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spice与器件模型

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Altium Designer15.0 第6章 电子线路元件及SPICE模型

Altium Designer15.0 第6章 电子线路元件及SPICE模型
T1 1 0 2 0 Z0=50 TD=10NS
Copyright © 2009 Altium Limited
传输线 --有损传输线
下图给出了有损传输线的符号，这是一个用于单个导体 有损传输线的两端口卷积模型。其SPICE模型表示为：
OXXXXXXX N1 N2 N3 N4 MNAME
Copyright © 2009 Altium Limited
电压和电流源 --非线性独立源
下图给出了非线性独立源的符号，SPICE模型表示为：
BXXXXXXX N+ N- <I=EXPR> <V=EXPR>
其中：

N+、N-：非线性独立源的正端和负端。
V参数的值：确定通过设备的电压值，V表示电压源。
I参数的值：确定通过设备的电流值，表示电流源。
基本元件 --开关
例如：
s1 1 2 3 4 switch1 ON
s2 5 6 3 0 sm2 off
Switch1 1 2 10 0 smodel1
w1 1 2 vclock switchmod1
W2 3 0 vramp sm1 ON
wreset 5 6 vclck lossyswitch OFF
例如：
VIN 3 0 PULSE(-1 1 2NS 2NS 2NS 50NS 100NS)
Copyright © 2009 Altium Limited
电压和电流源 --正弦源
下图给出了正弦源的符号，其SPICE模型表示为：
SIN(VO VA FREQ TD THETA)
例如：
VIN 3 0 SIN(0 1 100MEG 1NS 1E10)

spice模型

spice模型

4）LEVEL＝4 级别为4的MOS4模型又称BSIM（Berkeley short-channel IGFET model）模型。该模型 是由美国伯克利大学1984年专门为短沟道MOS 场效应晶体管而开发的模型，是AT&T Bell实验 室简练短沟道IGFET模型的改进型。模型是在 物理基础上建立的，模型参数由工艺文件经模 型参数提取程序自动产生，适用于数字电路和 模拟电路，而且运行时间比二级模型平均缩短 一半左右。现已发表的有BSIM1、BSIM2、 BSIM3和BSIM4等模型。
一、模型参数提取方法
实际电路分析中用到的一般都是元件的
等效电路模型。由于集成电路元件主要是 由半导体器件组成的，因此，这些等效电 路模型又都是以物理模型为基础的。
1）物理模型 半导体器件的物理模型是从半导体的基本方程 出发，并对器件的参数做一定的近似假设而得 到的有解析表达式的数学模型。一般说来，随 着集成电路集成度的提高，器件的结构、尺寸 都在发生变化，器件的物理模型就越加复杂。 在物理模型中经常包含有一些经验因子，目的 是为了使模型与实验结果符合得更好。一般说， 模型中考虑的因素越多，与实际结果就符合得 越好，但模型也就越复杂，在电路模拟中耗费 的计算工作量就越大。
体管模型。这两种模型均属于物理模型，其模
型参数能较好地反映物理本质并且易于测量，
便于理解和使用。
一、双极型晶体管的EM模型
C IC VBC IB + B + VBE IR aFIF
IS VBC VBE I C I S exp 1 exp V 1 Vt R t
二极管及其SPICE模型
PN结是微电子器件的基本结构之一，集成电
路和半导体器件的大多数特性都是PN结相互作 用的结果。如果通过某种方法使半导体中一部 分区域为P型，另一部分区域为N型，则在其交 界面就形成了PN结。 一般的二极管就是由一个PN结构成的，以PN 结构成的二极管的最基本的电学行为是具有单 向导电性，这在实际中有非常大的用处。

