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Spice模型介绍

为了模拟各个元件的电气特性,需要对其进行数学描述,描述元件特性的基本方程式已写入Spice模型(用户也可以自行添加,在下个章节介绍)。

由于这些方程组很大程度上是基于器件的半导体物理特性和制造工艺,因此对于某些系列的器件(例如MOSFET)可以使用不同的方程组来描述同一种类的器件。对于不同的制造商,为了以不同的精度表示的话所使用的方程表达式也有所不同。方程组的系数以列表的形式整合在一起,用来描述特定器件的功能系数关系称为模型。模型中的各个系数称为模型参数。以这种方式编写的设备模型称为.model语句。

Spice模型有.model和.subckt两种类型,子电路编写的模型为.model,多个子电路模型组合而成为.subckt,其中.subckt模型数据中也可以包含.model语句,它们之间可以相互嵌套,相互联系,共同构成电路功能。

一个器件有多个模型?

我们在进行仿真的时候可能会发现一个器件有两个或多个不同的模型数据,它们的仿真结果可能相差不大,也有可能在特殊情况下有所区别,主要存在以下几点原因:

(1)由于每个器件系列(电阻,二极管,晶体管等)由一组或多组方程式描述,所以每个系列都有一个或多个可用的模型;

(2)另外,由于制造商生产出了相关芯片,但还没有进行开发设备模型,当模型越复杂,需要制造商就必须花费更多的时间进行测量以得出模型参数。因此,如果制造商认为可以用某个简单的模型来充分描述该器件,那么他们将使用该模型进行匹配;

(3)也有可能是不同制造商的制造工艺可能存在细微差异,导致所使用的.subckt模型不一致,比如不同厂商在设计UC384x系列SMPS控制器的振荡器部分就有所不同;

(4)另外有时为了避开版权保护,造成模型之间的差异。而有些差异是针对部分模拟进行优化的,甚至有些差异只是由于模型编写者的习惯偏好。

为什么有的器件没有模型?

并非所有器件都具有可以在立创EDA中运行的仿真模型。有以下多种可能存在的原因。

(1)某些器件型号可能是没有公开可用的模型;

(2)某些设备的模型根本不存在,因为制造商从未创建过它们;

(3)有些模型是加密的,只能在某些专有的仿真工具中运行;

(4)由于受版权或最终用户许可的限制,某些型号可能在立创EDA中不可用,因此它们只能在某些专有的仿真工具中运行,或者不能公开共享;

由于Spice最初并不是为支持电子设备而编写的,这些的模型仅以.subckt形式存在。它们通常是由电子爱好者友而非制造商创建的,立创EDA现有的仿真模型库是从我们认为已经编写了相当准确的模型的资源中收集的。

由于从制造商处获得的型号和资源通常受版权限制使用前需要注意尊重用户许可协议中包含的所有版权声明,在授予访问模型的可下载副本之前或在模型本身中可能必须接受这些版权声明。同样,包含在商业仿真工具库中的模型也受版权限制。

通常可以在论坛,社区和厂商官网中找到相应的器件模型。我们留意并判断这些器件模型是否合适,在非官方渠道得到的数据难以确定其来源,也很难验证,而且复制这一类模型还有可能违反了创作者的版权。

Spice模型与实际器件

前面已经提到过同个器件的Spice模型并非都是一样的,可能是来自不同制造商的同一设备的型号模型存在差异。有时为了简化仿真而以保持准确性为代价来简化模型数据,也有保证器件的准确性将模型设计非常复杂导致仿真时间过长的情况。在模型的开头可能包含一些文本,用来描述它们的功能或局限性等信息,阅读此信息通常很有用,因为它可以帮助我们了解使用它们的仿真的情况。

某些运算放大器模型非常详细和准确,但是必须注意检查它们是否使用与LTspice兼容的语法编写。如果不进行某些语法更改,则为某些商业模拟器量身定制的设备将无法在LTspice中运行。即使是某些非常详细的运算放大器模型也不会模拟电源消耗电流,包括简单的DC静态电流和添加负载电流的动态行为。这可能是一个优势,因为它减少了必须模拟的信号电流。这也意味着,对于那些不模拟电源消耗电流的设备,因为它们不消耗任何电流,因此绝对不应该包括任何电源轨去耦电路,它们仅使用电源电压来定义诸如共模范围或输出之类的电路。

一些运算放大器模型可能没有尝试准确地模拟输出级行为与负载电流的关系。同样,许多设备模型在输入轨上方或下方时,也无法模拟输入和输出的行为。很少有器件模型能够模拟电源反向连接错误或正确连接的设备(其承受的电源电压超过所述绝对最大电源差分电压)的过多电源消耗电流。

立创EDA中有许多设备模型是专门编写的,用于再现它们所模型化的设备的真实世界行为。例如:可以设置立创EDA内部运算放大器行为宏模型,以提供输出电压摆幅,范围从轨到轨到非轨到轨输出运放的受限摆幅。输出摆幅可以不对称;对输入电阻,偏置和失调电流以及输入失调电压进行建模;对输入差分和共模电压范围进行了建模;如果输入或输出引脚位于电源轨的上方或下方;或者电源极性接反,则器件的电流消耗行为将被建模;由于输入超出共模范围而导致的输出极性反转是针对具有此类行为的设备建模的;对与频率有关的共模和电源抑制建模;但是目前还没有对依赖于噪声和温度的影响进行建模。

立创EDA具有内部行为宏模型,可以对其进行量身定制,以建模各种三端稳压器和可调正负线性稳压器,这些稳压器的实际行为与opamp模型相似。

对于某些内部立创EDA模型,只需查看其已放入任何已保存电路的仿真网表,就可以在.subckt定义本身中找到有关它们的更多信息。

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