Моделирование полупроводникового диода

Министерство образования Российской Федерации

Уральский государственный технический университет - УПИ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА

Методические указания по курсу " Компьютерный анализ электронных схем " для студентов всех форм обучения специальности 20.07 - Радиотехника

Екатеринбург 2001

УДК 621.396.6:681.3

Составитель

Научный редактор доц., канд. техн. наук

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА: Методические указания по курсу "Компьютерный анализ электронных схем”/. Екатеринбург: УПИ-УГТУ, 20с.

Методические указания содержат сведения о математической модели полупроводникового диода, используемой в пакетах прикладных программ PSpice, Micro-Cap, Electronics Workbench, OrCAD и др. при моделировании и анализе аналоговых радиоэлектронных устройств на схемотехническом этапе проектирования. Приведены нелинейные и линеаризованные схемы замещения с включением источников внутреннего шума; уравнения, описывающие статический и динамический режимы, влияние температуры; примеры описания моделей. Предназначены для использования в практических занятиях, лабораторном практикуме и курсовой работе по курсу "Автоматизированное проектирование радиоэлектронных устройств".

Указания рассчитаны на студентов всех форм обучения по специальности 20.07 - Радиотехника.

Библиогр.: 3 назв. Рис.14. Табл.1. Прил. 3.

Подготовлено кафедрой "Радиоэлектроника информационных систем".

© Уральский государственный

технический университет - УПИ, 2001

© Автор, 2001

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1.  МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО

ДИОДА 4

1.1. Статический режим 7

1.2. Инерционные свойства диода 8

1.3. Линеаризованная схема замещения 9

1.4. Температурные зависимости параметров 9

1.5. Скалярный множитель Area 10

2.  ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ SPICE-МОДЕЛИ

ДИОДА С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММЫ PARTS 10

3.  ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ SPICE-МОДЕЛИ

ДИОДА С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММЫ PSPICE MODEL EDITOR 15

4.  ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ SPICE-МОДЕЛИ

ДИОДА С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММЫ MODEL СИСТЕМЫ

MICRO-CAP V 17

5. ЗАДАНИЕ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ 21

6. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА 21

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 21

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Исходные данные для идентификации

spice-параметров диодов 22

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Команды программы Parts 5.1 24

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Команды программы Model Micro-Cap V 25

ВВЕДЕНИЕ

При автоматизированном схемотехническом проектировании радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) необходимо знание математических моделей типовых компонентов - резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности, диодов, транзисторов, интегральных микросхем и т. д. Достоверность результатов расчета и анализа в значительной мере определяется точностью используемых моделей компонентов и прежде всего активных электронных приборов. Выбор той или иной модели представляет собой процесс разрешения противоречия между точностью (сложностью) модели и экономичностью относительно вычислительных ресурсов (процессорного времени, памяти) и целиком определяется знанием, опытом, инженерной интуицией разработчика РЭА. В последующих разделах данных методических указаний подробно описана базовая модель полупроводникового диода, используемая в пакетах прикладных программ PSpice, Micro-Cap, Electronics Workbench, OrCAD и др. В ряде практически важных случаев необходимых для автоматизированного схемотехнического проектирования РЭА сведений о параметрах отечественных радиокомпонентов в широко распространенной справочной литературе недостаточно. Это обусловлено ориентацией большинства справочных источников на ручные методы проектирования РЭА. В этих случаях проектирование начинается с определения параметров моделей необходимых компонентов, например, по результатам экспериментальных исследований последних или по данным, приведенным в справочной литературе. Поскольку для экспериментальных исследований требуется приборная база и представительная выборка компонентов, а справочники более доступны, поэтому более предпочтительным является подход, суть которого состоит в следующем. На первом этапе по справочным данным с помощью программы PARTS определяются параметры pspice-модели необходимого полупроводникового компонента. Поскольку требуемых для PARTS сведений в справочниках не достаточно, причем некоторые из них можно оценить весьма приближенно, и, наконец, в силу нелинейности решаемых при этом уравнений полученные параметры spice-модели являются приближенными. На втором этапе осуществляется доводка полученных параметров (параметрическая оптимизация).

1. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО

ДИОДА [1]

На входном языке программы PSpice полупроводниковый диод описывается предложением (строкой, картой)

D<имя> <узел анода> <узел катода> <имя модели> [множитель Area]

Форма описания модели

.МODEL <имя модели> D[параметры модели]

Пример:

D1D220А

.MODEL D220A D IS=100N RS=6.38 N=2.2 CJO=164.5P TT=1.3N M=0.33 +VJ=0.65 BV=400 IBV=10P

Схема замещения полупроводникового диода (рис.1) состоит из идеального диода, изображенного в виде нелинейного зависимого источника тока I(V), емкости р – n - перехода С(V) и объемного сопротивления базы RS. Список параметров математической модели диода приведен в табл. 1.

