SPICE的器件模型大全(第6章)

1、SPICE的器件模型大全在介绍SPICE基础知识时介绍了最复杂和重要的电路描述语句，其中就包括元器件描述语句。许多元器件（如二极管、晶体管等）的描述语句中都有模型关键字，而电阻、电容、电源等的描述语句中也有模型名可选项，这些都要求后面配以.MODEL起始的模型描述语句，对这些特殊器件的参数做详细描述。电阻、电容、电源等的模型描述语句语句比较简单，也比较容易理解，在SPICE基础中已介绍，就不再重复了；二极管、双极型晶体管的模型虽也做了些介绍，但不够详细，是本文介绍的重点，以便可以自己制作器件模型；场效应管、数字器件的模型过于复杂，太专业，一般用户自己难以制作模型，只做简单介绍。元器件的模型非常

2、重要，是影响分析精度的重要因素之一。但模型中涉及太多图表，特别是很多数学公式，都是在WORD下编辑后再转为JEPG图像文件的，很繁琐和耗时，所以只能介绍重点。一、二极管模型：1.1理想二极管的I-V特性：十VdqVdid=is（er反向饱和电疣：is=嗚为本征我疣子浓度f为空宾扩憩系数苴中；.珀为二极管的截面积D加为电子扩散系数为空穴平均扩議岳度加为自曲电子扩散长度%=”肮为巨由电子浓度N区的热平衡值Na=戸刊为空次浓度P区的热平衡值1.2实际硅二极管的I-V特性曲线：折线A輸新H愛舒刪电JU呕扩験电翘U龜融駆蚀斂、變轨棘妙等骸辦）fgi宣流电流加=qdId=f(Vd)=qkT-1)Vd厶跖-

3、1)+耳騙-厶+gnm-砂EVWd-5Vd-5k.T/q比&-5k.7/qgininri)14-PrJ饱和医：矿be-5kTq1(血研-11+他J咲PfJPr-5kTjqMmin/-：Rgrnin惹止区：-5kTiqVcntkimmg%*r+_F_lLC斗厶尹恥eaiT_ll丿+卩EErll1_弘4Pre伽g吐亡、JeT-lk)PkLJMmin严站+c&住、丿(0)(1-)1-理抜杲丈渡越时冋=y茗2在Ic低电疣或Vce高电丿玉时1）右卩.疋-jiTF1苴中.；/”亠Jyy1+疔丫-zliiiiT-iijijnjr+?3口lcc+1q丄1.44空%Ic为大电疣时TFF=lF1+疋疔1.44畑2

4、.5BJT晶体管模型总参数表：代昌執值单僅ISWi电硫10-6ABF運恿摄文正向电疣放犬系数100-.100BR；反向盘大电疣放大系数:iQ.!NF正向电疣境射系数11心NR反向电疣发射系数1C2ISEC2)-基极-发射极漏饱和电疣01000AC4ISQ佗4)基极一集电极漏惋和电流D1AIKE(IK)正向膝点电疣J!CO0.01ATkr:反向膝点电疣DO,o.jAnELNE基极-发射极漏发射系数1.52曲宜NC基极一集电极漏发射系数2.2%VAF(购正向EARLY电压DO1典V-VAR(VB)反向ERALY电压C-O.100V眈集电极电阻：0：；10QKE发射极电阻01QRb；喙偏基极电阻:o

5、100.：Qsir!RBM犬电疣时罠小基极电阻gB；100QIRB基极电阻下降为1总时的电疣c-oATF:理想正向渡越时间o-O.lnsTR:醛反向渡越时间0lEnsTFXTFTF随偏置变化系数0-卩EVTF:TF腿偏豈Vbc：吏化的电压参数covifITF.影响TF的大电疣参数0A%PTF在1/(2P1TF)Hz时的超前相移0-.n/e.Rad-JKCJE:零偏B-E结耗尽电容:0F.VJEB-E结内逹电須0.75.0.7-V.叫MJE(ME)*E结梯度因子0.330.33UJU零偏集毘极PN结耗尽电容0lpF亦VJC(PC)结内建电势0.750.5V.%MJC结梯度因子0:330.33述覘

