原创 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

1.3  DC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：

2.1  Ebers-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Ic Ie的工作范围不同，电流方程也各不相同：

2.1.4 Early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。

2.2  Ebers-Moll大信号模型：

2.3      Gummel-Pool静态模型：

2.4    Gummel-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

2.5    BJT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：

3.2.2  PN结电容：

3.3  三级静态模型：

3.2  MOSFET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

4.1  N沟道JFET静态模型：

4.2  JFET大信号模型：

4.3  JFET模型参数表：

五、 GaAs MESFET模型：分两级模型（肖特基结作栅极）

GaAs MESFET模型参数表：

六、 数字器件模型：

6.1  标准门的模型语句： .MODEL <(model)name> UGATE [模型参数]

标准门的延迟参数：

6.2  三态门的模型语句： .MODEL <(model)name> UTGATE [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)name> UEFF [模型参数]

边沿触发器参数：

JKFF  nff  preb,clrb,clkb,j*,k*,g*,gb*        JK触发器，后沿触发

DFF   nff  preb,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)name> UGFF [模型参数]

钟控触发器参数：

SRFF  nff  preb,clrb,gate,s*,r*,q*,qb*        SR触发器，时钟高电平触发

DLTCH  nff  preb,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：

U <name> <pld type> (<#inputs>,<#outputs>) <input_node>* <output_node>#

+<(timing model)name> <(io_model)name> [FILE=<(file name) text value>]

+[DATA=<radix flag>$ <program data>$][MNTYMXDLY=<(delay select)value>]

+[IOLEVEL=<(interface model level)value>]

        其中：<pld type>列表

              <(file name) text value>  JEDEC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

              <radix flag>  是下列字母之一：B 二进制    O 八进制    X 十六进制

              <program data>  程序数据是一个数据序列，初始都为0

    PLD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。

7.1  N模型：数字输入N模型将逻辑状态（1  0  X  Z）转换成相对应的电压、阻抗。

    数字模拟器的N模型语句：

        N <name> <(interface)node> <(low level)node> <(high level)node> <(model)name>

        +DGTLNET=<(digital net)name> <(digital IO model)name> [IS=(initial state)]

    数字文件的N模型语句：

        N <name> <(interface)node> <(low level)node> <(high level)node> <(model)name>

        +[SIGNAME=<(digital signal)name> [IS=(initial state)]

    模型语句：  .MODEL <(model)name> DINPUT [(模型参数)]

模型参数表：

7.2  O模型：将模拟电压转换为逻辑状态（1  0  X  Z），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：

      O <name> <(interface)node> <node> <(model)name>

      +DGTLNET=<(digital net)name> <(digital IO model)name>

  数字文件的O模型语句：

      O <name> <(interface)node> <node> <(model)name>

      +[SIGNAME=<(digital signal)name>

  模型语句：  .MODEL <(model)name> DOUTPUT [(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/2

8.8  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）
8.23 N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：
* Integrator Subcircuit
. Subckt int 1 2
Gi 0 2 1 0 1u
Ci 2 0 1uf
Ro 2 0 1000MEG
.ENDS INT
9.2  电感型微分电路：受控源G的控制电压为Vin，输出电流i

9.3  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

10.4 负值电感：（略）
10.5 负值电容：（略）
10.6 运算放大器：（略）
10.6.1  简单理想运算放大器：电压控制电压源
10.6.2  简单非理想运放宏模型
10.6.3  精确运算放大器宏模型