SPICE的器件模型分析

SPICE的器件模型在介绍SPICE基础知识时介绍了最复杂和重要的电路描述语句，其中就包括元器件描述语句。许多元器件（如二极管、晶体管等）的描述语句中都有模型关键字，而电阻、电容、电源等的描述语句中也有模型名可选项，这些都要求后面配以.MODEL起始的模型描述语句，对这些特殊器件的参数做详细描述。电阻、电容、电源等的模型描述语句语句比较简单，也比较容易理解，在SPICE基础中已介绍，就不再重复了；二极管、双极型晶体管的模型虽也做了些介绍，但不够详细，是本文介绍的重点，以便可以自己制作器件模型；场效应管、数字器件的模型过于复杂，太专业，一般用户自己难以制作模型，只做简单介绍。元器件的模型非常重要，是影响分析精度的重要因素之一。但模型中涉及太多图表，特别是很多数学公式，都是在WORD下编辑后再转为JEPG图像文件的，很繁琐和耗时，所以只能介绍重点。一、二极管模型：1.1理想二极管的I-V特性：1.2实际硅二极管的I-V特性曲线：折线1.3DC大信号模型：1.4电荷存储特性：1.5大信号模型的电荷存储参数Qd：1.6温度模型：1.7二极管模型参数表：二、双极型晶体管BJT模型：2.1Ebers-Moll静态模型：电流注入模式和传输模式两种2.1.1电流注入模式：2.1.2传输模式：2.1.3在不同的工作区域，极电流IcIe的工作范围不同，电流方程也各不相同：2.1.4Early效应：基区宽度调制效应2.1.5带Rc、Re、Rb的传输静态模型：正向参数和反向参数是相对的，基极接法不变，而发射极和集电极互换所对应的两种状态，分别称为正向状态和反向状态，与此对应的参数就分别定义为正向参数和反向参数。2.2Ebers-Moll大信号模型：2.3Gummel-Pool静态模型：2.4Gummel-Pool大信号模型：拓扑结构与Ebers-Moll大信号模型相同，非线性存储元件电压控制电容的方程也相同2.5BJT晶体管模型总参数表：三、金属氧化物半导体晶体管MOSFET模型：3.1一级静态模型：Shichman-Hodges模型3.2二级静态模型（大信号模型）：Meyer模型3.2.1电荷存储效应：3.2.2PN结电容：3.3三级静态模型：3.2MOSFET模型参数表：一级模型理论上复杂，有效参数少，用于精度不高场合，迅速粗略估计电路二级模型可使用复杂程度不同的模型，计算较多，常常不能收敛三级模型精度与二级模型相同，计算时间和重复次数少，某些参数计算比较复杂四级模型BSIM，适用于短沟道（3um）的分析，Berkley在1987年提出四、结型场效应晶体管JFET模型：基于Shichman-Hodges模型4.1N沟道JFET静态模型：4.2JFET大信号模型：4.3JFET模型参数表：五、GaAsMESFET模型：分两级模型（肖特基结作栅极）GaAsMESFET模型参数表：六、数字器件模型：6.1标准门的模型语句：.MODEL(model)nameUGATE[模型参数]标准门的延迟参数：6.2三态门的模型语句：.MODEL(model)nameUTGATE[模型参数]三态门的延迟参数：6.3边沿触发器的模型语句：.MODEL(model)nameUEFF[模型参数]边沿触发器参数：JKFFnffpreb,clrb,clkb,j*,k*,g*,gb*JK触发器，后沿触发DFFnffpreb,clrb,clk,d*,g*,gb*D触发器，前沿触发边沿触发器时间参数：6.4钟控触发器的模型语句：.MODEL(model)nameUGFF[模型参数]钟控触发器参数：SRFFnffpreb,clrb,gate,s*,r*,q*,qb*SR触发器，时钟高电平触发DLTCHnffpreb,clrb,gate,d*,g*,gb*D触发器，时钟高电平触发钟控触发器时间参数：6.5可编程逻辑阵列器件的语句：Unamepldtype(#inputs,#outputs)input_node*output_node#+(timingmodel)name(io_model)name[FILE=(filename)textvalue]+[DATA=radixflag$