Modelagem de Diodos no SPICE: Guia Prático para Simulação Precisa

SPICE é o padrão da indústria para simulação de circuitos, e diodos são um dos componentes mais frequentemente modelados. O comportamento de um diodo é capturado no SPICE através de duas declarações: o elemento do dispositivo e a definição do modelo. A declaração do elemento conecta o diodo ao circuito, enquanto a declaração do modelo especifica suas características elétricas.

Definindo um Diodo no SPICE

Todo elemento diodo deve começar com a letra d seguida por identificador opcional (ex: d1, dtest, d101). Os próximos dois números são os números de nó do ânodo e cátodo. O token final é o nome do modelo que será definido depois.

Exemplo:

 d1 1 2 mod1 

A declaração do modelo correspondente começa com .model, seguido pelo nome do modelo, a palavra-chave d, e então atribuições opcionais de parâmetros na forma Parameter=Value. Parâmetros omitidos assumem valores padrão mostrados nas tabelas abaixo.

Exemplo:

 .model mod1 d 

Exemplo com parâmetros:

 D2 1 2 Da1N4004 .model Da1N4004 D (IS=18.8n RS=0 BV=400 IBV=5.00u CJO=30 M=0.333 N=2) 

Parâmetros-Chave do Diodo

Símbolo	Nome	Parâmetro	Unidades	Padrão
IS	IS	Corrente de saturação (equação do diodo)	A	1E‑14
RS	RS	Resistência parasita (resistência série)	Ω	0
n	N	Coeficiente de emissão, 1 a 2	-	1
τD	TT	Tempo de trânsito	s	0
CD(0)	CJO	Capacitância de junção a viés zero	F	0
ϕ0	VJ	Potencial de junção	V	1
m	M	Coeficiente de graduação de junção	-	0.5
Eg	EG	Energia de ativação (eV)	-	1.11
pi	XTI	Expoente de temperatura de IS	-	3.0
kf	KF	Coeficiente de ruído flicker	-	0
af	AF	Expoente de ruído flicker	-	1
FC	FC	Coeficiente de capacitância de depleção polarizada diretamente	-	0.5
BV	BV	Tensão de ruptura reversa	V	∞
IBV	IBV	Corrente de ruptura reversa	A	1E‑3

Obtendo um Modelo Confiável

A maneira mais precisa de obter modelo SPICE é baixá-lo diretamente do site do fabricante. Se indisponível, você pode construir modelo do datasheet extraindo parâmetros-chave listados acima. Como terceira opção, você pode medir o dispositivo e ajustar parâmetros SPICE à curva I-V medida.

Exemplo de Extração de Parâmetros – 1N4004

Para ilustrar o processo, derivaremos modelo para o retificador comum 1N4004. Começamos selecionando coeficiente de emissão N de 2,0, típico para retificadores de silício. Usando a equação do diodo

 I_D = I_S (e^{V_D/(N V_T)} - 1) 

e o ponto do datasheet (V_D = 0,925 V em I_D = 1 A, V_T = 26 mV a 25 °C) resolvemos para I_S:

 I_S = 18,8 nA 

Outros parâmetros são definidos para seus valores padrão a menos que o datasheet especifique de outra forma:

• RS = 0 Ω (inicialmente, ajustado depois para melhor ajuste)
• TT = 0 s (sem dados Q_RR disponíveis)
• CJO = 30 pF (do gráfico V_R‑C_J)
• M = 0,333 (junção linearmente graduada)
• VJ = 1 V, EG = 1,11 eV, XTI = 3,0
• BV = 400 V, IBV = 5 µA (especificações de ruptura reversa)

Declaração de modelo resultante:

 .model Da1N4004 D (IS=18.8n RS=0 BV=400 IBV=5.00u CJO=30 +M=0.333 N=2.0 TT=0) 

Ajuste Fino do Modelo

Ao comparar modelo derivado ao modelo do fabricante e curva I-V do datasheet, notamos que corrente a 1,4 V excedia especificação (12 A). Ajustando resistência série para 28,6 mΩ trouxe curva para alinhamento a 1,4 V mantendo ponto de 1 A. Ajuste fino adicional pode ser alcançado iterando N e RS até curva simulada corresponder curva do datasheet em toda faixa.

Comparando Modelos

O seguinte circuito SPICE demonstra os três modelos em paralelo para fácil comparação:

Circuito SPICE para comparar modelos do fabricante, derivado do datasheet, e padrão.

Excerto da netlist:

 *SPICE circuit <03468.eps> from XCircuit v3.20 D1 1 5 DI1N4004 V1 5 0 0 D2 1 3 Da1N4004 V2 3 0 0 D3 1 4 Default V3 4 0 0 V4 1 0 1 .DC V4 0 1400mV 0.2m .MODEL Da1N4004 D (IS=18.8n RS=28.6m 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 Default D .END 

Diodos Zener, Tunelamento e Gunn

Para diodos Zener, duas estratégias de modelagem existem:

• Definir parâmetro BV para tensão Zener (ex: .model D1N4469 D (BV=15 IBV=17m)). Esta é a abordagem mais simples.
• Usar subcircuito com diodo clamp que força tensão de ruptura (veja subcircuito abaixo para modelo 1N4477A).

Exemplo 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) .END 

Para diodos de tunelamento, um par de JFETs pode emular região de resistência diferencial negativa, como mostrado na referência [KHM]. Similarmente, um diodo Gunn pode ser modelado com dois JFETs para capturar seu comportamento de oscilação micro-ondas ([ISG]).

Principais Conclusões

• Use elemento diode para conectar dispositivo; declaração .model define seu comportamento elétrico.
• Parâmetros estáticos (N, IS, RS) dominam desempenho baixa frequência; especificações de ruptura reversa (BV, IBV) importam para aplicações alta tensão.
• Comportamento dinâmico depende de TT e CJO; inclua-os para simulações transientes precisas.
• Modelos fornecidos por fabricantes são preferidos; se indisponíveis, derive de dados do datasheet ou medições empíricas.