PSpice建模 | 晶体三极管SPICE模型的建立

小飞哥玩嵌入式

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这一周模电课程开始进入晶体三极管的学习， 刚开始的二极管电路大多数同学都能跟上进度，但三极管的出现开始让大家感受到模电课的“魔”性，甚至直接导致很多同学连问问题都不知该从何问起~~

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但其实这都很正常，对一个新器件的认识需要一个过程，看书或看之前的重难点，坚持往下走就会慢慢领悟~~~
??????《晶体三极管的工作状态和伏安特性》
??????《考点精讲|晶体管的放大原理》
P.S.:上周的作业答案已经发布，菜单栏里寻找，或后台输入关键词“答案”获取????????






回归今天的主题
     PSpice建模

课上我们在学习晶体管的基本特征，了解它的放大状态、饱和状态和截止状态，在实际中不同型号的三极管会有着不同的数据参数，那在仿真软件中是如何模拟出不同型号的三极管的特性呢？这一期我们来介绍一下SPICE仿真中三极管的模型~~~
文章有些长，建议暂时不大理解的童靴先点赞后收藏，以后有需要时再细看??????

在PSpice中包含有六千多个型号的三极管仿真模型，但还是存在很多新的三极管在自带库中找不到模型，这就需要自己创建模型。在之前的PSpice系列中我们从电阻的模型引入了PSpice的建模，了解建模可以戳蓝字链接：《PSpice建模|从电阻模型谈起》，本期继续建模专题，这一期会介绍：
?? 三极管的PSpice模型
?? 曲线拟合构建三极管模型
?? 新建模型在典型电路中的应用





三极管的模型与模型参数
不同型号的三极管使用共同的PSpice参数，只是不同型号参数的数值是不相同的。
??  NPN型BJT的模型格式为：
.model QNAME  NPN (P1=V1 P2=V2 P3=V3……)
??  PNP型BJT的模型格式为：
.model QNAME    PNP (P1=V1 P2=V2 P3=V3……)
这里QNAME是BJT的模型名，它可以以任意字母开头，长度限制在8以内。P1、P2、……和V1、V2、……分别是模型参数和它们的值。
如：型号为Q2N3227的三极管编辑它的模型时，可以看到如下的PSpice模型内容：

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这些参数都是什么意思呢？通过下面的表格了解一下：
表1 BJT模型参数的含义

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这些参数是如何设定，具体数值应该如何计算，这需要微电子学专业的支持，感兴趣的童靴可以看网盘给的《Spice的编程》和《PSpice与电子器件的模型》这两本书：

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对于并不是微电子学专业科班出身的童靴和工程师，要想自己通过构建等效电路，然后通过公式推导得到这些参数，是非常非常困难的，更多的是借助辅助的建模工具来创建模型，比如：PSpice自带的Model Editor工具：

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使用曲线拟合的方式构建三极管模型






曲线拟合构建三极管模型
由于晶体管的PSpice模型参数与Datasheet中所列数据通常并不一一对应，因此创建PSpice模型时需要对实际参数进行提取，然后再将其转化为PSpice模型参数。下面以我们日常经常使用的SS8050硅NPN管为例，具体介绍曲线拟合建模的过程。

第一步：
在开始菜单的Cadence软件中找到Model Editor工具，并新建名称为SS8050的NPN晶体管元件库SS8050.lib。

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第二步
在晶体管模型界面中输入数据，如下图所示，晶体三极管模型输入界面中包含八组特性曲线：Ic-Vbe饱和电压、Ic-hoe输出导纳、Ic-hfe正向直流放大倍数，Ic-增益带宽、Ic-Vbe饱和电压、Ic-存储时间、Vcb-CB电容、Veb-EB电容。

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根据数据手册中相应的特性曲线对数据分别进行输入，精度取决于所取数据点的准确度和数量。数据点越多精度越高，当数据输入完成后，选择菜单命令Tools→Extract对模型参数进行提取。通常选择温度为25°C时对应的数据曲线。
1
Ic-Vbe饱和电压曲线的数据输入
Ic-Vbe饱和电压曲线主要对模型参数中IS，RB和NF进行估计。IS是半导体结参数，不要与饱和状态下的集电极电流相混淆。表2给出Vbe饱和电压影响的参数，最后的两个参数XTI和EG可以被改变，但是对于硅晶体管通常将它们设为默认值。

