Создание SPICE модели. Электронная модель элемента

Проверка и создание модели
Проведение проверки SPICE моделей является необходимой и важной частью проектирования схем. От точности введенных параметров зависит правильность и корректность работы проектируемой схемы. В данной работе рассматривается процесс проверки компонентов – составление схем, анализ, сравнение SPICE-моделей (далее – моделей) с ТУ.

Создание модели в программе Microcap
На основании данных, взятых из ТУ(технических условий), а также проведенных лабораторных измерений создадим SPICE модель транзистора 2Т633А. Начнем с открытия нового файла библиотеки моделей по команде File>New, в появившемся окне выбираем MDL (Рисунок 1), затем следует нажать кнопку ОК. Создастся файл данных мо­дели MDL1.MDL. Затем следует нажать кнопку Add Part и выбрать из раскрывающего списка нужный тип компонента – NPN (Рисунок 2).

Рисунок 1. Окно выбора MDL
После этого открыва­ется окно, в котором курсор первоначально нахо­дится в первом текстовом поле, Т1. После этого необходимо набрать в тек­стовом поле Т1 имя моделируемого компонента, в нашем случае это 2T633A. Следует отметить, что имя компонента следует вводить только латинскими буквами. В следующие поля можно ввести произвольные комментарии (вот здесь можно использовать и символы кириллицы).На первом экране в таблицу данных заносят значения тока коллектора Iс и напряжения база-эмиттер Vbe в режиме насыщения.
Нажимаем Ctrl+I и Ctrl+T –инициализация и оптимизация.

Рисунок 2. Выбор типа компонента

При вбивании в таблицу значений на выходе получаем коэффициенты, которые получаются благодаря решению математических выражений, заложенных в программу создания SPICE моделей (их мы всегда может определить по значениям в правом нижнем углу, они автоматически генерируются при внесении значений в таблицу), в нашем случае – MicroCap. (Все формулы, использующиеся в расчетах, можно найти в книге «Программа схемотехнического моделирования. MicroCap 8». М.А.Амелина, С.А.Амелин ).

Рисунок 3,4. Параметры биполярного транзистора на выходе создания SPICE моделей и их физический смысл
В ТУ обычно даются параметры статического коэффициента передачи по току, напряжения насыщения коллектор – эмиттер, барьерная емкость перехода коллектор – база и время накопления заряда. Лабораторные измерения (дополнительные справочные) проводят для параметров функции тока коллектора от напряжения база – эмиттер, функции выходной проводимости от тока коллектора, функции барьерной емкости перехода эмиттер — база.

Рисунок 5. Окно задания параметров тока коллектора и напряжения база – эмиттер

Рисунок 6. Задание параметров выходной проводимости от тока коллектора

Рисунок 7. Задание параметров статистического коэффициента передачи по тока от тока коллектора

Рисунок 8. Задание параметров напряжения насыщения (коллектор – эмиттер) от тока коллектора

Рисунок 9. Задание параметров барьерной емкости перехода коллектор — база

Рисунок 10. Задание параметров емкости перехода эмиттер-база

Рисунок 11. Задание параметров времени накопления заряда от тока коллектора

Рисунок 12. Задание параметров площади усиления от тока коллектора
Полученные результаты: ****** 2T633ex.LIB * Date 05.09.2013 Time 15:56:42******** NIEMI
.MODEL 2T633A_ex_ NPN (BF=146.955639437064 BR=122.914730396943m
+ CJC=5.605819540309p CJE=2p FC=500.000002167803m IKF=373.441714455758m
+ IKR=139.15748203652m IS=9.868837373215f ISC=1.402657863122p
+ ISE=768.705298486744f ITF=9.366345833763m MJC=311.147697765699m MJE=500m
+ NC=2.000000002364 NE=1.477809628129 NF=627.628388083092m RE=1.999999999998
+ TF=209.388709132481p TR=10n VAF=100 VJC=700.332151113368m VTF=9.999999935768
+ XTF=500.002251875648m)
При том, что параметры, приведенные в транзисторе MPS 3866 (аналог транзистора 2Т633А): .MODEL MPS3866 NPN (IS=40.6F NF=1 BF=130 VAF=98.6 IKF=0.24 ISE=40.3P NE=2 BR=4 NR=1 VAR=14 IKR=0.36 RE=0.129 RB=0.515 RC=51.5M XTB=1.5 CJE=48.4P VJE=1.1 MJE=0.5 CJC=15.6P VJC=0.3 MJC=0.3 TF=318P TR=221N)
Физический смысл параметров приведен выше.
P.S.: При знании всех необходимых параметров можно создать SPICE моделей без использования соответствующих программ моделирования компонентов.
Проверка электрических моделей
Так как при проверке выходных характеристик зарубежного аналога 2Т633А относительная погрешность составила 13,3% от данных в технических условиях, составим схему проверки ее с созданным транзистором. Схема представлена на рисунке 13.

Рисунок 13. Схема проверки транзисторов
R1, R6, R3, R5 – резисторы для уменьшения влияния транзисторов друг на друга;
R7 – внутреннее сопротивление источника.
Полученный результат при моделировании – рисунок 14. Синим показана ВАХ спроектированного транзистора, красным – ВАХ MPS 3866.

Рисунок 14. ВАХ двух транзисторов

Схемы для проверки модели
Схема для исследования входных характеристик биполярного транзистора

Рисунок 15. Исследование входных характеристик
Окно задания параметров построения входных характеристик

Рисунок 16. Задание параметров

Схема для исследования выходных характеристик биполярного транзистора

Рисунок 17. Схема для исследования выходных характеристик БТ

Рисунок 18. Окно задания параметров построения выходных характеристик

Создание SPICE моделей в Altium Designer
Создаем библиотеку компонентов File > New > Library > Schematic Library, затем после создания УГО (условно – графического обозначения элемента) в правом нижнем углу выбираем Add > Simulation (Рисунок 5), в появившемся окне выбираем нужный элемент. В нашем случае – биполярный транзистор, нажимаем Create в появившемся окне (Рисунок 6) следуем настройкам, задаем имена, выбираем полноту SPICE модели (Рисунок 7).

Рисунок 5. Выбор задания SPICE модели компонента

Рисунок 6. Окно задания параметров биполярного транзистора

Рисунок 7. Панель выбора вводимых параметров модели
Использованные источники:
1. Галев А.В. «Расчет параметров модели диода и биполярного транзистора по результатам лабораторных исследований», Москва 2013
2. М.А.Амелина, С.А.Амелин «Программа схемотехнического моделирования. MicroCap 8». Москва, «Горячая линия – телеком» , 2007
3. Сабунин А.Е. «Altium Designer. Новые решения в проектировании электронных устройств», Москва, Солон-пресс, 2009
.