Modelos SPICE

O programa de simulação de circuito SPICE fornece diodos de modelagem em simulações de circuito. O modelo de diodo é baseado na caracterização de dispositivos individuais conforme descrito em uma folha de dados do produto e nas características do processo de fabricação não listadas. Algumas informações foram extraídas de uma folha de dados 1N4004 na Figura abaixo.

Trecho da folha de dados 1N4004, após [DI4].

A declaração de diodo começa com um nome de elemento de diodo que deve começar com “d” mais caracteres opcionais. Os exemplos de nomes de elemento de diodo incluem:d1, d2, dtest, da, db, d101. Dois números de nó especificam a conexão do ânodo e do cátodo, respectivamente, a outros componentes. Os números dos nós são seguidos por um nome de modelo, referindo-se a uma declaração “.model” subsequente.

A linha de declaração do modelo começa com “.model”, seguido pelo nome do modelo que corresponde a uma ou mais declarações de diodo. Em seguida, um “d” indica que um diodo está sendo modelado. O restante da instrução do modelo é uma lista de parâmetros opcionais de diodo no formato ParameterName =ParameterValue. Nenhum é usado no exemplo abaixo. Exemplo2 tem alguns parâmetros definidos. Para obter uma lista de parâmetros de diodo, consulte a Tabela abaixo.

 Forma geral:d [nome] [ânodo] [cátodo] [nome do modelo] .model ([modelname] d [parmtr1 =x] [parmtr2 =y]...) Exemplo:d1 1 2 mod1 .model mod1 d Exemplo 2:D2 1 2 Da1N4004 .modelo Da1N4004 D (IS =18,8n RS =0 BV =400 IBV =5,00u CJO =30 M =0,333 N =2) 

Modelos SPICE para diodos

A abordagem mais fácil para um modelo SPICE é a mesma que para uma folha de dados:consulte o site do fabricante. A tabela abaixo lista os parâmetros do modelo para alguns diodos selecionados. Uma estratégia de fallback é construir um modelo SPICE a partir dos parâmetros listados na planilha de dados. Uma terceira estratégia, não considerada aqui, é fazer medições de um dispositivo real. Em seguida, calcule, compare e ajuste os parâmetros SPICE para as medições.

Parâmetros de diodo SPICE
Símbolo Nome Parâmetro Unidades Padrão I _S IS Corrente de saturação (equação de diodo) A1E-14R _S RSResistência parsítica (resistência em série) Ω0nNE coeficiente de transmissão, 1 a 2-1τ _D TT Transit times0C _D (0) CJO capacitância de junção de polarização zeroF0φ ₀ VJ Potencial de função V1mM; coeficiente de graduação de função-0,5--0,33 para junção graduada linearmente ---- 0,5 para junção abrupta - E _g Energia de ativação:eV1.11 - Si:1,11 ---- Ge:0,67 ---- Schottky:0,69 - p _i XTIIS expoente de temperatura 3.0 - junção pn:3.0 ---- Schottky:2.0 - k _f Coeficiente de ruído KFFlicker-0a _f AFFlicker ruído expoente-1FCFCForward bias depleção capacitância coeficiente-0,5BVBVTensão de ruptura reversaV∞IBVIBV Corrente de ruptura reversaA1E-3
Se os parâmetros do diodo não forem especificados como no modelo “Exemplo” acima, os parâmetros assumem os valores padrão listados na Tabela acima e na Tabela abaixo. Esses padrões modelam diodos de circuito integrado. Eles certamente são adequados para o trabalho preliminar com dispositivos discretos. Para um trabalho mais crítico, use os modelos SPICE fornecidos pelo fabricante [DIn], fornecedores SPICE e outras fontes. [smi]

Parâmetros SPICE para diodos selecionados; sk =schottky Ge =germânio; mais silício.
Parte IS RS N TT CJO M VJ EG XTI BV IBV Default1E-1401000.511.113∞1m1N5711 sk315n2.82.031.44n2.00p0.333-0.6927010u1N5712 sk680p121.00350p1.0p0.50.60.69220-1N34 Ge200p84m2.19144n4.82p0.3330.750.67-6015u1N414835p64m1.245.0n4.0p0.2850.6-- 75-1N389163n9.6m2110n114p0.2550.6--250-10A04 10A844n2.06m2.064.32u277p0.333 --- 40010u1N4004 1A76.9n42.2m1.454.32u39.8p0.333 --- 4005u1N4004 folha de dados 18.8n-2-30p033 --- 4005u
Caso contrário, obtenha alguns dos parâmetros da planilha de dados.