6、：零偏集电极一衬底PN结电客0F傀VJ嵌P蜜衬底结内連电势0.75V.叫衬底结梯度因子0XqqXCJC2塗耗尽电容连到基极内节点的百分数iFcFC芷偏耗尽电容系数0：5XTBB比EF的温度系数0AiXT1(PT)IS的温度效应指数3EgEG築带宽度1.11.1.11eVKF闪烁噪声系数：0：AF1岸闪烁噪声指数1ITT工作温宝2727金属氧化物半导体晶体管MOSFET模型:3.1一级静态模型：Shichman-Hodges模型（涉M细E：LW帶&yANb5IsX订Kp2fpptozNss氏JsJQG3.2二级静态模型（大信号模型）：Meyer模型3.2.1电荷存储效应：3.2.2PN结电容：轴

7、丿3.3三级静态模型：线性區逼疣I虽&兀s比ffT比s2.式中理=yFsH-阳22$-/s更中：EP=略短沟道效应的影响込富=卩曲+文松一刃as+s#2%_在+朋0一卩跖）.窄沟道效应影响丽=沟道桧度饱和区变化一丄3.2MOSFET模型参数表：一级模型理论上复杂，有效参数少，用于精度不高场合，迅速粗略估计电路二级模型可使用复杂程度不同的模型，计算较多，常常不能收敛三级模型精度与二级模型相同，计算时间和重复次数少，某些参数计算比较复杂四级模型BSIM，适用于短沟道（3um）的分析，Berkley在1987年提出代号级名称執值殛值单位LL沟道长度DEFLmWW沟道宽度DEFWm窃VTO1-3零偏闽

8、值电压11VKpKP1-3跨导系数20u30uAIV2YGAMMA1-3体效应系数00.35严2伽PHI1-3表面电势0.60.65VALAMBDA12沟道长度调制系数00.02厂itoxTOX1-3甄化层厚度0.1U0.1Um.NbNSUB1-3衬底掺杂浓度01x10+2cmNssNSS23表面态密度0lxl0+1cm2碣NFS23快表面态密度0lxl0+1cm2NeffNEFF2总沟道电荷系数15XjXJ23（金属的）结深0lumXjlLD1-3描向扩散长度（源和漏）00.8umTpGTPG23册材科类型+1011坯UO1-3我流子表面迁移率600700cm2IVsAcUCRIT2迁移率下

9、降时临界电场1000010000V/cmUEXP2迁移率下降时临界电场指数00.1UTRA2迁移率下降时临界电场系数00.5VmaxVMAX23载流子最大漂移速度050000mXqcXQC23沟道电荷对漏极的分配系数00.48DELTA3闽值电压的沟道宽度效应系数01VETA3静态反馈系数（闽值电压）01eTHETA1-3迁移率调制系数00.05厂】AF1-3烁噪声指数11.2心KF1-3i/f闪烁噪再系数01x026IsIS1-3衬底PN结论和电流10fIfAJsJS1-3衬底PN结诧和电疣密度0lOnA対PB1-3衬底PN结内連电势0.80.75VCjCJ1-3衬底PN结零偏置单位面积电容

10、020mFlm2MjMJ1-3衬底PN结电容梯度因子0.50.5CjswCJSW1-3零偏衬底电容/单位周边长度0InF/mMjswMJSW1-3衬底周边电容梯度因子0.330.33FcFC1-3正偏耗尽电容系数0.50.5CgboCGBO1-3G-B间覆盖电容/单位沟道宽度0200pF/mCGDO1-3G-D间覆盖电容/单位沟道宽度040pF/m四、结型场效应晶体管JFET模型：基于Shichman-Hodges模型4.1N沟道JFET静态模型：00%卜兀-卩磁VifDSV卩GQ坷Q反向正向0-何-顶(1+册Q处卩GS70ZKS0蛙ZJS严胎7兀4VA)严卷;坯I苴中fi=-1.【1-mF2

