Используемая в СМ AIM-Spice модель диода имеет параметры, близкие к параметрам моделей диода, используемых в других версиях программы SPICE (например, PSpice). Однако, в отличие от них, версия AIM-Spice поддерживает два варианта моделей диода: Level 1 (рассмотренная в данном разделе модель для обычного диода) и Level 2 (модель диода на базе гетероперехода). Последняя модель поддерживается только программой AIM-Spice. В силу сложности физических процессов, лежащих в ее основе, ее параметры будут рассмотрены позднее.
Тип используемой модели входит в число параметров Spice-модели диода и задается в виде спецификации LEVEL = X, где X – номер модели. По умолчанию в программе используется вариант Level 1, поэтому при моделировании простого диода этот параметр можно не указывать.
Для имитации влияния неидеальных эффектов на ВАХ реального диода (рис. 1) используются следующие параметры SPICE-модели диода:
IS = 192,1p; N = l; XTI = 3; EG = l,l; CJO = 893,8f; M = 98,29m; VJ = 0,75; FC = 0,5; BV = 5; IBV = 10u; NR = 2; ISR = 16,91n; RS = 0,l; IKF = le-2, которые аналогичны параметрам диода, приведенным далее разделе «Пример 1. Моделирование простого стабилизатора напряжения».
Примечание.
Назначение и физический смысл ряда приведенных здесь параметров Spice модели диода рассматриваются ниже.
Рис.1. SPICE-модель диода с p–n-переходом
Здесь генератор тока представляет диффузионный ток идеального p-n-перехода с набором соответствующих ему параметров – тока насыщенияIS и коффициента неидеальности N под знаком экспоненты:
. (1)
Здесь Vdi– напряжение, падающее на внутреннем диоде (собственно на области пространственного заряда).
ПРИМЕЧАНИЕ
В данной лекции все SPICE-параметры выделены жирным шрифтом.
Коэффициент KHlвведен дляучета эффектов высокого уровня инжекции.Используемое для его расчета выражение позволяет выделить два режима работы диода, соответствующие низкому и высокому уровням инжекции:
– для IKF > 0;
– в другом случае, (2)
где IKF – SPICE-параметр диода, определяющий ток, соответствующий переходу в режим высокого уровня инжекции.
Для расчета генерационно-рекомбинационной составляющей тока диода IGR здесь использовано выражение (3):
, (3)
гдеISRиNR – ток насыщения и коэффициент неидеальности для генерационно-рекомбинационного тока, соответственно;
VJ – контактная разность потенциалов перехода.
Отметьтим, что члены в первых квадратных скобках используются для масштабирования ширины обедненной области с потенциалом Vdiдля произвольного профиля распределения примеси, задаваемого с помощью коэффициента M (для резкого перехода его величина равна ½, для линейного – ⅓). Константа, равная 0,001, введена для решения в программе SPICE проблемы сходимости при численном решении системы уравнений.
Ток пробоя IB моделируется с помощью выражения (4):
, (4)
где IBV – ток начала «излома» ВАХ диода в области пробоя;
BV – напряжение пробоя.
Емкость диода C включает в себя две составляющие – барьерную емкость Cd и диффузионную емкость Cdif.
В программе SPICE барьерная емкость вычисляется с помощью выражения (5), представляющего обобщенный вариант выражения для барьерной емкости. Первая часть этой формулы дает аппроксимацию нелинейной зависимости емкости от напряжения для произвольного профиля распределения примеси (с помощью коэффициента M) в области обратных и небольших прямых смещений. Вторая часть предназначена для моделирования барьерной емкости в области больших прямых напряжений (когда Vdi > FC·VJ, где FC так называемый коэффициент барьерной емкости при прямом смещении). Скорректированное выражение для барьерной емкости в области больших прямых смещений предназначено для устранения проблем сходимости численных методов при использовании стандартного выражения для расчета Cd.. Это связанно с неконтролируемым ростом Сd при приближении напряжения на внутреннем диоде Vdi к величине контактной разности потенциалов VJ:
– при Vdi £ FC · VJ;
(5)
– приVdi ³ FC · VJ.
Здесь CJO – барьерная емкость при нулевом смещении на p–n-переходе.
Диффузионная емкость Cdif. определяется с помощью выражения (6):
,(6)
где TT – параметр, называемый временем пролета (tTT);
Gd– дифференциальная проводимость перехода;
I – постоянный ток диода, определяемый с помощью выражений (1) ÷ (3).
Дополнительно к перечисленным здесь параметрам SPICE-модель диода включает также шумовые параметры p–n-перехода. Полная модель позволяет также моделировать температурные зависимости некоторых ее параметров.
Пример 4.1. Моделирование простого стабилизатора напряжения
Соединение одного или более диодов последовательно с резистором и источником напряжения позволяет реализовать достаточно простой способ получения стабилизированного напряжения, слабо зависящего от флуктуации напряжения источника питания. Пример возможного варианта реализации такой схемы дан на рис. 2, где цепочка из четырех диодов соединена последовательно с резистором R1 номиналом 1 K и источником постоянного напряжения VP номиналом 10 В. В данном примере источник напряжения VF добавлен в схему для имитации возникновения случайных флуктуаций напряжения источника питания. Поскольку падение напряжения на каждом из прямосмещенных диодов остается приблизительно постоянным (на уровне 0,7 В) в широком диапазоне токов, напряжение, снимаемое с выхода (узел 3), должно стабилизироваться на уровне 2,8 В.
Рис. 2. Схема простого стабилизатора напряжения
Для оценки качества работы предлагаемого стабилизатора напряжения воспользуемся программой AIM-Spice. Будем полагать, что флуктуации напряжения носят синусоидальный характер с частотой 50 Гц и амплитудой 1 В. Листинг описания схемы, приведенной на рис. 2, дан на рис. 3. Для анализа стабильности выходного напряжения использован режим анализа переходного процесса в диапазоне от 0 до 100 мс с шагом 0,5 мс.
Simple Voltage Regulator
Vp 1 0 dc 10
Vf 1 2 dc 0 sin(0 1 50)
r1 2 3 1k
d1 3 4 kd522a
d2 4 5 kd522a
d3 5 6 kd522a
d4 6 0 kd522a
.model kd522a d is=880.5E-18 rs=.25 ikf=0 n=1
+ xti=3 eg=1.11 cjo=175p m=0.5516 vj=.75 fc=.5
+ isr=1.859n nr=2 bv=4.7 ibv=20.245m
Рис. 3.Листинг описания схемы простого стабилизатора напряжения. В данном примере использована модель диода KD522A
. (1)
, (3)
, (4)
,(6)