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3.14: Modelos SPICE

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El programa de simulación de circuitos SPICE proporciona el modelado de diodos en simulaciones de circuitos. El modelo de diodo se basa en la caracterización de dispositivos individuales como se describe en una hoja de datos del producto y características del proceso de fabricación no enumeradas. Parte de la información se ha extraído de una hoja de datos 1N4004 en la Figura siguiente.

Ficha técnica 1N4004 extracto, después de [DI4].

La instrucción de diodo comienza con un nombre de elemento de diodo que debe comenzar con “d” más caracteres opcionales. Ejemplos de nombres de elementos de diodo incluyen: d1, d2, dtest, da, db, d101. Dos números de nodo especifican la conexión del ánodo y el cátodo, respectivamente, a otros componentes. Los números de nodo van seguidos de un nombre de modelo, haciendo referencia a una sentencia “.model” posterior.

La línea de declaración del modelo comienza con “.model”, seguida del nombre del modelo que coincide con una o más declaraciones de diodo. A continuación, una “d” indica que se está modelando un diodo. El resto de la declaración del modelo es una lista de parámetros de diodo opcionales del formulario parameterName=parameterValue. Ninguno se utiliza en el Ejemplo a continuación. Ejemplo2 tiene algunos parámetros definidos. Para obtener una lista de parámetros de diodo, consulte la Tabla a continuación.

El enfoque más fácil de tomar para un modelo SPICE es el mismo que para una hoja de datos: consulte el sitio web del fabricante. La siguiente tabla enumera los parámetros del modelo para algunos diodos seleccionados. Una estrategia alternativa es construir un modelo SPICE a partir de los parámetros enumerados en la hoja de datos. Una tercera estrategia, no considerada aquí, es tomar medidas de un dispositivo real. Después, calcula, compara y ajusta los parámetros SPICE a las mediciones.

Si los parámetros de diodo no se especifican como en el modelo “Ejemplo” anterior, los parámetros toman los valores predeterminados enumerados en la Tabla anterior y en la Tabla siguiente. Estos valores predeterminados modelan diodos de circuito integrado. Estos son ciertamente adecuados para trabajos preliminares con dispositivos discretos Para trabajos más críticos, use modelos SPICE suministrados por el fabricante [dIN], proveedores SPICE y otras fuentes. [smi]

De lo contrario, derivar algunos de los parámetros de la hoja de datos. Primero seleccione un valor para el parámetro de especia N entre 1 y 2. Se requiere para la ecuación de diodo (n). Massobrio [PAGM] pp 9, recomienda “.. n, el coeficiente de emisión suele ser de alrededor de 2”. En la Tabla anterior, vemos que los rectificadores de potencia 1N3891 (12 A), y 10A04 (10 A) ambos usan aproximadamente 2. Los cuatro primeros en la tabla no son relevantes porque son schottky, schottky, germanio y silicio de pequeña señal, respectivamente. La corriente de saturación, IS, se deriva de la ecuación del diodo, un valor de (V D, I D) en la gráfica de la Figura anterior, y N=2 (n en la ecuación del diodo).

Los valores numéricos de Is=18.8n y N=2 se ingresan en la última línea de la Tabla anterior para su comparación con el modelo de fabricantes para 1N4004, el cual es considerablemente diferente. RS por defecto es 0 por ahora. Se estimará posteriormente. Los parámetros estáticos de CC importantes son N, IS y RS. Rashid [MHR] sugiere que TT, τ D, el tiempo de tránsito, se aproxime a partir de la carga almacenada de recuperación inversa Q RR, un parámetro de hoja de datos (no disponible en nuestra hoja de datos) e I F, corriente directa.

Tomamos el TT=0 por defecto por falta de Q RR. Aunque sería razonable tomar TT para un rectificador similar como el 10A04 a 4.32u. El 1N3891 TT no es una opción válida porque es un rectificador de recuperación rápida. CJO, la capacitancia de unión de polarización cero se estima a partir de la gráfica V R vs C J en la Figura anterior. La capacitancia a la tensión más cercana a cero en la gráfica es de 30 pF a 1 V. Si se simula la respuesta transitoria de alta velocidad, como en las fuentes de alimentación del regulador de conmutación, se deben proporcionar los parámetros TT y CJO.

El coeficiente de gradación de unión M está relacionado con el perfil de dopaje de la unión. Este no es un elemento de la hoja de datos. El valor por defecto es 0.5 para un cruce abrupto. Optamos por M=0.333 correspondiente a una unión graduada linealmente. Los rectificadores de potencia en la Tabla anterior utilizan valores menores para M que 0.5.

Tomamos los valores predeterminados para VJ y EG. Muchos más diodos usan VJ=0.6 que los mostrados en la Tabla anterior. Sin embargo el rectificador 10A04 utiliza el predeterminado, que utilizamos para nuestro modelo 1N4004 (Da1N4001 en la Tabla anterior). Utilice el EG=1.11 por defecto para diodos de silicio y rectificadores. La tabla anterior enumera los valores para diodos schottky y germanio. Tome el XTI=3, el coeficiente de temperatura IS predeterminado para los dispositivos de silicio. Consulte la Tabla anterior para XTI para diodos schottky.