Таблица 1

Имя параметра	Параметр	Значение по умолчанию	Единица измерения
IS	Ток насыщения при номинальной температуре (тепловой диффузионный ток)	10-14	А
RS	Объемное сопротивление базы	0	Ом
N	Коэффициент неидеальности тока насыщения	1	-
ISR	Тепловой ток рекомбинации	0	А
NR	Коэффициент неидеальности тока рекомбинации	2	-
IKF	Ток перегиба ВАХ при высокой инжекции	¥	А
TT	Время переноса (пролета) заряда	0	С
CJO	Барьерная емкость р-n перехода при нулевом смещении	0	Ф
VJ	Контактная разность потенциалов (высота потенциального барьера)	1	В
M FC	Коэффициенты аппроксимации зависимости барьерной емкости от напряжения на р-n переходе	0,5 0,5	- -
EG	Ширина запрещенной зоны полупроводника	1,11	эВ
BV	Напряжение обратного пробоя (положительная величина)	¥	В
IBV	Начальный ток пробоя, соответствующий напряжению BV (положительная величина)	10-10	А
NBV	Коэффициент неидеальности тока пробоя	1	-
IBVL	Начальный ток пробоя низкого уровня	0	А
NBVL	Коэффициент неидеальности тока пробоя низкого уровня	1	-

Окончание табл. 1

XTI	Температурный коэффициент IS	3	-
TIKF	Температурный коэффициент IKF	0	°С-1
TBV1	Линейный температурный коэффициент BV	0	°С-1
TBV2	Квадратичный температурный коэффициент BV	0	°С-2
TRS1	Линейный температурный коэффициент RS	0	°С-1
TRS2	Квадратичный температурный коэффициент RS	0	°С-2
KF	Коэффициент фликкер-шума	0	-
AF	Показатель степени в формуле фликкер-шума	1	-
Т_MEASURD5	Температура измерения	0	°С
Т_ABS5)	Абсолютная локальная температура	0	°С
Т_REL_ GLOBAL5)	Разность локальной и текущей температур	0	°С
Т_REL_ LOCAL5)	Разность температур моделируемого диода и диода-прототипа	0	°С

5) – для версий PSpice 5.3 и старше.

Рис.1. Нелинейная модель Рис.2. ВАХ идеального диода

полупроводникового диода

1.1.  Статический режим

Ток диода I состоит из нескольких составляющих:

I = Area · (Ifwd – Irev).

Компонента

Ifwd=In · Kinj+Irec · Kgen

аппроксимирует вольт-амперную характеристику (ВАХ) диода без учета явления пробоя в области отрицательных напряжений. Здесь

In = IS · (eV/(N·Vt– нормальная составляющая тока;

Irec = ISR · (eV/(NR·Vt– ток рекомбинации;

Kinj – коэффициент инжекции;

ì при IKF>0;

Kinj = í

î 1 при IKF≤0;

Kgen = [(1- V/VJ)2 + 0,005]м/2 – коэффициент генерации.

Составляющая In отражает ток неосновных носителей заряда. Ток In умножается на коэффициент Kinj, учитывающий замедление роста тока при высоких уровнях инжекции.

Составляющая Irec отражает ток основных носителей заряда через p-n переход, уточняет ВАХ в области низких уровней инжекции, описывая относительно медленное нарастание тока при низких напряжениях. Коэффициент Кgen позволяет учесть зависимость тока Irec от ширины перехода, которая в свою очередь зависит от напряжения на переходе V.

Компонента

Irev = Irevhigh + Irevlow

отражает явление пробоя при отрицательном напряжении на переходе. Здесь

Irevhigh = IBV · e-(V+BV)/(NBV·Vt) ;

Irevlow = IBVL · e-(V+BV)/(NBVL·Vt) .

Параметры BV, IBV, IBVL, NBV, NBVL позволяют более точно смоделировать ВАХ диода в области пробоя.

Параметр Vt=KT/g – температурный потенциал перехода (0,026 В при номинальной температуре 27°С); К=1,38 · 10–23 Дж/°С – постоянная Больцмана;

g = 1,6 · 10–19 Кл – заряд электрона, Т – абсолютная температура p-n перехода в градусах Кельвина.

Вид ВАХ идеального полупроводникового диода показан на рис.2.

1.2.  Инерционные свойства диода

Инерционные свойства полупроводникового диода определяются электрической емкостью С(V), состоящей из двух параллельно включенных емкостей: барьерной и диффузионной

С(V) = Сt(V) + Area · Cj(V) .

Барьерная емкость Cj(V) определяется параметрами CJO, M, FC, VJ и зависит от ширины перехода

ì CJ0 · (1-V/VJ)-м, при V ≤ FC·VJ,

Cj(V) = í

î CJ0 · (1-FC)-(1+М) · [1-FC·(1+M)+M·V/VJ] при V > FC·VJ.

Параметр FC вводится для повышения точности описания барьерной емкости при положительных напряжениях на переходе, а также для предотвращения переполнения разрядной сетки компьютера при значениях V, близких или даже превышающих VJ (последнее невозможно физически, но возможно математически).

Диффузионная емкость Сt(V) пропорциональна среднему времени пролета носителей заряда до перехода и определяется выражением

Сt(V) = TT · Gd(V),

dIfwd(V)

где Gd(V) = Area · ¾¾¾¾

dV

- дифференциальная проводимость перехода для текущих значений I и V.

