简便、准确地确定晶体管SPICE模型参数

2020年1月24日

艾萨克·牛顿爵士受启发学习万有引力的漫画

我一直对那些提出了改变我们思考或生活方式的想法的人的激励故事很感兴趣。在许多情况下，似乎没有明显的途径导致这些启示;相反，它们似乎是自然而然地显现出来的。在其他时候，相当普通的事情也可以成为灵感的来源。例如，观察掉落的苹果是一种激励艾萨克·牛顿爵士寻找物体下落路径的答案，这最终导致了我们对现在所谓的经典物理学的基本理解。

经典物理学对行星体运动的研究和解释，需要使用模型和数学来模拟物理行为，而不是在实验验证之前。如今几乎所有的研究、设计和开发都采用了同样的方法;包括电路和电子元件。毫无疑问，电子元件建模的标准;比如晶体管，就是SPICE。该工具不仅可以用来模拟晶体管的行为，而且可以轻松准确地确定晶体管的参数。在探索如何实现这一点之前，让我们看看一些常见的晶体管模型类型。

晶体管型号的种类

我清楚地记得，曾经有人告诉我，观察晶体管的一个好方法是把它看作两个二极管。二极管由n型和p型组成，n型的大部分载流子是带负电荷的电子，p型的大部分载流子是带正电荷的空穴，材料或区域晶体管可以有三个区域，NPN或PNP。二极管通常也有两种状态:ON和OFF，而晶体管可能有多个状态;如饱和、截止、主动和反向[主动]。类似于二极管的工作点，晶体管有一个工作点或静止点，这是由其直流偏置来定义的。

晶体管的操作并不过于复杂。基本上，只要工作点落在特定的区域内，设备就会在特定的工作状态(例如活动或饱和)下按预期执行。然而，如果工作点跨越到另一个区域，晶体管的工作将会改变。开发晶体管模型是为了定义这些区域的范围，并选择最佳或最优工作点或静止(Q)点，在其周围可以维持工作。

一般来说，晶体管有两类模型:

晶体管大信号模型

这些模型用于根据晶体管的结构来确定其直流偏置。例如，双极结晶体管(bjt)有三种共模配置:

共发射极(CE)-直流电流从集电极流向发射极，从基极流向发射极。交流信号输入应用于底座和输出从收集器。

共用底座(CB)—直流电流从集电极流向发射极，集电极流向基极。交流信号输入应用于发射器，输出来自收集器。

共集电极(CC)-直流电流从基极流向集电极，集电极流向发射极。交流信号输入应用于基极，输出来自发射极。

晶体管的小信号模型

在确定大信号模型后使用小信号模型，以提供更高的精度。当一个小信号被应用时，根据信号的幅值沿I-V特征曲线将工作点移离偏置点。为了正常工作，这种偏离直流工作点的偏差不能导致设备改变其模式;例如，从活动区域进入截止区域。小信号模型通常是双端口，可能是以下常见类型之一:

H-parameters
Hybrid-pi模型
t型

晶体管的大信号和小信号分析都需要选择模型，指定已知或固定值，并对未知参数进行数学求解。这些方程可以从线性方程到边值问题和迭代求解方法。在任何一种情况下，最好使用能够轻松准确地提供解决方案的软件工具。其中最好的是以集成电路为重点的模拟程序，也就是SPICE。

为您的模型轻松确定SPICE模型参数

在许多情况下，晶体管的用途和二极管一样，即用来开关电气或电子电路的开与关。就像二极管一样，这是通过驱动晶体管从一种工作状态到另一种工作状态来实现的。对于这种类型的功能，大信号模型晶体管的参数确定通常是足够的;再加上对给定晶体管结构的了解。再次以BJT为例，在CE配置中，主动区域操作要求IB≠0A;否则，没有集电极电流流过器件，因为它等于基极电流乘以增益(IC = βIB)。

在使用SPICE时，您不需要执行任何数学计算。相反，你可以利用SPICE模型库从器件数据表中获取的数据或由你定义晶体管模型时指定的数据。然后直流偏置曲线，如下所示，是通过简单地模拟包含您的设备的简单电路来获得的。