1N4004 V2 3 0 0 D3 1 4 Standaard 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 Standaard D .einde 

We vergelijken de drie modellen in onderstaande figuur. en naar de datasheet-grafiekgegevens in onderstaande tabel. VD is de diodespanning versus de diodestromen voor het model van de fabrikant, ons berekende datasheetmodel en het standaarddiodemodel. De laatste kolom "1N4004-grafiek" is afkomstig uit de spannings- versus stroomcurve van de datasheet in de bovenstaande afbeelding die we proberen te matchen. Vergelijking van de stromen voor de drie modellen met de laatste kolom laat zien dat het standaardmodel goed is bij lage stromen, het model van de fabrikant goed is bij hoge stromen, en ons berekende datasheetmodel is het beste van alles tot 1 A. Overeenkomst is bijna perfect bij 1 A omdat de IS-berekening is gebaseerd op een diodespanning van 1 A. Ons model geeft grofweg meer dan een stroom boven 1 A.

Eerste proef van fabrikantmodel, berekend databladmodel en standaardmodel.

Vergelijking van fabrikantmodel, berekend databladmodel en standaardmodel met 1N4004-databladgrafiek van V vs I.

 modelmodel model 1N4004 index VD fabrikant datasheet standaard grafiek 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 1.20000e+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 3.20203e+09 12. 

De oplossing is om RS te verhogen van de standaard RS=0. Door RS te veranderen van 0 naar 8 m in het datasheetmodel, snijdt de curve 10 A (niet weergegeven) bij dezelfde spanning als het model van de fabrikant. Als de RS tot 28,6 m wordt verhoogd, verschuift de curve verder naar rechts, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding. Dit heeft tot gevolg dat ons datasheetmodel beter overeenkomt met de datasheetgrafiek (Figuur hierboven). De onderstaande tabel laat zien dat de stroom 1.224470e+01 A bij 1,4 V overeenkomt met de grafiek bij 12 A. De stroom bij 0,925 V is echter afgenomen van 1,096870e+00 hierboven tot 7,318536e-01.

Tweede proef om het berekende datasheetmodel te verbeteren in vergelijking met het model van de fabrikant en het standaardmodel.

Het wijzigen van de Da1N4004-modelverklaring RS=0 naar RS=28,6 m verlaagt de stroom bij VD=1,4 ​​V naar 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) modelmodel 1N4001 index VD fabrikant datasheet grafiek 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 1.20000e+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. 

Voorgestelde oefening van de lezer:verlaag N zodat de stroom bij VD=0,925 V wordt hersteld tot 1 A. Dit kan de stroom (12,2 A) bij VD=1,4 ​​V verhogen, waarbij een verhoging van RS nodig is om de stroom te verlagen tot 12 A.

Zenerdiode: Er zijn twee benaderingen voor het modelleren van een zenerdiode:stel de BV-parameter in op de zenerspanning in de modelverklaring, of modelleer de zener met een subcircuit dat een diodeklem bevat die is ingesteld op de zenerspanning. Een voorbeeld van de eerste benadering stelt de doorslagspanning BV in op 15 voor het 1n4469 15 V zenerdiodemodel (IBV optioneel):

 .model D1N4469 D ( BV=15 IBV=17m) 

De tweede benadering modelleert de zener met een subcircuit. Klem D1 en VZ in onderstaande afbeelding modelleren de 15 V omgekeerde doorslagspanning van een 1N4477A zenerdiode. Diode DR is verantwoordelijk voor de voorwaartse geleiding van de zener in het subcircuit.

.SUBCKT DI-1N4744A 1 2 * Klemmen 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) .EINDE 

Zenerdiode-subcircuit gebruikt klem (D1 en VZ) om zener te modelleren.

Tunneldiode: Een tunneldiode kan worden gemodelleerd door een paar veldeffecttransistoren (JFET) in een SPICE-subcircuit. [KHM] In deze referentie wordt ook een oscillatorcircuit getoond.

Gunndiode: Een Gunn-diode kan ook worden gemodelleerd door een paar JFET's. [ISG] Deze referentie toont een microgolfrelaxatieoscillator.

BEOORDELING:

• Diodes worden in SPICE beschreven door een diodecomponentverklaring die verwijst naar de .modelverklaring. De .model-instructie bevat parameters die de diode beschrijven. Als er geen parameters worden opgegeven, neemt het model standaardwaarden aan.
• Statische DC-parameters omvatten N, IS en RS. Omgekeerde uitsplitsingsparameters:BV, IBV.
• Nauwkeurige dynamische timing vereist TT- en CJO-parameters
• Modellen geleverd door de fabrikant worden sterk aanbevolen.