Поскольку дифференциальная проводимость быстро спадает до нуля при обратном напряжении на переходе, то диффузионная емкость при запирающем напряжении практически равна нулю. В модели, как только переход смещается в обратном направлении, остается только барьерная емкость. В реальном диоде в течение времени, равного примерно среднему времени пролета носителей заряда, ток поддерживается за счет притока носителей, накопленных в объеме полупроводника вдали от перехода. Математическая spice–модель не учитывает заряды этих носителей. Поэтому достоверными являются расчеты процессов, длительность которых превышает время пролета заряда.

а б

Рис. 3. Линеаризованная схема замещения диода (а) с включением эквивалентных источников внутреннего шума (б)

1.3.  Линеаризованная схема замещения

Схема приведена на рис.3,а. Ее можно дополнить источниками шумовых токов, как изображено на рис.3,б. В диоде имеются следующие источники шума: объемное омическое сопротивление базы RS, характеризующееся тепловым током Inrs со спектральной плотностью Srs = 4kT/RS; дробовой и фликкер-шумы диода, характеризующиеся током Ind со спектральной плотностью

Sd = 2g · I + KF · (I)AF/f, где f - текущая частота.

1.4. Температурные зависимости параметров

В математической модели диода они учитываются следующим образом:

IS(T) = IS·e ((T/Tnom-1) · EG/(N · Vt(T)) · (T/Tnom)XTI/N;

ISR(T) = ISR·e((T/Tnom-1) · EG/(NR · Vt)) · (T/Tnom)XTI/NR;

IKF(T) = IKF·(1+TIKF·(T-Tnom));

BV(T) = BV·[1+TBV1·(T-Tnom)+TBV2·(T-Tnom)2];

RS(T) = RS·[1+TRS1·(T-Tnom) + TRS2·(T-Tnom)2];

VJ(T) = VJ·T/Tnom - 3Vt·ln(T/Tnom) – EG(Tnom)·T/Tnom + EG(T);

CJO (T) = CJO·{1+M·[0,0004·(T-Tnom)+1-VJ(T)/VJ]};

KF(T) = KF·VJ(T)/VJ, AF(T) = AF·VJ(T)/VJ;

EG(T) = EGo – aT2/(b+Т),

где EG(Tnom) – ширина запрещенной зоны при номинальной температуре (1,11 эВ для кремния; 0,67 эВ для германия; 0,69 эВ для диодов с барьером Шотки при температуре 27°С). Значения параметров IS, Vt, VJ, CJO, KF, AF, EG берутся для номинальной температуры Тnom; для кремния EGо=1,16эВ; а=7·10-4;

b = 1108; ХТI = 3 для диодов с р - n - переходом и XTI = 2 для диодов с барьером Шотки. Значение номинальной температуры устанавливается с помощью опции TNOM, по умолчанию Тnom = 27°С.

1.5.  Скалярный множитель Area

Параметр Area позволяет в программе PSpice смоделировать диод, эквивалентный нескольким одинаковым диодам, включенным параллельно, или прибор, имеющий большую площадь p-n-перехода. По умолчанию скалярный множитель Area=1.

2.  ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ SPICE-МОДЕЛИ

ДИОДА С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММЫ PARTS [2]

В случае отсутствия модели необходимого полупроводникового диода (сигнального, выпрямительного или стабилитрона), ее можно создать по экспериментальным или справочным данным с помощью программы Parts. После запуска программы Parts, выбора во входном меню (рис. 4) диода

Рис. 4. Входное меню программы Parts

следует запрос имени или номера создаваемой модели диода:

Device part number (or name):

За вводом проектировщиком имени диода следует серия последовательно предъявляемых экранов, каждый из которых определяет некоторую характеристику диода, связанную с той или иной группой параметров spice-модели. В центре экрана находится окно (рис. 5) для построения графиков, под ним размещено основное меню (рис. 6) программы Parts. Справа от окна графиков сверху вниз располагаются: имя компонента, заголовок данного экрана, список вводимых электрических параметров (“Верхнего список”), список идентифицируемых параметров модели (“Нижний список”). Первый экран связан прямой ветвью диода.

Рис. 5. Окно графиков

Рис. 6. Основное меню программы Parts

Экран “Forward Current” (прямая ветвь ВАХ)

Верхний список		Нижний список
Обозначение	Справочные или экспериментальные данные	Обозначение	Значение по умолчанию
Ifwd1	Координаты 3 точек прямой ветви ВАХ диода	IS	10-14
Vfwd1	N	1
Ifwd2	RS	1 Ом
Vfwd2	IKF	0 А
Ifwd3	XTI	3
Vfwd3	EG	1.11 эВ

Этот экран позволяет подобрать аппроксимацию ВАХ открытого диода. По трем точкам прямой ветви ВАХ автоматически определяются три параметра – IS, RS и IKF. Точки желательно выбирать так, чтобы первая соответствовала низким уровням инжекции, при которых ВАХ близка к экспоненциальной, вторая – средним уровням инжекции и третья – высоким, при которых отчетливо проявляется сопротивление RS. Не при любых значениях тока и напряжения в этих точках параметры могут быть идентифицированы. Нередко может получаться отрицательное сопротивление RS и в этих случаях программа сообщает, что надо изменить в ту или иную сторону какие-то из заданных токов. Можно также попытаться в этих случаях немного варьировать величиной N.