11、=(1-)1+mF3=l-典?(1+矗)A金0G4.2JFET大信号模型：4.3JFET模型参数表：代号執值单位VTO阈值电压（夹断电压）-;2;0.-2VBETA跨导系数lOOu.伽A/V2見LAMBDA沟道檢度调制系数0.lODu厂iRdRD：；漏极串联电阻0100.Q:.RsRS:洒极串联电阻0.ionG.$PR删PN结内建电势l-.U0.6VIsisPN结诧和电疣rdf.丄旺Am、即栅PN结梯度因子J.5nN:栅PN结发射系数igdG.GD零偏G-D间PN结电容0.FCGS：零偏G思间PN结电容O；F:.FcFC正偏耗尽层电容系数J.5TQTCVTOTC：VTO温度系数O；v/ic-:

12、目CSBETATGEBETA温度系数0.1/1001CKfKFNf闪烁噪声系数0：氐FAF1臣闪烁噪声指数0.五、GaAsMESFET模型：分两级模型（肖特基结作栅极）GaAsMESFET模型参数表：代号却值%。VTO國值电压(夹断电压)-Z5-2.0VaALPHA饱和电压参数2.0L5V-1BETA瞻导系数0.110u.A/y2.iLAMBDA沟道长度调制系数0ltJOp戸KgKG栅极串联电阴DhCRdRD.漏极串联电阴01.GRsgs源极串联电阴：01.QIs:IS册FN结饱和电疣l.OfAmM删PN结棉度因子0.5nN艸PN结发射系数1GDCGD零偏G-D间PN结电容D1PFCGS零诟G

13、-S间PN结电容.0师FVBI删PN结内建电势1.005v-CDSD-S间电容.00.3pFTTAU导电电疣延迟时间0lap：sFcFC正偏耗尽电容系数.0.5.；JoTCVtotcVTO温度系数0v/*cBETATCEBETA.?度系数.0l/lOOX?KfKFHf闪烁噪声系数0AFHf闪烁噪声指数i、六、数字器件模型：6.1标准门的模型语句：.MODELUGATE模型参数标准门的延迟参数：逊单也TPLHMN低电平上升高电平，摄小时间延迟0STPLHTY低电平上升高电平，标准时间延迟.0STPLHMX低电平上升高电平，最大时间延迟0.STPHLMN高电平下阵低电平，摄小时间延迟0STPHIT

14、Y高电平下降低电平，标准时间延迟.0STFHLMX高电平下降低电平，最大时间延迟0SMNTYMXDLY延迟类型：0戦认值1摄小值典型值3摄大值06.2三态门的模型语句：.MODELUTGATE模型参数三态门的延迟参数：翅名SiKU值单位TPLHMN低电平上升高电平，最小时间延迟QsTPLHTY低电平上升高电平，标淮时间延迟osTPLHMX低电平上升高电平，最大时间延迟0sTPHLMN高电平下降低电平，最小时间延迟QsTPKETY高电平下降低电平，标淮时间延迟osTPHLMK高电平下降低电平，最大时间延迟sTPLZMN低电平上升到E（高阻），最水时间延迟0sTPLTTY低电平上升到Z（高阻），新

15、准时间延迟osTPLZMX低电平上升到E（高陥），爰丈肘间延迟Q-sTPHZMN高电平下降到Z（高阴），盘貳时间延迟0sTPtSTY高电平下降到忑（高阻h标准时间延迟0.0TPHZMX直电平下降到忑（高陪），虽丈时间延迟Q-sTPZLMN忑（高阻）下降到低电平盘乎时间延迟OsTPZLTY忑（高阻）下降到低电平标准时间延迟00:TPZLM嫁忑（高阻）下降到低电平摄尢时间延迟0.sTPZHMNZCS阻）上升到高电平杲小时间延迟OsTPZHTYZ（高阴）上升到高电平标准时间延迟QsTPZHMXZC阻）上升到高电平摄大时间延迟0.sMNTYMXDLY延迟类型：0默秋值1最小值典型值3杲丈值O6.3边沿

