SPICE 模型

SPICE 电路仿真程序可用于在电路仿真中对二极管进行建模。二极管模型基于产品数据表中描述的单个器件特性和未列出的制造工艺特性。部分信息摘自下图的1N4004数据表。

数据表 1N4004 摘录，在 [DI4] 之后。

二极管语句以二极管元件名称开头，该名称必须以“d”加上可选字符开头。示例二极管元件名称包括：d1、d2、dtest、da、db、d101。两个节点编号分别指定阳极和阴极与其他组件的连接。节点编号后跟模型名称，指的是后续的“.model”语句。

模型语句行以“.model”开头，后跟与一个或多个二极管语句匹配的模型名称。接下来，“d”表示正在建模的二极管。模型语句的其余部分是 ParameterName=ParameterValue 形式的可选二极管参数列表。没有在下面的示例中使用。 Example2 定义了一些参数。二极管参数列表见下表。

<前> 一般形式：d[名称] [阳极] [阴极] [型号名称] .model ([modelname] d [parmtr1=x] [parmtr2=y] .. .) 示例：d1 1 2 mod1 .model mod1 d 示例 2：D2 1 2 Da1N4004 .model Da1N4004 D (IS=18.8n RS=0 BV=400 IBV=5.00u CJO=30 M=0.333 N=2)

二极管的 SPICE 模型

SPICE 模型最简单的方法与数据表相同：请查阅制造商的网站。下表列出了一些选定二极管的模型参数。后备策略是根据数据表中列出的参数构建 SPICE 模型。此处未考虑的第三种策略是对实际设备进行测量。然后，根据测量值计算、比较和调整 SPICE 参数。

二极管 SPICE 参数

符号 姓名 参数 单位 默认 ISIS饱和电流（二极管方程）A1E-14RSRS寄生电阻（串联电阻）Ω0nNE发射系数，1至2-1τDTT传输次数0CD(0)CJO零偏压结电容F0φ0VJ结电位V1mM结分级系数-0.5--0.33对于a结的线性分级----0-5b结--EgEG激活能：eV1.11--Si：1.11----Ge：0.67----肖特基：0.69--piXTIIS温度指数-3.0--pn结：3.0----肖特基：2.0-- kfKFFlicker 噪声系数-0afAFFlicker 噪声指数-1FCFC 正向偏置耗尽电容系数-0.5BVBV反向击穿电压V∞IBVIBV反向击穿电流A1E-3

如果二极管参数没有在上面的“示例”模型中指定，则参数采用上表和下表中列出的默认值。这些默认值模拟集成电路二极管。这些对于分立器件的初步工作当然足够了 对于更关键的工作，请使用制造商 [DIn]、SPICE 供应商和其他来源提供的 SPICE 模型。 [smi]

所选二极管的 SPICE 参数； sk=肖特基 Ge=锗；其他硅。

部分 是 RS N TT CJO M VJ EG XTI BV IBV Default1E-1401000.511.113∞1m1N5711sk315n2.82.031.44n2.00p0.333-0.6927010u1N5712 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数据sheet18.8n-2-30p0.333 ---4005u

否则，从数据表中导出一些参数。

从规格表中推导出 SPICE 模型

首先为 spice 参数 N 选择一个介于 1 和 2 之间的值。它是二极管方程 (n) 所必需的。 Massobrio [PAGM] 第 9 页，建议“.. n，发射系数通常约为 2。”在上表中，我们看到功率整流器1N3891（12 A）和10A04（10 A）都使用了2左右。表中前四个不相关，因为它们分别是肖特基、肖特基、锗和硅小信号.饱和电流 IS 由二极管方程推导出，上图中的 (VD, ID) 值为 (VD, ID)，N=2（二极管方程中的 n）。

 ID =IS(e
VD/nVT
 -1) VT =26 mV 在 25
o
 C n =2.0 VD =0.925 V at 1 A 来自图表 1 A =IS(e
(0.925 V)/(2)(26 mV)
 -1) IS =18.8E-9 

上表最后一行输入IS=18.8n和N=2的数值，与1N4004的厂家型号比较，差别很大。 RS 现在默认为 0。以后会估计的。重要的直流静态参数是 N、IS 和 RS。 Rashid [MHR] 建议通过反向恢复存储电荷 QRR（数据表参数（我们的数据表中未提供）和 IF（正向电流）近似计算渡越时间 TT、τD）。

 ID =IS(e
VD/nVT
 -1) τD =QRR/IF 

由于缺乏 QRR，我们采用 TT=0 默认值。尽管将 TT 用于类似 4.32u 的 10A04 这样的整流器是合理的。 1N3891 TT 不是一个有效的选择，因为它是一个快速恢复整流器。 CJO，零偏置结电容是根据上图中的 VR 与 CJ 曲线估算的。图中最接近零电压处的电容在 1 V 时为 30 pF。如果模拟高速瞬态响应，如开关稳压电源，必须提供 TT 和 CJO 参数。

结分级系数 M 与结的掺杂分布有关。这不是数据表项目。对于突然连接，默认值为 0.5。我们选择对应于线性渐变结的 M=0.333。上表中的功率整流器使用低于0.5的M值。