Если известна только одна точка ВАХ, ее следует повторить трижды, т. е. задать все три требуемых точки одинаковыми. В этом случае будет идентифицирован только ток IS при заданных величинах RS и IKF. Если известны две точки ВАХ, то одну из них следует задать в качестве первой, а другую – в качестве второй и третьей. В этом случае будут идентифицироваться IS и RS при заданной величине IKF.

Остальные параметры – N, XTI и EG можно подбирать, непосредственно задавая их значения. Значения параметров по умолчанию соответствуют кремниевым диодам. Впрочем, изменять величину N без серьезных оснований не следует. Для диодов Шотки точнее значения XTI=2, EG=0,69 B. Для подбора XTI полезно построить семейство графиков для разных температур.

Экран “P-N Capacitance” (барьерная емкость перехода)

Верхний список		Нижний список
Обозначение	Справочные или экспериментальные данные	Обозначение	Значение по умолчанию
Cj1	Барьерная емкость перехода при двух значениях модуля напряжения обратного смещения	CJO	10-14
Vj1	VJ	1
Cj2	M	0.3333
Vj2	FC	0.5 В

Этот экран позволяет подобрать аппроксимацию зависимости барьерной емкости от запирающего напряжения. Качество аппроксимации этой зависимости обычно не очень влияет на точность моделей выпрямительных, ключевых или мощных диодов, но весьма существенно при создании модели варикапа.

Первая из вводимых точек зависимости С(V) должна соответствовать минимальному запирающему напряжению (можно задать его равным нулю), вторая – большему напряжению. В результате будут автоматически определены параметры CJO и М при заданных VJ и FC. Если известна только одна точка зависимости C(V), ее следует задать в качестве обеих требуемых для идентификации точек. В этом случае программа определит только величину CJO при заданных значениях остальных параметров. Величину М в этой ситуации следует задавать исходя из типа р - n - перехода: 0,5 для резкого перехода, 0,3333 для плавного.

Параметры VJ и FC мало влияют на величину барьерной емкости и то практически только при прямом смещении на переходе, когда само влияние барьерной емкости на характеристики диода становится слабым, поскольку начинает доминировать диффузионная емкость. Поэтому обычно заданные по умолчанию значения этих параметров, характерные для кремниевых диодов, можно не изменять.

При точном описании емкостей, особенно для высокочастотных схем, надо учитывать, что в реальном диоде помимо нелинейных емкостей p-n-перехода имеется еще постоянная емкость между выводами диода. Эта емкость не входит в модель и при расчете на PSpice должна включаться как внешняя. Но в этом случае в Parts при задании значений емкостей следует вычитать из экспериментальных или справочных значений величину этой паразитной емкости.

Экран “Reverse Leakage” (рекомбинационная составляющая тока диода)

Верхний список		Нижний список
Обозначение	Справочные данные	Обозначение	Значение по умолчанию
Ir	Ток утечки	ISR	10-12 А
Vr	Абсолютное значение напряжения обратного смещения при измерении Ir	NR	2

Ток основных носителей, главной составляющей которого является ток рекомбинации-генерации в переходе, влияет и на прямую, и на обратную ветви ВАХ диода (см. работу [1]). Однако Parts рассчитывает параметры этого тока только исходя из обратной ветви, что может вносить определенную погрешность в ВАХ открытого диода. В данном экране по значению обратного тока при некоторой величине запирающего напряжения рассчитываются параметры ISR и R. При этом влияющие на этот ток параметры VJ и M берутся из предыдущего экрана.

Экран “Reverse Breakdown” (область пробоя)

Верхний список		Нижний список
Обозначение	Справочные данные	Обозначение	Значение по умолчанию
Vz	Ток утечки	BV	100 В
Iz	Абсолютное значение напряжения пробоя (стабилизации) при токе Iz	IBV	10-4 А
Vr	Дифференциальное сопротивление на участке пробоя (Iz, Vz)

В качестве данных для идентификации параметров области пробоя задаются напряжение, ток и дифференциальное сопротивление в этой точке. По этим данным Parts определяет параметры одной составляющей тока в области пробоя, хотя в модели предусмотрены две составляющие, позволяющие подогнать под экспериментальные или справочные данные не одну, а две точки в области пробоя.

Экран “Reverse Recovery” (время рассасывания носителей заряда)

Верхний список		Нижний список
Обозначение	Справочные данные	Обозначение	Значение по умолчанию
Trr	Время рассасывания носителей заряда	ТТ	5 нс
Ifwd	Ток диода в прямом направлении до переключения
Irev	Ток диода в первый момент при переключении
Rl	Эквивалентное сопротивление нагрузки (включая выходное сопротивление генератора)

Среднее время пролета носителей ТТ, определяющее в модели диффузионную емкость, идентифицируется в PARTS по переходному процессу, протекающему при запирании ранее открытого диода. Исходные данные: Ifwd – ток, который протекает через открытый диод до начала переключения; Irev – обратный запирающий ток, протекающий через диод в первый момент при резком (скачкообразном) запирании диода; RL – сопротивление, через которое подается запирающий сигнал (включая выходное сопротивление источника сигнала).