16、触发器的模型语句：.MODELUEFF模型参数边沿触发器参数：JKFFnffpreb,clrb,clkb,j*,k*,g*,gb*JK触发器，后沿触发DFFnffpreb,clrb,clk,d*,g*,gb*D触发器，前沿触发边沿触发器时间参数：TPPCQLHMN鉛少延迟preb/chb融发q/qb低变高STPPCQLHTY典型延迟preb/ciib触发q/qb低变高0STPPCQLHMX摄大延迟preb/chb触发q/qb低娈高0.sTPPCQHLMN鉛少延迟preb/chb融发q/qb高变低0；sTPPCQHLTY典型延迟preb/ciib触发q/qb高变低0sTPFCQHLMX杲大延迟p

17、reb/chb袖发q/qb高幽氐sTWPCLMN鉛少延迟最峦preb/chb低电平脈冲宽度0”sTWPCLTY典型延迟摄才preb/chb低电平肮冲宽度0.sTWFCLMX杲大延迟煖小1preb/chto低电平脉;,中宽度sTPCLKQLHTjIN摄小延迟clUclkb触发q/qb低变髙0sTPCLKQLHTY典型延迟clUcltb融发q/qb低变髙0.sTPCLKQLHMX摄丈延迟clUcUdb触发q/qb低变直0sTPCLKQHLMN摄小延迟clUclkb触发q/qb高变低0sTPCLKQHLTY典型延迟cli/clkb触发q/qb高变低0sTPCLKQHMX摄丈延迟clUcUdb触发q/

18、qb高变低0sTWCLKLMbT最蟲延迟B4clJk/cisb低电平脉沖宽度0.-sTWCLKLTY典型延迟摄小clUcllsb低电平脉冲宽度o-sTWdLKIIX摄犬延迟摄小clk;cl低电平脉冲宽度0sTWCLKHMN最却涎迟最劭cLk/cilsb高电平脉沖宽度0-sTWCLKHTY典型延迟摄小clUcllsb高电平脉冲宽度0;sTWGLKIIMX摄大延迟最小YlWclkb高电平脉冲宽度QsTSUDLKMN建立；：讹沁tocli/clldo边沿,摄小值0-sTSUD(PLKTY逢立：jHJdtoclls/cllsb边沿，典型值.0；sTSUDCLKT-4X-淫立：j/kMtocUs/cll

19、sb边沿，最犬值QsTSUPGCLKHMN連立:preb/chbhitocUJcIkb边沿j蚤尔值o5TSUPCCLKHTY逢立：preb/chbhitocUJcIkh边沿j典型值.0；sTSUPCCLKHMX逹立：preb/chbhitoclk/cUsb边沿t垠犬值0.sTHDCLKMN保持：j/k/daflercDJcUkb边沿.谖小值o5THDQLKTY保持.vj/k/dafterdk/clEb边沿j典型值Q.sTHDCLKMX保持：i/Udafierclk/clkb边沿j璟大值0.sMNTYMXDLY延迟类型：0默竄值1摄小值丁典型值乜摄犬值06.4钟控触发器的模型语句：.MODELU

20、GFF模型参数钟控触发器参数：SRFFnffpreb,clrb,gate,s*,r*,q*,qb*SR触发器，时钟高电平触发DLTCHnffpreb,clrb,gate,d*,g*,gb*D触发器，时钟高电平触发钟控触发器时间参数：TPPCQLHMN最4S延迟preb/chb触发q/qb低娈高0STPPCQLHTY典型延迟preb/chb触发q/qb低变高0STPPCQLHMX最大延迟preb/chb触发q/qb低变髙J0STPPCQHLIvIN最书延迟preb/chb触发q/qb高娈低0工TPPCQHLTY典型延迟preb/chb触发q/qb高娈低.05：TPPCQHLMX最犬延迟preb/

