创建仿真模型

以下参数用于描述二极管在正向偏置区域的直流电流-电压特性：

要提取这些参数，需要提供二极管正向电流（IF）随正向电压（VF）变化的曲线图。该曲线图可以从制造商的数据手册中获取，也可以通过对实际器件进行测量获得。

下图展示了从数据手册中获取的此类曲线图示例，以及一个测试电路示例，可通过该电路进行直接测量，以获取所需的源数据。

 
二极管在正向偏置区域的 I-V 特性曲线图及测试电路示例。

将从源曲线图中获取的一系列数据点输入向导。

以下参数用于描述二极管在反向偏置区域工作时的电容：

要提取这些参数，需要提供反向偏置电容（Cd）随二极管反向电压（VR）变化的曲线图。该曲线图可以从制造商的数据手册中获取，也可以通过对实际器件进行测量获得。

下图展示了从数据手册中获取的此类曲线图示例，以及一个测试电路示例，可通过该电路进行直接测量，以获取所需的源数据。如果没有电容表，可以使用此测试电路。

 
二极管在反向偏置区域的电容曲线图及测试电路示例。

将从源曲线图中获取的一系列数据点输入向导。

上图中的示例电路基于以下方程：

I = C * (dv/dt)

由此方程求解 C，可得：

C = I/(dv/dt)

该电路通过电源 V1 产生斜坡电压。计算此斜坡电压的斜率，即可得到方程中的 dv/dt 部分。将测得的二极管电流除以斜坡电压的斜率，即可得到二极管的电容曲线。

以下参数用于描述器件击穿后的反向偏置电流：

要提取这些参数，向导需要输入以下两个值：

• 反向击穿电压值。

• 二极管发生反向击穿时流过的电流值。

这些值可以从制造商的数据手册中获取，也可以通过对实际器件进行测量获得。数据手册通常以表格形式列出二极管的电气（直流）特性，因此只需找到这些值，并按所列数值准确输入即可。

如果源数据以曲线图形式提供（直接测量实际器件时通常如此），则需要从二极管开始击穿的位置“读出”这两个值。下图展示了此类曲线图的示例。

从曲线图中获取反向击穿点的电流和电压值。

虽然这些值在图中可能显示为负值，但在向导的相应字段中输入时，均应输入正值。

以下参数用于对二极管从正向偏置切换到反向偏置时的反向恢复时间进行建模：

要提取此参数，向导需要输入正向电流等于反向电流（即 IR/IF=1）时二极管的反向恢复时间（Trr）。此数据通常以简单数值的形式列在制造商的开关二极管数据手册中。

下图展示了制造商数据手册中此类信息的示例。图中所需的值（即应输入向导中的值）为 4ns。

获取二极管的反向恢复时间。

使用直接测量实际器件所获得的数据时，可以对以下特性进行建模。

• Forward-Bias Parameters

  以下参数用于描述 BJT 在正向偏置区的直流电流-电压特性：

  IS		传输饱和电流（单位：安培）。
  BF		理想最大正向电流放大系数 β。
  NF		正向电流发射系数。
  RB		零偏置基极电阻（单位：欧姆）。
  RC		集电极电阻（单位：欧姆）。
  RE		发射极电阻（单位：欧姆）。
  IKF		正向电流放大系数 β 在大电流下开始衰减的拐点电流（单位：安培）。
  ISE		基极-发射极漏电饱和电流（单位：安培）。
  NE		基极-发射极漏电发射系数。
  VAF		正向厄利电压（单位：伏特）。

  以下各节详细介绍所需的测量数据，将这些数据输入向导后，即可提取上述参数。

  • Base-Emitter Voltage versus Base Current

    这些数据用于初步提取 RC 参数。下图给出了基极-发射极电压 (VBE) 随基极电流 (IB) 变化的示例曲线，以及可通过测量获得这些数据的示例测试电路。该电路向基极注入电流，同时测量开路基极-发射极电压。