3.  ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ SPICE-МОДЕЛИ ДИОДА

С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММЫ PSPICE MODEL EDITOR [1]

В состав пакета программ OrCAD 9.x входит программа идентификации spice-параметров моделей полупроводниковых приборов PSpice Model Editor, отличающаяся от Parts прежде всего интерфейсом. Интерфейс (рис.7) выполнен в стандартном для Windows приложений стиле и содержит текстовое меню в составе: File, Edit, View, Model, Plot, Tools, Window и Help. Наиболее часто используемые команды задублированы пиктограммами. Слева расположено окно, в котором отображается список имен активных моделей с указанием их типа. Справа расположено окно для отображения параметров выбранной модели или экранов для ввода исходных данных и отображения графиков, аналогичных программе Parts.

Рис. 7. Интерфейс (экран) программы PSpice Model Editor

Рис. 8. Окно выбора типа и ввода имени вновь

создаваемой модели

Редактор предназначен для создания новых моделей полупроводниковых приборов, просмотра и редактирования созданных ранее моделей. При создании новой модели после выбора команды Model/New.. открывается окно выбора типа полупроводникового прибора (рис. 8). После ввода имени создаваемой модели, например KD220A, в окне Models list появляется введенное имя и выбранный тип прибора, окно экранов приобретает вид, иллюстрируемый рис. 9

Рис. 9. Вид окна экранов при их каскадном расположении

(Window/Cascade)

В нижней части экрана редактора отображается таблица (рис. 10) spice-параметров, в данном случае полупроводникового диода.

Рис. 10. Таблица spice-параметров полупроводникового диода

В таблице указываются минимально и максимально возможные значения параметров, значения, устанавливаемые по умолчанию. В колонке Value первоначально отображаются значения параметров, устанавливаемые по умолчанию. После ввода соответствующих справочных данных в окно активного экрана и выполнения команды Extract значения параметров, помеченных галочкой в колонке Active, замещаются в колонке Value рассчитанными программой PSpice Model Editor значениями.

4.  ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ SPICE-МОДЕЛИ ДИОДА С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММЫ MODEL СИСТЕМЫ

MICRO-CAP V [3]

Программа расчета spice-параметров аналоговых компонентов Model системы схемотехнического моделирования Micro-Cap V аналогична программам Parts и PSpice Model Editor. Она работает в интерактивном режиме и выполняет расчет и оптимизацию параметров математических моделей по их справочным или экспериментальным данным, введенным в табличной или графической форме. Оптимизация выполняется с помощью прямого метода Пауэлла. При вводе координат точек графиков должны быть заданы координаты от одной до пяти точек – чем больше данных, тем точнее оцениваются параметры моделей. Считается, что все введенные данные о параметрах компонентов измерены при комнатной температуре.

Программа Model сохраняет введенные пользователем паспортные данные компонентов и рассчитанные spice-параметры в библиотечных файлах с расширением имени. mdl. Эти файлы можно загружать в программу Model для уточнения параметров моделей, не повторяя ввода исходных данных, что очень удобно в процессе отладки библиотек моделей. После завершения наполнения библиотеки. mdl ее можно преобразовать с помощью команды File-Create Model Library в компактный бинарный библиотечный файл с расширением. lbr. Файлы. mdl используются программой Micro-Cap для моделирования. Для обмена моделями с программой PSpice достаточно воспользоваться командой File-Create SPICE file. При этом создается текстовый библиотечный файл с расширением. lib, который можно использовать при моделировании с помощью программы PSpice.

После загрузки программы Model при создании новой модели на экране появляется меню, показанное на рис. 11. После выбора типа моделируемого компонента и нажатия кнопки ОК на экране монитора появляется основное окно программы Model системы Micro-Cap V, показанное на рис. 12. Помимо стандартных кнопок управления окнами в нем располагаются следующие поля:

Меню команд – содержит названия ниспадающих меню.

Текстовые поля – содержа четыре строки Т1, Т2, Т3 и Т4, содержание которых переносится в библиотеку моделей. Строка Т1 содержит имя компонента (Part name), оно используется для сортировки в каталоге библиотеки, остальные комментарии (Т2, Т3 и Т4) с дополнительной информацией.

Таблица данных – таблица с несколькими колонками для ввода значений координат точек характеристик моделируемого компонента, взятых из обычных справочников или полученных экспериментально с помощью измерительных приборов. Количество колонок зависит от типа компонента и характера данных.

Рис. 11. Меню выбора типа полупроводникового прибора

Окно графиков – отображение графиков характеристик модели. На них отмечаются точки данных, если они вводились разработчиком. Близость этих точек к построенным графикам свидетельствует о точности модели. Численно значение среднеквадратического отклонения в процентах указывается сверху от графиков на строке Error.

Параметры модели – таблица параметров модели, полученных в результате обработки введенных данных.

Условия измерения – значения дополнительных параметров, которым соответствуют введенные данные.

Работу с программой Model можно начать и с открытия существующего файла по команде File-Open. В этом случае для добавления новой модели в выбранную библиотеку выполняется команда Edit-Add Part, а в открывшемся меню (рис. 13) выбирается тип полупроводникового компонента. После этого открывается изображенное на рис. 12 основное окно программы Model, в котором первоначально заполняются текстовые поля Т1-Т4. В поле Т1 вводится имя модели компонента (только латинскими символами), а в остальные поля - информация о том, кто и когда создавал модель (здесь можно использовать и символы кириллицы).