21、chb触发q/qb高变低J0TWPCLMN最书延迟最小preb/chti低电平脉冲宽度0工TWP0LTY典型延迟盘小preb/chb低电平脉冲宽度.05：TWFdLMX最犬延迟Bipreb/chb低电平脉沖宽度J0TPGQIHMN最延迟gate铀览q/qb低变高0工TPGQIHrY典型延迟gate融发q/qb低变恳.05：TPGQLHL/IX：最犬延迟gte融发q/qb低变直J0.STPGQHLMN杲那延迟gate触发q/qb高变低.03TPGQHLTY典型延迟gate袖发q/qb面变低.10ATPGQHLJMX摄大延迟gte袖发q/qb高变低-.0S-.TPDQLHMN最召挺迟:s/r/d发

22、叩qb低变肓.03TPDQLHTY典型延迟s/r/d触发q/qb低变高0S：TPDQLHMX最丈延迟翻触发q/qb低变高0STPDQHLMN虽禺延迟s/t/d触发q/qb高变低.0S-TPDQHLTY典型延迟s/r/d触发q/qb高变低0STPDQHLMX杲大延迟shid触发q/qb高变低卫STWGHMN虽禺延迟品小gate逐电平泳冲宽度.0S-TWGHTY典型延迟棗小gte為电平脉冲宽度0TWGHMX杲大延迟垠小gate高电平脉冲宽度卫sTSUDGMN逹立：s/t/dtogte边沿j虽屮值.0s-TSUDGTY連立：s/r/dtogate边沿j典型值0TSUDGMX縫立：s/r/dtogat

23、e边沿j最大值0sTSUPCGHMN連立：preb/chbhitogate边沿量小值J0s.TSUPQGHTY連立：preb/chbhitogate边沿，典型值0sTSUPCGHI4X逹立；:preb/chtihitogate边沿蜃大佰.0s.THDdLKMN保持：s/r/daflerclk/clkb边沿鹽小值J0S.THDCLICTY保持:;s/r/daflerclk/cUsb边沿，典型值.0sTHDCLKMXf呆持：s/r/dafierclk/clkb边沿最大值.103：MNTYMXDLY延迟类型：0默认值1摄小值勺典型值3杲大值.06.5可编程逻辑阵列器件的语句：U(,)*#+FILE=

24、+DATA=$MNTYMXDLY=+IOLEVEL=其中：列表PLAND与阵列PLANDC.毎个軌入变量有同相端与反相端的与阵列PLORPLORC毎军输入变量有同相端与反栢端的或阵列PLXOR异或阵列PLXORCf：毎亍輸巩变星有同相端与反相端的异或阵列PLNAND与非阵列PLNANDC毎个撤人变量有同相端与反相端的与非陈列PLNOR或非阵列PLNORC毎军输入变量有同相端与反相端的或非阵列PLNXOR同或阵列PLNXORC毎亍输入变星有同相端与反相端的同或阵列JEDEC格式文件的名称，含有阵列特定的编程数据JEDEC文件指定时，DATA语句数据可忽略是下列字母之一：B二进制O八进制X十六进制

25、程序数据是一个数据序列，初始都为0PLD时间模型参数：TPLHMN低电平上升高电平，最小时间延迟05TFLHIY低电平上升高电平标淮时间延迟0STPLHMX低电平上升高电平摄犬时间延迟0：STPHLM4高电平下降低电平，蜓小时间延迟U寿TPHIJY高电平下降低电平标堆时间延迟0STPHLluIX高电平下降低电平摄犬时间延迟J03OFFSETJEDEC文件的第一输天端地址和第一门的程序0feOMPOFFSETJEDEC文件的第一输人反相请地址和第一门的程序,1INSOLEJEDEC文件对毎一爭新输汽端地址变化的计数.1/2禺讪同相返相JOUTSCALEJEDEC文件对毎一秦新输出端地址喪化的计数

26、fepiitsJ2+(siiLpis).斛皿同相;囱吕MNTYMXDL延迟选挥软试值1輻坐值-2典型值7蜓丈值1七、数字I/O接口子电路：数字电路与模拟电路连接的界面节点，SPICE自动插入此子电路子电路名（AtoDn和DtoAn）在I/O模型中定义，实现逻辑状态与电压、阻抗之间的转换。7.1N模型：数字输入N模型将逻辑状态（10XZ）转换成相对应的电压、阻抗。II-Rhi高电平节点低电平喀点8接口节点只迈应出是随时间娈化的电阻，当数字信号的状蕊变化时，电阻值是指数变化，电阴值的娈化是由新伏态的开关时间决定的.C站煜固定戏窮通常低电平节盍和高电平节盍连接相应的电压源，电压值与最高和摄低逻辑电平