programdata$][MNTYMXDLY=(delayselect)value]+[IOLEVEL=(interfacemodellevel)value]其中：pldtype列表(filename)textvalueJEDEC格式文件的名称，含有阵列特定的编程数据JEDEC文件指定时，DATA语句数据可忽略radixflag是下列字母之一：B二进制O八进制X十六进制programdata程序数据是一个数据序列，初始都为0PLD时间模型参数：七、数字I/O接口子电路：数字电路与模拟电路连接的界面节点，SPICE自动插入此子电路子电路名（AtoDn和DtoAn）在I/O模型中定义，实现逻辑状态与电压、阻抗之间的转换。7.1N模型：数字输入N模型将逻辑状态（10XZ）转换成相对应的电压、阻抗。数字模拟器的N模型语句：Nname(interface)node(lowlevel)node(highlevel)node(model)name+DGTLNET=(digitalnet)name(digitalIOmodel)name[IS=(initialstate)]数字文件的N模型语句：Nname(interface)node(lowlevel)node(highlevel)node(model)name+[SIGNAME=(digitalsignal)name[IS=(initialstate)]模型语句：.MODEL(model)nameDINPUT[(模型参数)]模型参数表：7.2O模型：将模拟电压转换为逻辑状态（10XZ），形成逻辑器件的输入级。节点状态由接口节点和参考节点之间的电压值决定，将该电压值与当前电压序列进行比较，如果落在当前电压序列中，则新状态与原状态相同；如果不在当前电压序列中，则从S0NAME开始检查，第一个含有该电压值的电压序列可确定为新状态。如果没有电压序列包含这个电压值，则新状态为？（状态未知）。数字模拟器的O模型语句：Oname(interface)nodenode(model)name+DGTLNET=(digitalnet)name(digitalIOmodel)name数字文件的O模型语句：Oname(interface)nodenode(model)name+[SIGNAME=(digitalsignal)name模型语句：.MODEL(model)nameDOUTPUT[(模型参数)]模型参数表：八、数学宏模型：作为电路功能块或实验仪器插入电路系统中，代替或模拟电路系统的部分功能，有24种8.1电压加法器：8.2电压乘法器：8.3电压除法器：8.4电压平方：基本运算方程：8.5理想变压器：8.6电压求平方根：方程8.7三角波/正弦波转换器：三角波峰-峰值为2V，其中C=PI/28.8电压相移：8.9电压积分器：8.10电压微分器：8.11电压绝对值：（略）8.12电压峰值探测器：（略）8.13频率乘法器：8.14频率除法器：8.15频率加法器/减法器：8.16相位探测器：8.17传输线：模拟信号延迟（略）8.18施密特触发器：为避免不收敛，不使用DC扫描，将模型中加入PWL源，产生缓变上升/下降斜波，与瞬态分析效果相同8.19电压取样-保持电路：（略）8.20脉冲宽度调制器：（略）8.21电压幅度调制器：（略）8.22电压对数放大器：（略）8.23N次根提取电路：8.24拉氏变换：（略）九、系统方程宏模型：可作为功能块代替某些未知的电路或不需要分析的电路，插入电路中，使电路系统的分析变得简单明了。9.1积分器子电路：作为求解微分方程组的基本运算部件，可在10MHz下工作子电路描述文件：*IntegratorSubcircuit.Subcktint12Gi02101uCi201ufRo201000MEG.ENDSINT9.2电感型微分电路：受控源G的控制电压为Vin，输出电流i9.3电容型微分电路：9.4网络函数的SPICE模型：高阶网络函数可分解为几个较简单的一阶、二阶函数，用级联和耦合结构来实现十、非线性器件的模型：10.1电容型传感器：检测元件是非线性电容10.2光敏电阻：时变电阻10.3变容二极管：压控电容