Рис. 12. Окно программы Model

Исходные данные для идентификации spice-параметров моделируемого компонента заносят в таблицу данных построчно. Условия измерения исходных данных вводятся в нижнее око. По окончанию ввода данных командой Run-Initialize (или нажатием Ctrl + I) выполняется определение первоначальных значений параметров, связанных с введенными данными. Параметр Error показывает среднеквадратическое отклонение графика, полученного на основе рассчитанных данных, от исходных данных. Если это отклонение велико, что, как правило, чаще всего имеет место быть, следует выполнить параметрическую оптимизацию модели командой Run-Optimize (или нажатием Ctrl + T). Оптимизацию можно выполнять многократно пока значение Error уменьшается. При этом в окне графиков на экране монитора отображаются введенные данные в виде точек и график, построенный для оптимизированных параметров. Если ошибка среднеквадратического отклонения мала, то график проходит через точки исходных данных.

Рис.13. Добавление в существующую библиотеку новой модели

Переход к следующей группе определяемых параметров осуществляется командой View-Next Graph. В программе Model слово Graf имеет то же значение, что и слово Set в программах Parts и PSpice Model Editor.

Рис. 14. Меню выбора прибора (Part) и графика (Graf)

Переход из одного графика в другой, от одного компонента к другому, просмотр всего списка компонентов открытой библиотеки или поиск необходимого компонента осуществляется выбором в меню View (см. рис.14) соответствующей команды.

5. ЗАДАНИЕ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

5.1. Выполнить идентификацию spice-параметров полупроводникового диода с помощью программы Parts по экспериментальным данным, приведенным в прил. 1.

5.2. Выполнить идентификацию spice-параметров полупроводникового диода с помощью программы PSpice Model Editor.

5.3. Выполнить идентификацию spice-параметров полупроводникового диода с помощью программы Model системы Micro-Cap V.

5.4. Рассчитать, используя программу Pspice, ВАХ полученных моделей и построить их на одном графике с помощью программы Probe.

5.5. Сравнить полученные модели диодов.

Примечание. Вариант диода указывается преподавателем.

6. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТ

Отчет должен содержать:

1.  Формулировку цели лабораторной работы.

2.  Исходные данные.

3.  Параметры spice-моделей, полученных при выполнении пп. 4

4.  Анализ полученных результатов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.  Разевиг схемотехнического моделирования и проектирования печатных плат Design Center (PSpice). М.: СК Пресс, 19с.

2.  PSpice и Design Center. В 2 ч. Ч. 1; Модели цифровых и аналого-цифровых устройств. Идентификация параметров модели. Графические редакторы: Учебное пособие. М.: МИФИ, 19с.

3.  Разевиг схемотехнического моделирования Micro-Cap V. М.: «СОЛОН», 19с.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Исходные данные для идентификации spice-параметров диодов

1

Данные	KD102A	KD103A	KD104A	KD105B	KD106A	KD202D	KD203A	KD204A
Vfwd1	0.4V	0.4V	0.4V	0.4V	0.4V	0.4V	0.4V	0.4 V
Ifwd1	4.151uA	25.95uA	4.4uA	104uA	35.915uA	86.6uA	83.68uA	115.4uA
Vfwd2	0.6 V	0.6V	0.6V	0.5V	0.5V	0.6V	0.6V	0.6V
Ifwd2	1.66mA	10.142mA	2.135 mA	3.418mA	0.848mA	12.546mA	13.98m A	18.66mA
Vfwd3	0.8V	0.8V	0.8V	0.6V	0.6V	0.7V	0.7V	0.7V
Ifwd3	50.82mA	100.82mA	18.937mA	81.897mA	19.37mA	132.2mA	174.15mA	177.9mA

Окончание табл. П.1

Данные	KD208A	KD209A	KD220A	KD512A	KD513A	KD520A	KD521A	KD522A
Vfwd1	0.4 V	0.4V	0.4V	0.6V	05V	0.5V	0.5V	0.5V
Ifwd1	26.25uA	19.544uA	2.87uA	29.12uA	23.34uA	21.64uA	32.429uA	10.96A
Vfwd2	0.6V	0.6 V	0.6V	0.8V	0.6 V	0.6 V	0.6 V	0.7V
Ifwd2	9.661mA	10.36mA	1.45 mA	6.64mA	747uA	614uA	1.348mA	8.956A
Vfwd3	0.7V	0.7V	0.7V	1.0V	0.8V	0.8V	0.8V	0.8V
Ifwd3	124.98mA	129.35mA	344.26mA	24.672mA	50.98mA	17.166mA	37.33mA	52.198mA

2

Данные	KD102A	KD103A	KD104A	KD105B	KD106A	KD202D	KD203A	KD204A
Vrev, V	2	2	2	2	2	2	2	2
Cj, pF	2	5.6	26	77	83	50	14	19
Vrev, V	8	8	8	8	8	8	8	8
Cj, pF	1.46	3.9	18	52	56	32	10	12

Окончание табл. П.2

Данные	KD208A	KD209A	KD220A	KD512a	KD513A	KD520A	KD521A	KD522A
Vrev, V	2	2	2	2	10	5	10	10
Cj, pF	2	6	12	0.75	1.4	2	1.8	1.7
Vrev, V	8	8	10	12	40	10	40	40
Cj, pF	1.5	4	8	0.55	1.07	1.8	1.5	1.4