Derivando os modelos SPICE das folhas de especificações

Primeiro selecione um valor para o parâmetro de especiaria N entre 1 e 2. É necessário para a equação do diodo (n). Massobrio [PAGM] pp 9, recomenda ".. n, o coeficiente de emissão é geralmente cerca de 2." Na Tabela acima, vemos que os retificadores de potência 1N3891 (12 A) e 10A04 (10 A) usam cerca de 2. Os quatro primeiros na tabela não são relevantes porque são schottky, schottky, germânio e silício de sinal pequeno, respectivamente . A corrente de saturação, IS, é derivada da equação do diodo, um valor de (V _D , I _D ) no gráfico da Figura acima e N =2 (n na equação do diodo).

 I  D  =I  S  (e 
 V  D  / nV  T  
 -1) V  T  =26 mV a 25 
 o 
 C n =2,0 V  D  =0,925 V em 1 A do gráfico 1 A =I  S  (e 
 (0,925 V) / (2) (26 mV) 
 -1) I  S  =18.8E-9 

Os valores numéricos de IS =18,8n e N =2 são inseridos na última linha da Tabela acima para comparação com o modelo do fabricante para 1N4004, que é consideravelmente diferente. O padrão de RS é 0 por enquanto. Será estimado mais tarde. Os parâmetros estáticos DC importantes são N, IS e RS. Rashid [MHR] sugere que TT, τ _D , o tempo de trânsito, pode ser aproximado da carga armazenada de recuperação reversa Q _RR , um parâmetro de folha de dados (não disponível em nossa folha de dados) e I _F , atual para a frente.

 I  D  =I  S  (e 
 V  D  / nV  T  
 -1) τ  D  =Q  RR  / I  F  

Tomamos o TT =0 padrão por falta de Q _RR . Embora seja razoável tomar TT para um retificador semelhante como o 10A04 a 4.32u. O 1N3891 TT não é uma escolha válida porque é um retificador de recuperação rápida. CJO, a capacitância da junção de polarização zero é estimada a partir do V _R vs C _J gráfico na figura acima. A capacitância mais próxima da tensão zero no gráfico é 30 pF a 1 V. Se estiver simulando uma resposta transiente de alta velocidade, como na troca de fontes de alimentação do regulador, os parâmetros TT e CJO devem ser fornecidos.

O coeficiente de graduação da junção M está relacionado ao perfil de dopagem da junção. Este não é um item da planilha de dados. O padrão é 0,5 para uma junção abrupta. Optamos por M =0,333 correspondendo a uma junção graduada linearmente. Os retificadores de potência na Tabela acima usam valores menores para M do que 0,5.

Usamos os valores padrão para VJ e EG. Muitos mais diodos usam VJ =0,6 do que mostrado na Tabela acima. No entanto, o retificador 10A04 usa o padrão, que usamos para nosso modelo 1N4004 (Da1N4001 na tabela acima). Use o padrão EG =1,11 para diodos e retificadores de silício. A tabela acima lista os valores para diodos schottky e germânio. Pegue o XTI =3, o coeficiente de temperatura IS padrão para dispositivos de silício. Consulte a tabela acima para XTI para diodos Schottky.

A folha de dados abreviada, Figura acima, lista I _R =5 µA @ V _R =400 V, correspondendo a IBV =5u e BV =400 respectivamente. Os parâmetros 1n4004 SPICE derivados da planilha de dados estão listados na última linha da Tabela acima para comparação com o modelo do fabricante listado acima dela. BV só é necessário se a simulação exceder a tensão de ruptura reversa do diodo, como é o caso dos diodos zener. IBV, corrente de ruptura reversa, é freqüentemente omitido, mas pode ser inserido se fornecido com BV.

Comparando Modelos de Diodo de Fontes Diferentes

A figura abaixo mostra um circuito para comparar o modelo do fabricante, o modelo derivado da folha de dados e o modelo padrão usando parâmetros padrão. As três fontes falsas de 0 V são necessárias para a medição da corrente do diodo. A fonte de 1 V é varrida de 0 a 1,4 V em etapas de 0,2 mV. Consulte a instrução .DC na netlist na Tabela abaixo. DI1N4004 é o modelo de diodo do fabricante, Da1N4004 é o nosso modelo de diodo derivado.

Circuito SPICE para comparação do modelo do fabricante (D1), modelo calculado da folha de dados (D2) e padrão modelo (D3).

Parâmetros da netlist SPICE:(D1) modelo do fabricante DI1N4004, (D2) Da1N40004 derivado de folha de dados, modelo de diodo padrão (D3).

