SPICE半导体元件模型参数

2020年6月23日

关键的外卖

在模拟中使用的每个组件都有一个SPICE模型，该模型具有一组定义电行为的参数。
SPICE模型参数需要为特定的组件定义，以便模拟它们的电行为。
如果您正在为专门的组件构建模型，则需要从组件数据表中定义模型参数。

SPICE模型参数用于电路仿真

这个布局中的每个组件都需要一个SPICE模型，以便在原理图中进行电路模拟。

如果你需要的每个组件都包含一个SPICE模型，用于瞬时电路模拟，这不是很好吗?但情况并非总是如此。常用元件和无源通常有简单的模型，将输出电压和/或电流定义为输入信号的函数。这些模型可能将阻抗(例如电容和电感)定义为频率的函数，这允许交流模拟。不幸的是，复杂的组件可能不包括SPICE模型，如果您想在电路模拟中使用它们，您将需要为组件构建一个SPICE模型。

如果您正在使用正确的设计软件，SPICE模拟将在您将组件连接到电路之后在您的原理图中开始。创建涉及复杂组件的模拟需要为原理图中的每个组件定义SPICE模型参数。然后使用SPICE模型用数值技术构建和求解标准电路模型。

模拟完成后，您将收到一组显示电行为与输入信号水平(直流扫描或小信号分析)、频率或时间变化的图表。为了在这些类型的模拟中使用SPICE模型，需要为每个域定义模型参数。记住这一点，让我们看看SPICE模型的解剖结构，以及每个SPICE模型参数如何与不同类型的模拟相关。

SPICE模型有什么?

一般来说，有两种类型的SPICE模型:

源:这些描述电路中的电压/电流源，可以建模为瞬态波、分段线性波、正弦波、脉冲波、方波、三角形波或锯齿波。可以将源建模为依赖源或独立源。
组件:这些组件从源或从另一个组件的输出接收输入。组件是使用终端定义的，并且SPICE模型中的相关终端应该与原理图上的组件引脚相匹配。

SPICE模型的每一个方面都是使用具有特定语法的文本定义的。设计人员的工作是在SPICE模型文件中为组件或子电路定义这些不同的源，然后将它们分配给原理图中的一个组件或电路块。

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注释和续行

这里有一些基本的语法规则，可以帮助你理解SPICE模型文件中的内容:

注释行:以星号(*)开头的行被注释掉，模拟程序不读取。如果分号(;)放在行中间，分号之后的所有内容都会被注释。
连续行:如果一行以加号(+)开头，这一行意味着是前一行的继续。这是将每个SPICE模型参数指示为组件模型的一部分的标准用法。SPICE模型参数是为使用这些连续行的模型定义的。

SPICE模型以描述正在创建的电路或组件的注释文本行开始。这些行可能包含作者信息、修订日期或编号，以及用户理解模型所需的任何其他信息。

SPICE网表是对电路元件的描述的合并。它通常包含一个对象列表，例如:电路元素的字母、节点寄存器、模型名称，然后是相应的组件值。例如，MOSFET可能具有漏极、栅极、源极和体，以及长度和宽度值、阈值电压和跨导参数。

模型和子电路

这两个术语有时可以互换使用，但它们是完全不同的。SPICE模型使用数学方程从给定的输入集和SPICE模型参数生成输出电压/电流。模型可以用来定义标准电路元件(如BJT或二极管)的自定义输入，或者模型作者可以写出一个方程来定义输入、输出和模型参数之间的关系。所有SPICE模型都是使用. model语句声明的。

子电路是由标准电路元件组成的电路的文本表示形式。包含一组标准组件的原理图可以导出为子电路，有时称为网表，然后可以分配给您的专用组件。如果一个文件有两个子电路(SCKT1和SCKT2)，这两个子电路都调用第三个子电路(SCKT3)，那么可以将SCKT3作为单独的子电路写入同一文件中。所有SPICE子电路都使用. subckt语句声明。

具有SPICE模型参数的SPICE子电路

示例SPICE子电路和网络列表

SPICE模型参数示例

一些常见组件可能具有具有多个参数的非常复杂的SPICE模型。这些参数可能不明显，简单地看示意图符号，但他们很快变得明显，当看到描述电输入/输出关系的方程。这里有一些更复杂的SPICE模型参数的例子，你可以找到晶体管，它们构成了你需要为你的组件构建的许多SPICE子电路的基础。