    
    VBE 随 IB 变化的示例曲线及测试电路。

    从源曲线中获取一系列数据点，并将其输入向导。

  • Collector-Emitter Voltage versus Base Current

    这些数据用于初步提取 RE 参数。下图给出了集电极-发射极电压 (VCE) 随基极电流 (IB) 变化的示例曲线，以及可通过测量获得这些数据的示例测试电路。该电路向基极注入电流，同时测量开路集电极-发射极电压。

    
    VCE 随 IB 变化的示例曲线及测试电路。

    从源曲线中获取一系列数据点，并将其输入向导。

  • Forward Gummel Plot

    这些数据主要用于提取 IS、BF、NF、RB、IKF、ISE 和 NE 参数，也用于优化 RC、RE 和 VAF 参数。下图给出了示例 Gummel 图，以及可通过测量获得这些数据的示例测试电路。Gummel 图展示了：

    • 基极电流随基极-发射极电压的变化（IB 与 VBE 的关系）。

    • 集电极电流随基极-发射极电压的变化（IC 与 VBE 的关系）。

    基极-集电极电压 (VBC) 保持为零伏。

    
    示例正向 Gummel 图及测试电路。

    从源 Gummel 图中获取一系列数据点，并将其输入向导。必须输入原始 IB 和 IC 值 – 向导会对曲线数据应用 LN 函数。

  • Collector Current versus Base-Emitter Voltage

    这些数据用于初步提取 VAF 参数。下图给出了集电极电流 (IC) 随基极-发射极电压 (VBE) 变化的示例曲线，以及可通过测量获得这些数据的示例测试电路。该电路用于在两个不同的基极-集电极电压 (VBC) 下生成两条 IC 随 VBE 变化的曲线。测量曲线时，电流应尽可能小，且 VBC 应在实际可行的范围内尽可能接近零伏。

    
    VBE 随 IC 变化的示例曲线及测试电路。

    将一系列数据点输入向导中的两个表格，每个表格对应一条源数据曲线。每种情况下还必须输入所使用的 VBC 值。

• Reverse-Bias Parameters

  以下参数用于描述 BJT 在反向偏置区的直流电流-电压特性：

  IS		传输饱和电流（单位：安培）。
  BR		理想最大反向电流放大系数 β。
  NR		反向电流发射系数。
  RB		零偏置基极电阻（单位：欧姆）。
  RC		集电极电阻（单位：欧姆）。
  RE		发射极电阻（单位：欧姆）。
  IKR		反向电流放大系数 β 在大电流下开始衰减的拐点电流（单位：安培）。
  ISC		基极-集电极漏电饱和电流（单位：安培）。
  NC		基极-集电极漏电发射系数。
  VAR		反向厄利电压（单位：伏特）。

  以下各节详细介绍所需的测量数据，将这些数据输入向导后，即可提取上述参数。

  有关提取 RC 参数初始值所需数据的信息，请参阅上一节基极-发射极电压与基极电流的关系。

  有关提取 RE 参数初始值所需数据的信息，请参阅上一节集电极-发射极电压与基极电流的关系。

  • Reverse Gummel Plot

    这些数据主要用于提取 IS、BR、NR、RB、IKR、ISC 和 NC 参数，也用于优化 RC、RE 和 VAR 参数。下图 展示了 Gummel 曲线示例及测试电路示例，可通过该电路进行测量以获取数据。Gummel 曲线展示了以下关系：

    • 基极电流与基极-集电极电压的关系（IB 与 VBC）。

    • 发射极电流与基极-集电极电压的关系（IE 与 VBC）。

    基极-发射极电压（VBE）保持为零伏。

    
    反向 Gummel 曲线和测试电路示例。

    将从原始 Gummel 曲线中获取的一系列数据点输入向导。必须输入原始 IB 和 IE 值，向导会对曲线数据应用 LN 函数。

  • Emitter Current versus Base-Collector Voltage

    这些数据用于初步提取 VAR 参数。下图 展示了发射极电流（IE）与基极-集电极电压（VBC）的关系曲线示例，以及可用于测量并获取数据的测试电路示例。该电路用于在两个不同的基极-发射极电压（VBE）下生成两条 IE 与 VBC 的关系曲线。测量曲线时，应使电流尽可能低，并在实际可行的范围内使 VBE 尽可能接近零伏。