 * circuito SPICE <03468.eps> do XCircuit v3.20 D1 1 5 DI1N4004 V1 5 0 0 D2 1 3 Da1N4004 V2 3 0 0 D3 1 4 Padrão V3 4 0 0 V4 1 0 1 .DC V4 0 1400mV 0,2m .modelo 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 Padrão D .fim 

Comparamos os três modelos na Figura abaixo. e para os dados do gráfico da folha de dados na Tabela abaixo. VD é a tensão do diodo versus as correntes do diodo para o modelo do fabricante, nosso modelo de folha de dados calculado e o modelo de diodo padrão. A última coluna “gráfico 1N4004” é da ficha de dados da curva de tensão versus corrente na figura acima, que tentamos fazer a correspondência. A comparação das correntes para os três modelos da última coluna mostra que o modelo padrão é bom com correntes baixas, o modelo do fabricante é bom com correntes altas e nosso modelo de folha de dados calculado é o melhor de todos até 1 A. A concordância é quase perfeita em 1 A porque o cálculo IS é baseado na tensão do diodo em 1 A. Nosso modelo grosseiramente sobre os estados de corrente acima de 1 A.

Primeiro teste do modelo do fabricante, modelo de folha de dados calculado e modelo padrão.

Comparação do modelo do fabricante, modelo calculado da folha de dados e modelo padrão com o gráfico da folha de dados 1N4004 de V vs I.

 modelo modelo modelo 1N4004 índice gráfico padrão da folha de dados do fabricante do VD 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 1.200000e + 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 3.220203e + 09 12. 

A solução é aumentar o RS do padrão RS =0. Alterar RS de 0 para 8m no modelo de folha de dados faz com que a curva intercepte 10 A (não mostrado) na mesma tensão que o modelo do fabricante. Aumentar RS para 28,6m desloca a curva ainda mais para a direita, conforme mostrado na Figura abaixo. Isso tem o efeito de corresponder mais de perto o nosso modelo de folha de dados ao gráfico de folha de dados (Figura acima). A tabela abaixo mostra que a corrente 1.224470e + 01 A em 1,4 V corresponde ao gráfico em 12 A. No entanto, a corrente em 0,925 V degradou de 1,096870e + 00 acima para 7,318536e-01.

Segundo teste para melhorar o modelo de folha de dados calculado em comparação com o modelo do fabricante e o modelo padrão.

Alterar a declaração do modelo Da1N4004 RS =0 para RS =28,6m diminui a corrente em VD =1,4 V para 12,2 A.

 .modelo Da1N4004 D (IS =18,8n RS =28,6m BV =400 IBV =5,00u CJO =30 + M =0,333 N =2,0 TT =0) modelo modelo 1N4001 índice gráfico de folha de dados do fabricante do VD 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 1.200000e + 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. 

Exercício sugerido para o leitor:diminuir N para que a corrente em VD =0,925 V seja restaurada para 1 A. Isso pode aumentar a corrente (12,2 A) em VD =1,4 V, exigindo um aumento de RS para diminuir a corrente para 12 A.

Diodo Zener: Existem duas abordagens para modelar um diodo zener:definir o parâmetro BV para a tensão zener na declaração do modelo, ou modelar o zener com um subcircuito contendo um grampo de diodo definido para a tensão zener. Um exemplo da primeira abordagem define a tensão de ruptura BV para 15 para o modelo de diodo zener 1n4469 15 V (IBV opcional):

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

A segunda abordagem modela o zener com um subcircuito. O clamper D1 e VZ na figura abaixo modela a tensão de ruptura reversa de 15 V de um diodo zener 1N4477A. O diodo DR é responsável pela condução direta do zener no subcircuito.

.SUBCKT DI-1N4744A 1 2 * Terminais 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) .FIM 

Subcircuito de diodo Zener usa clamper (D1 e VZ) para modelar zener.

Díodo de túnel: Um diodo de túnel pode ser modelado por um par de transistores de efeito de campo (JFET) em um subcircuito SPICE. [KHM] Um circuito oscilador também é mostrado nesta referência.

Diodo Gunn: Um diodo Gunn também pode ser modelado por um par de JFETs. [ISG] Esta referência mostra um oscilador de relaxação de micro-ondas.

REVER:

• Os diodos são descritos no SPICE por uma declaração do componente do diodo referindo-se à declaração .model. A instrução .model contém parâmetros que descrevem o diodo. Se os parâmetros não forem fornecidos, o modelo assume os valores padrão.
• Os parâmetros DC estáticos incluem N, IS e RS. Parâmetros de decomposição reversa:BV, IBV.
• O tempo dinâmico preciso requer parâmetros TT e CJO
• Os modelos fornecidos pelo fabricante são altamente recomendados.