大和小信号晶体管模型

晶体管将使用两种不同的SPICE模型，取决于晶体管是否将在大信号或小信号状态．当输入加到基极(或mosfet的栅)上时，工作点沿晶体管负载线从偏置点移开。小信号参数描述了当工作点在直流偏置点附近的线性区域内移动时晶体管的响应。如果将交流信号应用到基极/栅上，这一点很重要，因为较大的幅值将导致集电极/源电流饱和。

如果你的晶体管将运行从线性体制到饱和的任何地方，你将需要定义大信号模型参数的晶体管作为你的子电路的一部分。bjt的全套28个SPICE模型参数允许您在线性和饱和区域建模晶体管行为。相关的模型参数旨在捕获晶体管的以下方面:

材料特性:包括电子带隙、输运饱和电流、掺杂梯度和内置电压等方面。
温度系数:这些值定义了模型中的电参数如何随着功率在通道中耗散而变化。
零偏置电容:需要定义基极发射极和基极集电极电容，以及正向偏置损耗电容系数。

一旦为SPICE模型定义了这些参数，就可以通过引用晶体管模型为组件构建子电路。

SiC场效电晶体

SiC mosfet的SPICE模型参数类似于大信号晶体管模型参数，但它们也包括通道几何形状和更基本的材料参数。对材料参数如迁移率和栅氧化层厚度的更多关注是重要的，因为碳化硅mosfet没有单一的模型。用不同的模型来描述SiC mosfet和SiC- gan mosfet，每个都需要不同的参数。由于这些组件是如此新的，用SPICE模型描述这些组件仍然是研究界的一个重要课题。一些SiC mosfet制造商为其组件提供SPICE模型，然后可以通过编辑SPICE模型文件来建模类似的组件。

MOSFET SPICE模型参数

这种MOSFET的SPICE模型参数是广泛的。

二极管模型

虽然你们可能在电子101课上听过二极管作为简单的组件，半导体的内部结构意味着这些组件可以相当复杂。总的来说，二极管需要15个SPICE模型参数来精确描述电行为。这15个参数同样适用于肖特基二极管和pn二极管．一些例子包括击穿电压和电流、饱和电流和引线电阻。最后一点对于真正的二极管来说是非常重要的，因为这将降低二极管半导体部分的总电压降。

更复杂的组件

诸如光电晶体管、CCD阵列、adc和继电器等元件可以用子电路或现象学模型来描述。您需要采取的方法取决于组件的复杂性，以及数据表中是否有足够的信息来建立精确的电气模型。走现象学路线是最简单的，因为您只是生成一个方程(通常是多项式)，从数据表中再现一些性能图。然而，当设备运行在用于为组件建立数学模型的范围之外时，就有产生一些错误的风险。

你能在SPICE模型中包含其他寄生虫吗?

非常简单，您可以在SPICE模型或子电路中包含寄生。对于子电路，从原理图生成的网表需要在电路图中包含寄生元件。例子包括寄生电容元件中导体之间、引线电感和电感器的直流电阻之间。您生成的网络列表将自动包含这些元素。

对于大多数SPICE模拟器中的SPICE模型，您需要显式地将模型中的寄生定义为具有特定值的参数。然后它们将被您的模型用于在电路模拟中生成输出。这些模型在文本级别上可能变得相当复杂，因为在一个组件的标准模型中包含寄生，需要重新制定该组件的电路模型。注意，这些寄生只为组件定义;它们没有链接回你的PCB布局。

重要的是，在PSpice中，您可以动态地向选定的理想组件添加寄生，并快速模拟这些结果。这将大大加快您的流程。

高质量的布局工具将能够在PCB布局中为您提取这些寄生体，因此并不总是需要在电路模拟中包含它们。例如，这对于确定整个PCB布局的阻抗非常重要，这取决于迹线几何形状和基片介电常数，而不是取决于SPICE模型。为了与组件进行最佳的阻抗匹配，可以对电路使用SPICE模拟，通过频率扫描确定输入阻抗，然后将此作为设计目标，确定阻抗匹配所需的轨迹尺寸。

LDO稳压器电路图