Modelos SPICE

El programa de simulación de circuitos SPICE permite modelar diodos en simulaciones de circuitos. El modelo de diodo se basa en la caracterización de dispositivos individuales como se describe en una hoja de datos del producto y las características del proceso de fabricación no se enumeran. Se ha extraído cierta información de una hoja de datos 1N4004 en la Figura siguiente.

Extracto de la hoja de datos 1N4004, después de [DI4].

La declaración de diodo comienza con un nombre de elemento de diodo que debe comenzar con "d" más caracteres opcionales. Ejemplos de nombres de elementos de diodos incluyen:d1, d2, dtest, da, db, d101. Dos números de nodo especifican la conexión del ánodo y el cátodo, respectivamente, a otros componentes. Los números de nodo van seguidos de un nombre de modelo, en referencia a una declaración ".model" posterior.

La línea de declaración del modelo comienza con ".model", seguida del nombre del modelo que coincide con una o más declaraciones de diodo. A continuación, una "d" indica que se está modelando un diodo. El resto de la declaración del modelo es una lista de parámetros de diodo opcionales de la forma ParameterName =ParameterValue. Ninguno se utiliza en el ejemplo siguiente. Example2 tiene algunos parámetros definidos. Para obtener una lista de los parámetros de diodos, consulte la Tabla siguiente.

 Forma general:d [nombre] [ánodo] [cátodo] [nombre del modelo] .model ([nombre del modelo] d [parmtr1 =x] [parmtr2 =y]...) Ejemplo:d1 1 2 mod1 .modelo mod1 d Ejemplo 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

El enfoque más fácil de adoptar para un modelo SPICE es el mismo que para una hoja de datos:consulte el sitio web del fabricante. La siguiente tabla enumera los parámetros del modelo para algunos diodos seleccionados. Una estrategia alternativa es construir un modelo SPICE a partir de los parámetros enumerados en la hoja de datos. Una tercera estrategia, que no se considera aquí, es tomar medidas de un dispositivo real. Luego, calcule, compare y ajuste los parámetros SPICE a las medidas.

Parámetros del diodo SPICE

Símbolo Nombre Parámetro Unidades Predeterminado Yo _S ISCorriente de saturación (ecuación de diodo) A1E-14R _S RS Resistencia parásita (resistencia en serie) Ω0nNE Coeficiente de emisión, 1 a 2-1τ _D TT Tiempos de tránsito 0C _D (0) CJO Capacitancia de unión de polarización cero F0φ ₀ VJPotencial de la unión V1mM Coeficiente de clasificación de la unión-0.5--0.33 para la unión graduada linealmente ---- 0.5 para la unión abrupta - E _g EGA Energía de activación:eV1.11 - Si:1.11 ---- Ge:0.67 ---- Schottky:0.69 - p _i Exponente de temperatura XTIIS-3.0 - unión pn:3.0 ---- Schottky:2.0 - k _f KFFeficiente de ruido de parpadeo-0a _f AF Exponente de ruido parpadeante-1FCFC Coeficiente de capacitancia de agotamiento de polarización directa-0.5BVBV Tensión de ruptura inversa V∞IBVIBV Corriente de ruptura inversa A1E-3

Si los parámetros de diodo no se especifican como en el modelo de "Ejemplo" anterior, los parámetros toman los valores predeterminados enumerados en la Tabla anterior y la Tabla siguiente. Estos valores predeterminados modelan diodos de circuito integrado. Estos son ciertamente adecuados para trabajos preliminares con dispositivos discretos. Para trabajos más críticos, utilice los modelos SPICE suministrados por el fabricante [DIn], los proveedores de SPICE y otras fuentes. [smi]

parámetros SPICE para diodos seleccionados; sk =schottky Ge =germanio; más silicio.

Parte ES RS N TT CJO M VJ EG XTI BV IBV Predeterminado1E-1401000.511.113∞1m1N5711 sk315n2.82.031.44n2.00p0.333-0.6927010u1N5712 sk680p121.00350p1.0p0.50.60.69220-1N34 Ge200p84m2.19144n4.82p0.3330.750.67-60835.2u150.64m 75-1N389163n9.6m2110n114p0.2550.6--250-10A04 10A844n2.06m2.064.32u277p0.333 --- 40010u1N4004 1A76.9n42.2m1.454.32u39.8p0.333 --- 4005u1N4004 hoja de datos18.8n-2-30p0.333 --- 4005u

De lo contrario, obtenga algunos de los parámetros de la hoja de datos.