    
    IE 与 VBC 的关系曲线及电路示例。

    将一系列数据点输入向导中的两个表格，每个表格对应一条原始数据曲线。对于每条曲线，还必须输入所使用的 VBE 值。

使用从制造商数据手册中获取的数据时，可以对以下特性进行建模。

• Forward-Bias Parameters

  以下参数用于描述 BJT 在正向偏置区的直流电流-电压特性：

  IS		传输饱和电流（单位：安培）。
  BF		理想最大正向电流增益 β。
  NF		正向电流发射系数。
  RE		发射极电阻（单位：欧姆）。
  IKF		正向电流增益 β 在大电流下开始衰减的拐点电流（单位：安培）。
  ISE		B-E 漏电饱和电流（单位：安培）。
  NE		B-E 漏电发射系数。

  以下各节详细介绍了所需的数据，将这些数据输入向导后，即可提取这些参数。

  • Base-Emitter Voltage versus Collector Current

    数据手册中的这些曲线通常是在“强制 β”或“饱和”条件下获得的。

    这些数据用于提取 IS、NF、RE 和 IKF 参数。下图 展示了从数据手册中获取的基极-发射极电压（VBE）与集电极电流（IC）的关系曲线示例。

    

    将从原始曲线中获取的一系列数据点输入向导。必须输入原始 IC 值，向导会对曲线数据应用 LN 函数。

    还需要输入该曲线的强制 β 比值（β = IC/IB）。在上图的曲线示例中，该值显示在图的左上角，因此应输入 10。

  • DC Current Gain versus Collector Current

    这些数据用于提取 BF、NE、ISE 和 IKF 参数。下图 展示了从数据手册中获取的直流电流增益（hFE）与集电极电流（IC）的关系曲线示例。
    将从原始曲线中获取的一系列数据点输入向导。为保证准确性，应分别输入低、中、高集电极电流下的直流电流增益值。
    

• Forward Early Voltage

  以下参数用于在 Gummel-Poon 晶体管模型中对基区宽度调制效应进行建模：

  VAF

  正向厄利电压（单位：伏特）。

  要提取此参数，需要输入输出导纳（hOE）与集电极电流（IC）关系曲线上的一个点。下图展示了此类曲线的示例。

  

  读取曲线上的任意一个值。在上图 的示例中，可以读出 IC = 1mA、hOE = 30μmhos。

  通常，这些数据以表格形式呈现，下图展示了一个示例。

  
  输出导纳的表格数据示例。

  图中需要关注的数值，也就是应输入向导的数值，为集电极电流 1mA 和输出导纳 30μmhos（通常使用最大值）。

使用从制造商数据手册中获取的数据，或通过直接测量实体器件获得的数据时，可以对以下特性进行建模。

• Base-Emitter Capacitance

  以下参数用于描述基极-发射极结的反向偏置结电容：

  CJE		B-E 零偏置耗尽层电容（单位：法拉）。
  MJE		B-E 结指数因子。
  VJE		B-E 内建电势（单位：伏特）。

  要提取这些参数，需要提供反向偏置 B-E 结电容（Cj）与电压（VBE）的关系曲线。如果没有电容表，可以使用下图 中的测试电路示例来获取数据。图中还展示了通过此类电路获得的曲线示例，分别绘出了 VBE 和 Cj 随时间的变化关系。通过这些曲线，可以轻松读取同一时刻对应的 VBE 和 Cj 值。

  
  反向偏置 B-E 结电容的测试电路和曲线示例。

  将从原始曲线中获取的一系列数据点输入向导。

  上图中的示例电路基于以下方程：

  I = C * (dv/dt)

  由此方程求解 C，可得：

  C = I/(dv/dt)

  该电路通过电压源 V1 产生斜坡电压。通过计算该斜坡电压的斜率，可以得到公式中的 dv/dt 部分。将测得的二极管电流除以斜坡电压的斜率，即可得到二极管电容曲线。上图中的两个图表与电路的对应关系如下：