我们采用 VJ 和 EG 的默认值。使用 VJ=0.6 的二极管比上表中显示的多得多。然而，10A04 整流器使用默认值，我们将其用于我们的 1N4004 模型（上表中的 Da1N4001）。对于硅二极管和整流器，使用默认的 EG=1.11。上表列出了肖特基二极管和锗二极管的值。取 XTI=3，硅器件的默认 IS 温度系数。肖特基二极管的 XTI 见上表。

缩写数据表（上图）列出了 IR =5 µA @ VR =400 V，分别对应于 IBV=5u 和 BV=400。从数据表得出的 1n4004 SPICE 参数列在上表的最后一行，以便与上面列出的制造商型号进行比较。仅当模拟超过二极管的反向击穿电压时才需要 BV，就像齐纳二极管的情况一样。 IBV（反向击穿电流）经常被省略，但如果提供 BV 则可以输入。

比较不同来源的二极管模型

下图显示了一个电路，用于比较制造商模型、来自数据表的模型和使用默认参数的默认模型。二极管电流测量需要三个虚拟 0 V 源。 1 V 源以 0.2 mV 的步长从 0 到 1.4 V 扫描。请参见下表中网表中的 .DC 语句。 DI1N4004是厂家的二极管型号，Da1N4004是我们派生的二极管型号。

SPICE 电路，用于比较制造商模型 (D1)、计算数据表模型 (D2) 和默认值模型（D3）。

SPICE 网表参数：(D1) DI1N4004 制造商型号，(D2) Da1N40004 数据表导出，(D3) 默认二极管型号。

*SPICE 电路 <03468.eps> 来自 XCircuit v3.20 D1 1 5 DI1N4004 V1 5 0 0 D2 1 3 Da1N4004 V2 3 0 0 D3 1 4 默认 V3 4 0 0 V4 1 0 1 .DC V4 0 1400mV 0.2m .model 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 默认 D 。结尾 

我们在下图中比较了三种模型。以及下表中的数据表图形数据。 VD 是制造商模型、我们计算的数据表模型和默认二极管模型的二极管电压与二极管电流的关系。最后一列“1N4004 图”来自我们试图匹配的上图中的数据表电压与电流曲线。三个模型的电流与最后一列的比较表明，默认模型适合低电流，制造商模型适合高电流，我们计算的数据表模型最好达到 1 A。 一致性几乎完美在 1 A 时，因为 IS 计算基于 1 A 时的二极管电压。我们的模型严重超过了 1 A 以上的电流。

第一次试用制造商模型、计算数据表模型和默认模型。

制造商模型、计算数据表模型和默认模型与 V 与 I 的 1N4004 数据表图的比较。

<前> 型号 型号 1N4004 索引 VD 制造商数据表默认图表 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.

解决方案是从默认的 RS=0 增加 RS。在数据表模型中将 RS 从 0 更改为 8m 会导致曲线在与制造商模型相同的电压下与 10 A（未显示）相交。将 RS 增加到 28.6m 会使曲线进一步向右移动，如下图所示。这具有使我们的数据表模型与数据表图更紧密地匹配的效果（上图）。下表显示 1.4 V 下的电流 1.224470e+01 A 与 12 A 下的图形相匹配。然而，0.925 V 下的电流已从上面的 1.096870e+00 降级到 7.318536e-01。

与制造商模型和默认模型相比改进计算数据表模型的第二次试验。

将 Da1N4004 模型声明 RS=0 更改为 RS=28.6m，将 VD=1.4 V 时的电流降低到 12.2 A。

.model Da1N4004 D (IS=18.8n RS=28.6m BV=400 IBV=5.00u CJO=30 +M=0.333 N=2.0 TT=0) 型号 1N4001 索引 VD 制造商数据表图表 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。 

建议读者练习：降低 N，使 VD=0.925 V 时的电流恢复为 1 A。这可能会增加 VD=1.4 V 时的电流 (12.2 A)，需要增加 RS 以将电流降低至 12 A。

齐纳二极管： 有两种对齐纳二极管建模的方法：在模型语句中将 BV 参数设置为齐纳电压，或者使用包含设置为齐纳电压的二极管钳位器的子电路对齐纳二极管进行建模。第一种方法的示例将 1n4469 15 V 齐纳二极管模型（IBV 可选）的击穿电压 BV 设置为 15：

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

第二种方法使用子电路对齐纳二极管进行建模。下图中的钳位器 D1 和 VZ 模拟了 1N4477A 齐纳二极管的 15 V 反向击穿电压。二极管 DR 负责子电路中齐纳二极管的正向传导。

.SUBCKT DI-1N4744A 1 2 * 端子 A K D1 1 2 DF DZ 3 1 博士 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) 。结尾 

齐纳二极管子电路使用钳位器（D1 和 VZ）来模拟齐纳二极管。

隧道二极管： 隧道二极管可以由 SPICE 子电路中的一对场效应晶体管 (JFET) 建模。 [KHM] 此参考文献中还显示了一个振荡器电路。

耿氏二极管： 耿氏二极管也可以用一对 JFET 建模。 [ISG] 此参考文献展示了一种微波张弛振荡器。

评论：

• 在 SPICE 中，二极管通过引用 .model 语句的二极管组件语句进行描述。 .model 语句包含描述二极管的参数。如果未提供参数，模型将采用默认值。
• 静态直流参数包括 N、IS 和 RS。反向击穿参数：BV、IBV。
• 准确的动态计时需要 TT 和 CJO 参数
• 强烈推荐制造商提供的模型。