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Ic-Vbe饱和电压曲线坐标的含义：Ic表示Vbe的集电极电流，Vbe表示为当器件饱和时基极-发射极电压。另外，在数据输入窗口中还需设定饱和时的Ic/Ib的数值，注意饱和状态时的Ic/Ib数值远小于正常时电流放大倍数β。
图1是晶体管SS8050数据手册中的Ic-Vbe(sat)(Vce(sat))数据曲线。

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图1 数据文件中的Ic-Vbe(sat)(Vce(sat))数据曲线
选择Vbe(sat)的那条曲线，提取曲线上若干点的坐标，将坐标值输入数据输入窗口，然后选择菜单命令Tool→Extract或工具栏中对应的图标，对输入的数据进行曲线拟合，可以多次使用，直至得到用户认为的最合适曲线。如图2所示。

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图2 Ic-Vbe(sat)数据输入界面


2
Ic-Vce(sat)曲线的数据输入
晶体管Ic-Vce(sat)饱和电压模型按照G-P模型进行计算，为了保证模型计算参数准确，输入电流数值时尽量包括小电流值、中等电流值和大电流值。另外，在数据输入窗口同样需要设定饱和时的Ic/Ib的数值，注意饱和状态时的Ic/Ib数值远小于正常时电流放大倍数β。表3给出影响基极-集电极饱和电压的参数：

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特性曲线坐标含义：Ic表示Vce的集电极电流，Vce表示Ic的集电极-发射极电压。SS8050的Ic-Vce(sat)曲线和Ic-Vbe(sat)曲线在同一个图中，见图1的Vce(sat)那条曲线。提取曲线上若干点的坐标，如图3所示，将坐标值输入数据输入窗口，然后选择菜单命令Tool→Extract或工具栏中对应的图标，对输入的数据进行曲线拟合。

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图3 Ic-Vbe(sat)数据输入界面


3
Ic-hfe正向放大倍数曲线的数据输入
Ic-hfe正向放大倍数曲线主要用于估算表4中所列的参数。对于双极型晶体管，XTB的值已被设定为零，但也可以根据实际参数进行修改。有时设置多条温度特性数据曲线，然后对XTB模型数值进行计算。

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Ic-hfe正向直流放大倍数曲线坐标的含义：Ic表示hFE的集电极电流，hFE表示Ic的正向电流β。在数据输入窗口中需设定Vce的数值。
图4是晶体管SS8050数据手册中的Ic-hfe数据曲线。

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图4 数据文件中的Ic-hfe数据曲线
同样选择提取曲线上若干点的坐标，将坐标值输入数据表格窗口，然后选择菜单命令Tool→Extract或工具栏中对应的图标，对输入的数据进行曲线拟合，得到如图5所示界面。

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图5 Ic-hfe数据输入界面


4
Ic-hoe输出导纳的数据输入
该特性曲线坐标含义：Ic表示hoe的集电极电流，hoe表示Ic和Vce的小信号开路输出导纳。
双极型晶体管的输出导纳对参数VAF进行估计，参数VAF指的是正向欧拉电压，它在晶体管等效电路的G-P模型中是控制基极宽度变化，并表现在输出电导上。
如果管子数据手册中能够找到对应的Ic-hoe曲线，就可以直接描点将其输入，如果没有找到，也可以根据输出特性曲线求解不同Ic下对应的输出导纳的值。

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图6 Ic-hoe数据输入界面


5
Ic-增益带宽曲线数据输入
晶体管的增益带宽主要对参数TF进行估计，它和集电极-基极电容一样限制高频增益。TF的值也控制开关电路里的上升和下降时间，这是另一种测量晶体管速度的方式，虽然在上升/下降时间和高频截止频率之间没有固定的转换方法。表8给出影响增益带宽的参数：

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图7是SS8050数据手册上的Ic-fT曲线。很多晶体管数据手册中可能没有Ic-fT曲线，可以根据Ic-tf曲线对TF参数直接读取。