  • 上图 – VBE 为 V1。

  • 下图 – Cj 为 q1[ie]/(dV1/dt)。

• Base-Collector Capacitance

  以下参数用于描述基极-集电极结的反向偏置结电容：

  CJC		B-C 零偏置耗尽层电容（单位：法拉）。
  MJC		B-C 结指数因子。
  VJC		B-C 内建电势（单位：伏特）。

  要提取这些参数，需要反向偏置 B-C 结电容 (Cj) 随电压 (VBC) 变化的特性曲线。如果没有电容表，可以使用下图中的示例测试电路获取数据。图中还展示了通过此类电路获得的示例曲线，分别绘制了 VBC 和 Cj 随时间的变化。从这些曲线中，可以轻松读取同一时刻对应的 VBC 和 Cj 值。

  
  反向偏置 B-C 结电容的示例电路和曲线。

  从源曲线中获取一系列数据点，并将其输入向导。

  上图中的示例电路基于以下公式：

  I = C * (dv/dt)

  由该公式解出 C，得到：

  C = I/(dv/dt)

  该电路通过电压源 V1 产生斜坡电压。通过计算该斜坡电压的斜率，可以得到公式中的 dv/dt 部分。将测得的二极管电流除以斜坡电压的斜率，即可得到二极管电容曲线。上图中的两个图表与电路的对应关系如下：

  • 上图 – VBC 为 V1。

  • 下图 – Cj 为 q1[ic]/(dV1/dt)。

• Collector-Substrate Capacitance

  以下参数用于描述集电极-衬底结的反向偏置结电容：

  CJS		零偏置集电极-衬底电容（单位：法拉）。
  MJS		衬底结指数因子。
  VJS		衬底结内建电势（单位：伏特）。

  要提取这些参数，需要反向偏置 C-S 结电容 (Cj) 随电压 (VCS) 变化的特性曲线。如果没有电容表，可以使用下图中的示例测试电路 获取数据。图中还展示了通过此类电路获得的示例曲线，分别绘制了 VCS 和 Cj 随时间的变化。从这些曲线中，可以轻松读取同一时刻对应的 VCS 和 Cj 值。

  
  反向偏置 C-S 结电容的示例电路和曲线。

  从源曲线中获取一系列数据点，并将其输入向导。

  上图中的示例电路基于以下公式：

  I = C * (dv/dt)

  由该公式解出 C，得到：

  C = I/(dv/dt)

  该电路通过电压源 V1 产生斜坡电压。通过计算该斜坡电压的斜率，可以得到公式中的 dv/dt 部分。将测得的二极管电流除以斜坡电压的斜率，即可得到二极管电容曲线。上图 24 中的两个图表与电路的对应关系如下：

  • 上图 – VCS 为 V1。

  • 下图 – Cj 为 q1[is]/(dV1/dt)。

• Transit Times

  以下参数用于描述 BJT 的渡越时间：

  TF		理想正向渡越时间（单位：秒）。
  TR		理想反向渡越时间（单位：秒）。

  要提取这些参数，需要在向导中输入晶体管的单位增益频率 (fT)。这是晶体管电流增益变为 1 时的频率。该数据通常以简单数值的形式列在制造商的数据手册中。

  fT 通常列在数据手册的小信号特性部分，也称为电流增益带宽积或单位增益带宽。

  下图展示了制造商数据手册中此信息的呈现方式。图中所需的值（即应输入向导的值）为 100MHz。

  
  电流增益带宽积的表示例。

以下参数难以从测量数据中提取，通常也不会出现在制造商的数据手册中。向导既不会提取这些参数，也不会将其添加到生成的 BJT 模型文件中。虽然 MDL 文件中没有这些参数，但 SPICE 在仿真 BJT 器件时仍会使用其内置默认值。为便于参考，下面列出了这些默认值。

当然，您可以手动将上述任意参数添加到 MDL 文件中，并根据需要指定要使用的值。