Derivación de los modelos SPICE a partir de hojas de especificaciones

Primero seleccione un valor para el parámetro de especias N entre 1 y 2. Es necesario para la ecuación del diodo (n). Massobrio [PAGM] pág. 9, recomienda ".. n, el coeficiente de emisión suele ser de aproximadamente 2". En la tabla anterior, vemos que los rectificadores de potencia 1N3891 (12 A) y 10A04 (10 A) usan aproximadamente 2. Los primeros cuatro de la tabla no son relevantes porque son señales pequeñas de Schottky, Schottky, germanio y silicio, respectivamente. . La corriente de saturación, IS, se deriva de la ecuación del diodo, un valor de (V _D , Yo _D ) en el gráfico de la Figura anterior, y N =2 (n en la ecuación del 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 a 1 A del gráfico 1 A =I  S  (e 
 (0,925 V) / (2) (26 mV) 
 -1) Yo  S  =18,8E-9 

Los valores numéricos de IS =18.8ny N =2 se ingresan en la última línea de la Tabla anterior para compararlos con el modelo del fabricante para 1N4004, que es considerablemente diferente. RS por defecto es 0 por ahora. Se estimará más adelante. Los parámetros estáticos de CC importantes son N, IS y RS. Rashid [MHR] sugiere que TT, τ _D , el tiempo de tránsito, se aproximará a partir de la carga almacenada de recuperación inversa Q _RR , un parámetro de la hoja de datos (no disponible en nuestra hoja de datos) y I _F , corriente directa.

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

Tomamos el TT =0 predeterminado por falta de Q _RR . Aunque sería razonable tomar TT para un rectificador similar como el 10A04 a 4.32u. El 1N3891 TT no es una opción válida porque es un rectificador de recuperación rápida. CJO, la capacitancia de la unión de polarización cero se estima a partir de V _R frente a C _J gráfico en la Figura anterior. La capacitancia al voltaje más cercano a cero en el gráfico es 30 pF a 1 V. Si se simula una respuesta transitoria de alta velocidad, como en las fuentes de alimentación del regulador de conmutación, se deben proporcionar los parámetros TT y CJO.

El coeficiente de clasificación de la unión M está relacionado con el perfil de dopaje de la unión. Este no es un elemento de la hoja de datos. El valor predeterminado es 0,5 para una unión abrupta. Optamos por M =0.333 correspondiente a una unión graduada linealmente. Los rectificadores de potencia en la Tabla anterior usan valores más bajos para M que 0.5.

Tomamos los valores predeterminados para VJ y EG. Muchos más diodos usan VJ =0.6 que los que se muestran en la Tabla anterior. Sin embargo, el rectificador 10A04 usa el predeterminado, que usamos para nuestro modelo 1N4004 (Da1N4001 en la Tabla anterior). Utilice el EG =1,11 predeterminado para rectificadores y diodos de silicio. La tabla anterior enumera los valores de los diodos schottky y germanio. Tome XTI =3, el coeficiente de temperatura IS predeterminado para dispositivos de silicio. Consulte la Tabla anterior para XTI para diodos Schottky.

La hoja de datos abreviada, Figura anterior, enumera I _R =5 µA @ V _R =400 V, correspondiente a IBV =5u y BV =400 respectivamente. Los parámetros 1n4004 SPICE derivados de la hoja de datos se enumeran en la última línea de la Tabla anterior para compararlos con el modelo del fabricante que se menciona arriba. BV solo es necesario si la simulación excede el voltaje de ruptura inverso del diodo, como es el caso de los diodos Zener. IBV, corriente de ruptura inversa, se omite con frecuencia, pero se puede ingresar si se proporciona con BV.

Comparación de modelos de diodos de diferentes fuentes

La figura siguiente muestra un circuito para comparar el modelo del fabricante, el modelo derivado de la hoja de datos y el modelo predeterminado utilizando parámetros predeterminados. Las tres fuentes ficticias de 0 V son necesarias para la medición de la corriente de diodo. La fuente de 1 V pasa de 0 a 1,4 V en pasos de 0,2 mV. Consulte la declaración .DC en la lista de conexiones en la tabla siguiente. DI1N4004 es el modelo de diodo del fabricante, Da1N4004 es nuestro modelo de diodo derivado.

Circuito SPICE para comparar el modelo del fabricante (D1), el modelo de hoja de datos calculado (D2) y el valor predeterminado modelo (D3).

Parámetros de la lista de red SPICE:(D1) modelo del fabricante DI1N4004, (D2) Da1N40004 derivado de la hoja de datos, (D3) modelo de diodo predeterminado.