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图7 晶体管数据手册中的Ic-fT曲线
同样提取曲线上若干点的坐标，将坐标值输入数据表格窗口，然后选择菜单命令Tool→Extract或工具栏中对应的图标，对输入的数据进行曲线拟合，得到如图8所示界面。

图8 Ic-增益带宽的数据输入界面


6
Ic-ts存储时间曲线数据输入
晶体管存储时间用于计算理想反向传输时间TR, 主要用于设置晶体管关断至完全离开饱和区的时间延迟，由晶体管正向和反向工作特性决定。进行数据输入时，要确定饱和状态时的放大倍数。  
由于SS8050的数据手册中没有找到Ic-ts存储时间的特性曲线，于是TR参数按默认值设置。通常情况下晶体管的TR=10TF，所以可以通过图8拟合后得到TF的值乘以10，然后手动修改TR的数值
7
Vcb-CB电容的曲线数据输入
根据非零反向偏置集电极-基极电容曲线计算参数CJC和MJC模型参数。表9给出影响基极-集电极电容的参数：

特性曲线坐标含义：Vcb表示集电极-基极结的反向电压，Cobo表示Vcb的开路输出电容。图9是SS8050数据手册的曲线，提取图9中下面那条Cob的曲线坐标（上面那条马上也要用到哦（*＾-＾*）），输入至模型编辑器中数据窗口，然后选择菜单命令Tool→Extract对输入的数据进行曲线拟合，得到如图10所示界面。

图9 数据手册中Vcb-Cobo和Veb-Cibo的特性曲线

图10 Vcb-Cobo数据输入界面
不急，还剩最后一条曲线了??????
8
Veb-EB电容曲线的数据输入
根据非零反向偏置EB电容曲线对参数CJE和MJE进行了估计。表10给出影响发射极-基极电容的参数：

SS8050的Veb-Cibo曲线见图9的上面那条Cib曲线，数据输入界面如图11所示。

图11 Veb-Cibo曲线的数据输入
经过这一系列的复刻datasheet上的特性曲线，为的就是让这个Model Editor软件帮我们计算出表1中BJT模型的主要参数。模型的参数提取完毕，直接保存为ss8050.lib文件


9
利用lib文件生成olb文件
选择菜单File→Export to Capture Part Library生成olb文件：

这样就生成了符合PSpice仿真要求的lib文件和olb文件







晶体管典型电路测试自建模型
接下来我们用经典的共射放大电路来验证这个经过曲线拟合提取参数构建的三极管模型

新建工程，搭建如图12所示的共射放大器：

图12 自建晶体管构成的共射放大电路
要成功调用自己构建的模型，主要把握以下两点：
1
添加olb文件
注意在选择新建的晶体管时需要在绘图工具栏中选择放置器件（Place Part）的图标，再通过添加图13中的ss8050.olb文件，就可以将自建的晶体管图标放置在电路图中了。

图13 选择放置自建器件
2
在工程中添加lib文件
在仿真设置窗口中还需要将自建的模型库添加到工程中，选择Configuration Files→Library,如图14所示的操作顺序，将ss8050.lib文件加载进工程，如果只是增加到这一个工程中，第二步选择“Add to Design”；如果希望其他工程也用到这个器件，第二步选择“Add as Global”。

图14 添加自建库文件到工程中
有上面这两步，运行仿真就不再会出现弹出““Model … is undefined”的错误了。按照我们之前推送的PSpice AD系列的教程，可以得到这个放大器静态工作点：

可以看出该电路下的晶体管的集电极电流为1.19mA，电流放大倍数β=175，和数据手册数据是吻合的。
也可以利用AC Sweep得到放大器的幅频特性

有需要这个工程源代码的，可以到网盘下载




好了，这一期好长呀，估计绝大多数童靴都是直接拉到最后，然后回复：沙发????。毕竟暂时还用不到建模，但公众号里有不少是专门进来看PSpice仿真教程的，那估计会有些帮助。PSpice系列的下一期我们会介绍另一个重要的晶体管——场效应晶体管的建模，等我们校内课讲完场效应管再介绍哦~~~下期见????????

END