3

Данные	KD102A	KD103A	KD104A	KD105B	KD106A	KD202D	KD203A	KD204A
Vrev1, V	10	10	10	10	10	10	10	10
Irev1	259.9pA	298.05pA	250.65pA	329.1pA	359.14pA	4.287nA	3.192nA	4.3722nA
Vrev2, V	40	40	40	40	40	40	40	40
Irev2	387pA	416.43pA	386.24pA	464.69pA	494.73pA	4.46nA	3.288nA	4.52nA
Vrev3,V	80	80	80	80	80	80	80	80
Irev3	476.45pA	498.98pA	482.65pA	561.09pA	591.13pA	4.60pA	3.35nA	4.64nA

Окончание табл. П.3

Данные	KD208A	KD209A	KD220A	KD512A	KD513A	KD520A	KD521A	KD522A
Vrev1, V	10	10	10	10	10	10	10	10
Irev1	260pA	300pA	250pA	330pA	360pA	4.2nA	3.2nA	4.4nA
Vrev2, V	40	40	40	40	40	40	40	40
Irev2	390pA	420pA	390pA	470pA	495pA	4.4nA	3.3nA	4.5nA
Vrev3,V	80	80	80	80	80	80	80	80
Irev3	500pA	500pA	490pA	561pA	590pA	4.6pA	3.35nA	4.65nA

4

Данные	KD102A	KD103A	KD104A	KD105B	KD106A	KD202D	KD203A	KD204A
Vz, V	250	75	300	400	100	200	600	400
Iz, pA	10	10	10	10	100	100	100	100
Zz, кOm	258.64	258.64	258.64	258.64	2.58	2.58	2.58	2.58

Окончание табл. П.4

Данные	KD208A	KD209A	KD220A	KD512A	KD513A	KD520A	KD521A	KD522A
Vz, V	100	400	70	15	40	15	30	30
Iz, pA	100	100	20	10	10	10	10	10
Zz, кOm	260	260	260	2.64	2.64	2.64	2.64	2.64

5

Данные	KD102A	KD103A	KD104A	KD105B	KD106A	KD202D	KD203A	KD204A
Ifwd, mA	10	10	10	10	10	10	10	10
Irev, mA	10	10	10	10	10	10	10	10
Rl, Om	100	100	100	100	100	100	100	100
Trr, ns	4.2421	2.8766	6.12	7.486	26.686	221.125	630.07	80.406

Окончание табл. П.5

Данные	KD208A	KD209A	KD220A	KD512A	KD513A	KD520A	KD521A	KD522A
Ifwd, mA	10	10	10	10	10	10	10	10
Irev, mA	10	10	10	10	10	10	10	10
Rl, Om	100	100	100	100	100	100	100	100
Trr, ns	154	500	600	100	150	5	10	12

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Команды программы Parts 5.1

Команда	Назначение
Основное меню программы Parts
Exit	Выход (возврат) к входному меню программы Parts
Next_set	Переход к следующему экрану
Previous_set	Возврат к предыдущему экрану
Screen_info (Model_help)	Информация о spice-параметрах модели, выводимая на экран (подсказка)
Device_curve (Upper_list или Device data)	Ввод справочных и (или) экспериментальных данных в верхний список
Exit	Возврат в основное меню программы Parts
Add	Добавить координаты точки на прямой ветви ВАХ
Change	Изменить координаты ранее введенной точки
Delete	Удалить координаты ранее введенной точки
Model_parameters (Lower_list)	Редактирование spice-параметров в нижнем списке
Exit	Возврат в основное меню программы Parts
IS, N, RS, IKF, XTI, EG	Выбор одного из перечисленных параметров spice-модели и ввод численного значения.
Fit	Повторная аппроксимация введенных в верхний список данных с целью улучшения
Trace	Меню графиков
Exit	Возврат в основное меню программы Parts
Add_trace	Добавить график
Delete_trace	Удалить график
Trace_variable	Выбрать переменную для построения семейства графиков
Exit	Возврат в основное меню графиков
Temperature	Параметры spice-модели и температура, используемые как переменные для построения семейства графиков. Выбранная переменная отображается в скобках в качестве аргумента при функции.
IS
N
RS
IKF

X_axis	Меню Х-оси графиков
Exit	Возврат в основное меню программы Parts
Log	Логарифметическая шкала
Linear	Линейная шкала
Set_range	Установка диапазона изменения Х
Y_axis	Меню Y-оси графиков
Exit	Возврат в основное меню программы Parts
Log	Логарифметическая шкала
Linear	Линейная шкала
Set_range	Установка диапазона изменения Y
Hard_copy	Меню изготовления твердой копии графика
Exit	Возврат в основное меню программы Parts
1_page_long	Вывод графика длиной 1 страница
2_page_long	Вывод графика длиной 2 страницы
Other_length	Другая длина графика, задаваемая в дюймах

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Команды программы Model Micro-Cap V

