|
1 引言 計算機仿真具有效率高、精度高、可靠性高和成本低等特點，已被廣泛應用于電力電子電路(或系統(tǒng))的分析和設計。計算機仿真不僅可以取代系統(tǒng)許多繁瑣的人工分析，減輕勞動強度，提高分析和設計能力，還可以對電路進行優(yōu)化和改進，最大限度地降低設計成本，縮短系統(tǒng)研發(fā)周期。但這些優(yōu)點都是基于元器件模型，電路的數(shù)學化主要是元器件的模型化，可以說沒有模型化就沒有電路的仿真分析。簡單的元器件，比如，電阻、電容和電感等，只需要一個或幾個參數(shù)就可以描述其電學性能。而各類半導體和集成器件，則需用很多參數(shù)來描述較復雜的建模過程。目前各種仿真工具中都自帶很多常用的元器件模型，但是自帶模型庫永遠跟不上電子元器件的更新速度。這里針對建模的重要性和必要性，研究當前流行的電子電路仿真工具的電子元器件模型，提出兩種建模方法：參數(shù)建模法和子電路建模法。 2 參數(shù)建模法 參數(shù)建模法主要是針對加工工藝相同的一類半導體器件提出的，其工作過程是先利用物理法或黑箱法構(gòu)建出不同復雜程度的等效電路，然后通過公式演算，得出這類半導體器件的參數(shù)。在使用過程中，若遇到該類器件，就可以通過直接設置參數(shù)值實現(xiàn)不同型號元器件的建模，從而省去重復構(gòu)建等效電路和繁瑣的方程式推導過程。 下面以N溝道MOS(metal-oxide semiconductor)晶體管為例說明等效電路與參數(shù)之間的關(guān)系。典型的N溝道MOS晶體管組成示意圖如圖1所示。 設置柵極寬度為W，有效柵極長度為L，柵極下氧化層的厚度為tOX。MOS管的特性方程為： 式中，COX是每單位面積的柵極電容。Vth為柵極-源極間的閾值電壓。 當VDS增加時，ID上升，直到溝道的漏極末端夾斷，ID不再上升。這種夾斷發(fā)生在VDS=VGS-Vth時。因此工作區(qū)MOS管的特性方程可簡化為： 通過式(2)得到如圖2所示的MOS晶體管等效電路，其中壓控電流源gmVgs是模型中最重要的部分，晶體管的跨導gm定義為： 將式(2)代入式(3)，可得出： 圖2中，gsVs表示第2個壓控電流源，模擬漏極電流id上的體效應。當源極與地相連時，或其電壓不變化時，此電流源可忽略。當體效應不能忽略時，則有： 式中，γ是體效應參數(shù)，|2φF|為表面反轉(zhuǎn)電勢。 圖2中，電阻rds表示有限輸出阻抗，模擬溝道長度調(diào)節(jié)和漏極電流因Vds改變而引起的效應，由式(1)可得： 圖2中，電容的求解過程參見參考文獻，以下給出結(jié)果： Cgs是最大電容，需要較高精確度時可表示為： 其中LD是重疊區(qū)的距離。 第2大電容Csb表示為：式中，As是源極的結(jié)面積，Ps是源極的結(jié)周長，不包括與溝道相鄰的一邊，Cj-sw表示0 V偏置下的側(cè)壁電容。 （Cj0偏置下的耗盡結(jié)電容)。 Cgd稱為密勒電容，其值為：Cgd=WCoxLD。 源極主體電容Cdb表示為：Cdb=C'db+Cd-sw=AdCjd+PdCj-sw,其中，Ad是漏極的結(jié)面積，Pd是不包括與柵極相鄰部分的結(jié)周長 在仿真工具中建模，可指定如表1所示參數(shù)，系統(tǒng)自動根據(jù)上述計算式確定等效電路參數(shù)，從而完成該器件的建模。 在pspice中仿真得到預期結(jié)果，如圖4所示。 可見參數(shù)建模法省去了構(gòu)建等效電路的過程，只需通過廠商提供的器件特性參數(shù)就可以直接建模。但該方法只適用于固定結(jié)構(gòu)的半導體器件。 3 子電路建模法 隨著電子器件的不斷更新，單純依靠修改參數(shù)值進行建模已經(jīng)遠遠不能滿足現(xiàn)在電子電路仿真的需求。針對常用電路單元和集成電路新產(chǎn)品，本文提出一種為新產(chǎn)品建立一個子電路模型的方法，并將該模型作為一個器件添加到仿真軟件的模型庫，在仿真電路時用戶可以像調(diào)用自帶庫一樣直接使用該模型。 子電路可利用原理圖軟件繪制，通過軟件直接生成電路連接網(wǎng)表，也可以直接以文本的形式輸入子電路的電路連接網(wǎng)表。當子電路中遇到參數(shù)建模的器件，仍采用參數(shù)值設置形式定義該器件。下面是運放AD648C的內(nèi)部電路連接網(wǎng)表。 將此種的文本文件存為．lib的后綴名后，通過Model Editor工具將該文件與器件符號聯(lián)系在一起，就可以使用在電路仿真中。圖5為AD648C的簡單運用電路，從圖6瞬態(tài)分析結(jié)果可知建模正確。 對于前面所述的器件內(nèi)部全部子電路建模法，很多時候并不能如此具體的了解一個器件內(nèi)部的所有結(jié)構(gòu)，這種情況下只能通過模擬器件行為建模。直接在子電路中用運算函數(shù)代替電路本身。 對高壓開關(guān)穩(wěn)壓器MC33363進行以下的子電路連接網(wǎng)格表： 語句GSUPP 3 4 VALUE={IF(V(33)<3．5，250U，3．5M)}，表示節(jié)點33和節(jié)點3、4之間連接的模塊實現(xiàn)當輸入端33節(jié)點的電壓小于3．5 V時，輸出端節(jié)點3和節(jié)點4之間的電壓為250μF，否則為3．5 mV。該網(wǎng)格表使用到的EVALUE和GVALUE器件是將輸出量和輸入量之間運算函數(shù)關(guān)系用語句表示。EVALUE和GVALUE稱為模擬行為模型 (ABM)器件，除了這兩個外還有：*SUM、*MULT、*TABLE、ABS、LOG等，帶有“*”符號的元器件，有E、G兩種類型。使用ABM器件可省去實現(xiàn)這些換算的電路，簡化子電路建模的工作量。 4 結(jié)論 電路原理圖仿真的最大瓶頸在于電子器件的建模，針對這一難點給出兩種方法：一種是對于已經(jīng)參數(shù)化的典型半導體器件，可以直接通過研究器件資料得到所需參數(shù)的數(shù)值，生成庫文件：另一種是針對一些單元電路和集成電路新產(chǎn)品，由用戶自己創(chuàng)建子電路的網(wǎng)格表，再轉(zhuǎn)化為庫文件。實驗證明這兩種方法都是行之有效的。 |