27、值榨关匚由隔应中和连接的两亍电压源，可夙产生掾高和最低逻辑电平屯间的任一电压和任一阻抗的输出u数字模拟器的N模型语句：N+DGTLNET=IS=(initialstate)数字文件的N模型语句：N+SIGNAME=IS=(initialstate)模型语句：.MODELDINPUT(模型参数)模型参数表：疑羊恆CLO电容连接到lowlevel节点0FCHI电容连接到highlevel节点QFS0NAME状龛0特性缩写S0TSW状龛0开关时间SSORJUO状蛊0电阻连接到lowlevel节点QS0RHI状态0电阻连接到highlevel节点QS1NAME状龛1特性缩写S1TSW状起1开关时间SS

28、1RLO状态1电阻连接到lowlevel节点QS1RHI状盎1电阴连接到highleviel节点QS19NAME状龛19特性縮写S19TSW状态19开关时间s-S19RLO状态1?电阻连接到lowlevel节点QS19RHI状龛19电阻连接到kghlevel节点QFILE.数字输衣文件名FOPMAT教字输入文件格式1-TIMESTEP数字输羔文件步长lit.S：7.2O模型：将模拟电压转换为逻辑状态(10XZ),形成逻辑器件的输入级。6辺址応由模型養数决定毎当时间等于时间歩底TIMESTEP的整数倍时，器件节点的状龛将被写人:文件中-节点状态由接口节点和参考节点之间的电压值决定,将该电压值与当

29、前电压序列进行比较,如果落在当前电压序列中,则新状态与原状态相同；如果不在当前电压序列中,则从S0NAME开始检查,第一个含有该电压值的电压序列可确定为新状态。如果没有电压序列包含这个电压值,则新状态为？(状态未知)。数字模拟器的O模型语句：O+DGTLNET=数字文件的O模型语句：O+SIGNAME=模型语句：.MODELDOUTPUT(模型参数)模型参数表：翅名霸单位RLO理D电容连接到lowlevel节点0GCLOAD电容连接到highlev节点0F.CHGQNLY。写毎亍时间步长1写新变化.0SONAME状态0特性缩写SOVLO状态0lowlevel电压VSOVHI状态0highlev

30、el电压VS1NAME状态1特性缩写lVLO状盍1lowlevel电压VS1VHI状态1highlevel电压V19NAME状盍19特性缩写S19VLO状态19lowlevel电压VS19VHI状态19highlevel电压VFILE数字输龙文件名FORMAT数宇输入文件格式.1TIMESTEP数字输理文件步长.111STIMESCALE数字输菽文件刻度1八、数学宏模型：作为电路功能块或实验仪器插入电路系统中，代替或模拟电路系统的部分功能，有24种8.1电压加法器：基本运.范方程：%=俎眄泌+即沁+禺磊+等效电路方程:=氐就（10）+&珥汁怠卩（1书+8.2电压乘法器：+爲1+、一%等效电路方

31、程：7(14)：=(10)8珥基玄运算方程：%8.3电压除法器：基伞垣耳力枉：忙他f等效电路方程：f(G%y=UWW2)Z)(1142)8(13J讥1裁=尽(审(&$)二RO卩(10,12)刑+尽D矿(11,1当R1-普时，I(GdVl=I(GdV2(13)=：C叫10,12)“。卩(11,1勾8.4电压平方：基本运算方程：%=5；8.5理想变压器：VCCVCCO.F1F2VCCOVsence2等效电路E1VCC方程；-.7(1)=.(N2VNXy.1(F=(洌価2)护龍叱1)Vsencel-QVsence为零值电压源亍用作电流表8.6电压求平方根：方程可8.7三角波/正弦波转换器：三角波峰-峰值为2V,其中C=PI/2仏=卩吨的砒+处El=Vin%)=(U