Команда	Назначение
Меню File
New…(Ctrl+N)	Создание нового файла данных, содержащего один компонент
Open…(Ctrl+O)	Открытие существующего файла данных (расширение имени. MDL)
Save (Ctrl+S)	Сохранение текущего файла данных
Save As	Сохранение текущего файла данных под новым именем
Create SPICE file	Создание текстового файла параметров моделей, содержащихся в текущем файле данных. Этот файл получает расширение имени. LIB и может быть загружен в программу моделирования МС5, но не в программу MODEL
Create Model Library…	Запись параметров моделей компонентов текущей библиотеки в бинарный файл с расширением имени. LBR, который может быть загружен в программу МС5 для просмотра и редактирования. Его применение при моделировании обеспечивает более быстрый, чем в текстовых файлах. LIB, доступ к параметрам отдельных компонентов
Revert	Восстановление содержания текущего файла с диска
Close (Ctrl+F4)	Закрытие текущего файла данных
Merge	Слияние содержания текущей библиотеки по именам, указанным в текстовом поле Т1
Sort	Сортировка компонентов текущей библиотеки по именам, указанным в текстовом поле Т1
Файл 1,…, Файл 8	Список последних восьми загруженных файлов
Exit (Alt+F4)	Завершение работы с программой MODEL
Меню Edit
Undo (Ctrl+Z)	Отмена последней команды редактирования текстовых полей
Cut (Ctrl+X)	Удаление выбранного текста и размещение его в буфер обмена Windows
Copy (Ctrl+C)	Копирование выбранного текста в буфер обмена
Paste (Ctrl+V)	Копирование содержания буфера обмена в позицию, указанную курсором
Clear (Del)	Удаление выбранного текста без копирования в буфер обмена
Select All (Ctrl+A)…	Выбор всего текста в текущем текстовом поле
Change Polarity	Изменение полярности (типа проводимости) текущего транзистора. Например, транзистор NPN заменяется на PNP
Add Part	Добавление нового компонента в текущий файл данных. Тип компонента выбирается из предлагаемого списка: DIODE, NPN, PNP, NMOS, PMOS, NJFET, PJFET, OPAMP, CORE
Delete Data	Удаление указанной курсором строки из таблицы данных
	Меню Windows
Cascade (Shift+F5)	Каскадное расположение открытых окон
Title Vertical (Shift+F4)	Последовательное расположение открытых окон по горизонтали
Title Horizontal	Последовательное расположение открытых окон по горизонтали
Arrange Icons	Упорядочивание размещения иконок свернутых окон в нижней части экрана
1 <заголовок окна>	Активизация и размещение на переднем плане файла библиотеки, выбираемого из списка открытых файлов
Меню Options
Help Bar	Размещение/удаление строки помощи в нижней части экрана
Preferences	Задание параметров:
File Warning	Предупреждение о необходимости сохранения файлов при их изменении
Sound	Включение звукового сигнала при выдаче предупреждающего сообщения
Quit Warning	Предупреждение о необходимости сохранения измененных файлов при выходе из программы
Команда	Назначение
Global Settings	Процесс оптимизации прекращается, если текущие значения ошибок аппроксимации меньше заданных:
Maximum Relative Per-iteration Error	Относительная разность среднеквадратических значений ошибки аппроксимации на соседних шагах оптимизации
Maximum Percentage Per-iteration Error	Разность среднеквадратических значений ошибки аппроксимации на соседних шагах оптимизации в процентах
Maximum Percentage Error	Среднеквадратическое значение ошибки аппроксимации
Global Preferences	Выбор цвета графиков, точек данных, линий сетки, фона и оцифровки осей
Auto Scale	Автоматическое масштабирование графиков
Manual Scale	Задание масштаба по осям координат вручную
Step Model Parameters	Вариация параметров модели. Задаются имя варьируемой переменной и шаг изменения
Меню View
Part List (Ctrl + L)	Вывод списка текущей библиотеки. Двойной щелчок по имени компонента открывает список его параметров. С помощью этого меню модели компонентов можно удалять, копировать и вставлять в другое место текущей или другой библиотеки через буфер обмена. Для этого в списке мышью выбирается один или более компонентов и затем используются стандартные команды Windows Ctrl + C, Ctrl + X, Ctrl + V и Delete
Find Part (Ctrl +F)	Поиск компонента по имени
Previous Part	Переход к предыдущему компоненту в списке
Next Part	Переход к следующему компоненту
First Part	Переход к первому компоненту в списке
Last Part	Переход к последнему компоненту в списке
Previous Graf	Переход к предыдущему графику текущего компонента
Next Graf	Переход к следующему графику текущего компонента
First Graf	Переход к первому графику текущего компонента
Last Graf	Переход к первому графику текущего компонента
Menu Run
Initialize (Ctrl + I)	Присвоение параметрам модели текущего окна значения по умолчанию. Обычно выполняется перед оптимизацией параметров
Optimize (Ctrl + T)	Оптимизация параметров модели, оцениваемых в текущем окне
Initialize and Optimize All	Присвоение всем параметрам модели компонента значений по умолчанию и выполнение их оптимизации
Optimize All	Оптимизация всех параметров модели компонента (прерывается клавишей Esc)

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА

Составитель

Редактор

Подписано в печать 27.03.2001 Формат 60х84 1/16

Бумага типографская Офсетная печать Усл. печ. л. 1,63

Уч.-изд. л. 1,22 Тираж 100 Заказ 82 Цена «С» _

Издательство УГТУ-УПИ

Екатеринбург, УГТУ, ул. Мира, 19