La hoja de datos abreviada, Figura anterior, enumera I R = 5 µA @ V R = 400 V, correspondiente a IBV=5U y BV=400 respectivamente. Los parámetros SPICE 1n4004 derivados de la hoja de datos se listan en la última línea de la Tabla anterior para su comparación con el modelo del fabricante listado arriba. La BV solo es necesaria si la simulación excede la tensión de ruptura inversa del diodo, como es el caso de los diodos zener. IBV, corriente de ruptura inversa, se omite frecuentemente, pero se puede ingresar si se proporciona con BV.

La siguiente figura muestra un circuito para comparar el modelo del fabricante, el modelo derivado de la hoja de datos y el modelo por defecto usando parámetros predeterminados. Las tres fuentes ficticias de 0 V son necesarias para la medición de la corriente de diodo. La fuente de 1 V se barre de 0 a 1.4 V en pasos de 0.2 mV. Consulte la declaración.DC en la lista de redes en la Tabla a continuación. DI1N4004 es el modelo de diodo del fabricante, Da1N4004 es nuestro modelo de diodo derivado.

Circuito SPICE para la comparación del modelo del fabricante (D1), el modelo de hoja de datos calculado (D2) y el modelo por defecto (D3).

Comparamos los tres modelos de la Figura a continuación. y a los datos del gráfico de la hoja de datos en la Tabla siguiente. VD es el voltaje del diodo frente a las corrientes de diodo para el modelo del fabricante, nuestro modelo de hoja de datos calculado y el modelo de diodo predeterminado. La última columna “1N4004 graph” es de la hoja de datos de voltaje versus curva de corriente en la Figura anterior que intentamos hacer coincidir. La comparación de las corrientes para el modelo de tres con la última columna muestra que el modelo por defecto es bueno en corrientes bajas, el modelo del fabricante es bueno en corrientes altas, y nuestro modelo de hoja de datos calculado es lo mejor de todo hasta 1 A. El acuerdo es casi perfecto a 1 A porque el cálculo IS se basa en diodo voltaje a 1 A. Nuestro modelo groseramente sobre estados de corriente por encima de 1 A.

Primera prueba del modelo del fabricante, modelo de hoja de datos calculado y modelo predeterminado.

La solución es aumentar RS desde el RS=0 predeterminado. Cambiar RS de 0 a 8m en el modelo de hoja de datos hace que la curva se intersecte 10 A (no se muestra) al mismo voltaje que el modelo del fabricante. Al aumentar la RS a 28.6 m, la curva se desplaza más hacia la derecha como se muestra en la Figura a continuación. Esto tiene el efecto de hacer coincidir más estrechamente nuestro modelo de hoja de datos con el gráfico de la hoja de datos (Figura anterior). La siguiente tabla muestra que la corriente 1.224470e+01 A a 1.4 V coincide con la gráfica a 12 A. Sin embargo, la corriente a 0.925 V se ha degradado de 1.096870e+00 arriba a 7.318536e-01.

Segundo ensayo para mejorar el modelo de hoja de datos calculado comparado con el modelo del fabricante y el modelo predeterminado.

Ejercicio de lector sugerido: disminuir N para que la corriente a VD=0.925 V se restaure a 1 A. Esto puede aumentar la corriente (12.2 A) a VD=1.4 V requiriendo un aumento de RS para disminuir la corriente a 12 A.

Diodo Zener: Hay dos enfoques para modelar un diodo zener: establecer el parámetro BV a la tensión zener en la declaración del modelo, o modelar el zener con un subcircuito que contiene una abrazadora de diodo ajustada a la tensión zener. Un ejemplo del primer enfoque establece el voltaje de ruptura BV en 15 para el modelo de diodo zener 1n4469 de 15 V (IBV opcional):

El segundo enfoque modela el zener con un subcircuito. Clamper D1 y VZ en la figura siguiente modelan el voltaje de ruptura inversa de 15 V de un diodo zener 1N4477A. El diodo DR representa la conducción directa del zener en el subcircuito.

Diodo de túnel: Un diodo de túnel puede ser modelado por un par de transistores de efecto de campo (JFET) en un subcircuito SPICE. [KHM] En esta referencia también se muestra un circuito oscilador.

Diodo Gunn: Un diodo Gunn también puede ser modelado por un par de JFET. [ISG] Esta referencia muestra un oscilador de relajación de microondas.

Revisar

• Los diodos se describen en SPICE mediante una declaración de componente de diodo que se refiere a la declaración.model. La declaración.model contiene parámetros que describen el diodo. Si no se proporcionan parámetros, el modelo toma valores predeterminados.
• Los parámetros estáticos de CC incluyen N, IS y RS. Parámetros de avería inversa: BV, IBV.
• La sincronización dinámica precisa requiere parámetros TT y CJO
• Los modelos proporcionados por el fabricante son muy recomendables.

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