 * circuito SPICE <03468.eps> de XCircuit v3.20 D1 1 5 DI1N4004 V1 5 0 0 D2 1 3 Da1N4004 V2 3 0 0 D3 1 4 Por defecto 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) .MODELO 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 Predeterminado D .fin 

Comparamos los tres modelos en la Figura siguiente. ya los datos del gráfico de la hoja de datos en la Tabla siguiente. VD es el voltaje de diodo versus las corrientes de diodo para el modelo del fabricante, nuestro modelo de hoja de datos calculado y el modelo de diodo predeterminado. La última columna “gráfico 1N4004” es de la curva de voltaje versus corriente de la hoja de datos en la Figura anterior que intentamos igualar. La comparación de las corrientes para los tres modelos con la última columna muestra que el modelo predeterminado es bueno a bajas corrientes, el modelo del fabricante es bueno a altas corrientes y nuestro modelo de hoja de datos calculado es lo mejor de todo hasta 1 A. La concordancia es casi perfecta a 1 A porque el cálculo de IS se basa en el voltaje del diodo a 1 A. Nuestro modelo supera en gran medida la corriente de estados por encima de 1 A.

Primera prueba del modelo del fabricante, modelo de hoja de datos calculado y modelo predeterminado.

Comparación del modelo del fabricante, el modelo de hoja de datos calculado y el modelo predeterminado con el gráfico de hoja de datos 1N4004 de V vs I.

 modelo modelo modelo 1N4004 índice gráfico predeterminado de la hoja de datos del fabricante de 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. 

La solución es aumentar RS desde el valor predeterminado RS =0. Cambiar RS de 0 a 8 m en el modelo de la hoja de datos hace que la curva se cruce con 10 A (no se muestra) al mismo voltaje que el modelo del fabricante. Al aumentar RS a 28,6 m, la curva se desplaza más hacia la derecha, como se muestra en la Figura siguiente. Esto tiene el efecto de hacer coincidir más estrechamente nuestro modelo de hoja de datos con el gráfico de la hoja de datos (Figura anterior). La siguiente tabla muestra que la corriente 1.224470e + 01 A a 1.4 V coincide con el gráfico a 12 A. Sin embargo, la corriente a 0.925 V se ha degradado de 1.096870e + 00 arriba a 7.318536e-01.

Segunda prueba para mejorar el modelo de hoja de datos calculado en comparación con el modelo del fabricante y el modelo predeterminado.

Cambiar la declaración del modelo Da1N4004 RS =0 a RS =28.6m disminuye la corriente en VD =1.4 V a 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 hoja de datos del fabricante de 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. 

Ejercicio sugerido para el lector:disminuya N para que la corriente en VD =0.925 V se restaure a 1 A. Esto puede aumentar la corriente (12.2 A) en VD =1.4 V requiriendo un aumento de RS para disminuir la corriente a 12 A.

Diodo Zener: Hay dos enfoques para modelar un diodo zener:establezca el parámetro BV en el voltaje zener en la declaración del modelo, o modele el zener con un subcircuito que contenga un sujetador de diodo ajustado al voltaje zener. Un ejemplo del primer enfoque establece el voltaje de ruptura BV en 15 para el modelo de diodo Zener de 15 V 1n4469 (IBV opcional):

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

El segundo enfoque modela el zener con un subcircuito. Clamper D1 y VZ en la Figura siguiente modela el voltaje de ruptura inversa de 15 V de un diodo Zener 1N4477A. El diodo DR representa la conducción directa del zener en el subcircuito.

.SUBCKT DI-1N4744A 1 2 * Terminales A K D1 1 2 DF DZ 3 1 DR VZ 2 3 13,7 .MODELO 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) .FIN 

El subcircuito del diodo Zener usa abrazadera (D1 y VZ) para modelar el zener.

Diodo de túnel: Un diodo de túnel puede modelarse mediante un par de transistores de efecto de campo (JFET) en un subcircuito SPICE. [KHM] También se muestra un circuito oscilador en esta referencia.

Diodo Gunn: Un diodo Gunn también puede ser modelado por un par de JFET. [ISG] Esta referencia muestra un oscilador de relajación de microondas.

REVISAR:

• Los diodos se describen en SPICE mediante una declaración de componente de diodo que se refiere a la declaración .model. La declaración .model contiene parámetros que describen el diodo. Si no se proporcionan los parámetros, el modelo toma los valores predeterminados.
• Los parámetros de CC estática incluyen N, IS y RS. Parámetros de desglose inverso:BV, IBV.
• La sincronización dinámica precisa requiere parámetros TT y CJO
• Se recomiendan los modelos proporcionados por el fabricante.