第3章 器件的物理基础及其Spice模型

第3章 器件的物理基础及其Spice模型

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3.1.3 PN结的单向导电性
一、正向偏置的 PN 结 二、反向偏置的 PN 结
正向偏置
耗尽区变窄 正向电流
反向偏置
耗尽区变宽 反向电流
扩散运动加强， 扩散运动加强， 漂移运动减弱
扩散运动减弱， 漂移运动加强
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2. 外加反向电压, PN结截止 在PN结两端加反向电压，即P区接电源负极，N区接电源 正极，如图3-3(b)所示。在外加反向电压的作用下PN结变宽， 阻碍多数载流子的扩散运动。少数载流子在外加电压作用下形 成微弱电流，由于电流很小，可忽略不计，所以PN结处于截 止状态。 应当指出的是，少数载流子是由于热激发产生的，所以 少数载流子是由于热激发产生的， 少数载流子是由于热激发产生的 PN结的反向电流与温度有关 结的反向电流与温度有关，必须注意较大的温度变化会对 结的反向电流与温度有关 半导体器件有影响。
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3.2 有源器件 3.2.1 双极型晶体管 及其SPICE模型
npn管的结构 npn管的结构
图3-5 NPN晶体管结构 图
18
2) 横向PNP的结构 横向PNP的特点包括： 的特点包括： 横向 的特点包括 (1) β小(由于工艺限制，基区宽度不可能太小，且有纵向 PNP的作用)； (2) 频率响应差(fT小)； (3) 载流子是空穴。 改善的方法：在图形设计上减小发射区面积和周长之比。 横向PNP的结构如图3-6所示。
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1. 双极型晶体管的结构 1) NPN管的结构 图3-5为集成电路中使用的NPN晶体管的平面图和剖面图。 其外延层是一种杂质种类和浓度与衬底不同的半导体结晶薄层。 集成电路内各器件依靠处于反向偏置的PN结相互隔离。 集成电路内各器件依靠处于反向偏置的 结相互隔离。 结相互隔离 包括集电极在内的各个电极均形成在上表面。 隐埋层(N 是在外延之前扩散形成的 是在外延之前扩散形成的， 隐埋层 +)是在外延之前扩散形成的，是为了降低集电极 电流通路的电阻(集电极电阻 而设置的 电流通路的电阻 集电极电阻)而设置的。 集电极电阻 而设置的。

集成电路器件及SPICE模型

集成电路器件及SPICE模型

第6章集成电路器件6.1无源器件结构及模型集成电路中的无源元件包括:互连线、电阻、电容、电感、传输线等16.1.1 互连线在混合集成电路和单片集成电路的衬底上，互连线大多数是由金属薄层形成的条带。

不同衬底上的电路的互连可能用到金属裸线或电缆。

互连线设计应该注意以下方面：尽量短：减小信号或电源引起的损耗、减小芯片面积最小宽度：传输微弱电流，提高集成度保留足够的电流裕量：传输大电流多层金属：提高集成度趋肤效应和寄生参数（微波和毫米波）寄生效应：传导电阻实现低值电阻；寄生电容用作微波或毫米波信号的旁路电流。

2⏹深亚微米阶段后，互联线的延迟已经超过逻辑门的延迟，成为时序分析的重要组成部分。

应采用链状RC网络、RLC网络或进一步采用传输线来模拟互联线。

⏹常见的寄生效应有串联寄生电阻、并联寄生电容。

电源和地之间，电阻造成直流和瞬态压降；长信号线上，分布电阻电容带来延迟；导线长距离并行或不同层导线交叉时，带来相互串扰问题。

⏹为了保证模型的精准度和信号的完整性，需要对互联线的版图结构进行约束和规整。

⏹典型的串联寄生电阻值：金属0.05Ω/ □，多晶硅10-15Ω/ □，扩散区20-30Ω/ □。

简单长导线的寄生模型36.1.2 电阻⏹电阻是模拟电路的最基本的元件，在集成电路中有多种设计和制造方法，分为无源电阻和有源电阻。

⏹实现电阻有4种方式：1.晶体管结构中不同材料层的片式电阻2.专门加工制造的高质量高精度电阻3.互连线的传导电阻4.有源电阻5R =ρL/ dW=(ρ/d)L/W电阻的计算方块电阻薄层导体的电阻R 与L/W 成正比，当L=W 时，有R=ρ/d 。

定义比例系数ρ/d 为方块电阻(用R □表示)，单位为欧姆。

R □=ρ/d R= R □L/WR □表示一个正方形材料的薄层电阻,它与正方形边长的大小无关, 只与半导体的掺杂水平和掺杂区的结深（即材料厚度）有关。

⏹ 1.晶体管结构中不同材料层的片式电阻双极型硅工艺：掩埋集电极的N+层，2-10Ω/ □基极P-层，KΩ/ □CMOS工艺：阱区形成片式电阻优点：实现10Ω-10KΩ的电阻值缺点：晶体管结构材料层构成，导致电阻随工艺和温度变化较大⏹ 2.专门加工制造的高质量高精度电阻CMOS工艺：多晶硅形成薄膜电阻GaAs工艺：镍、铬金属共同蒸发形成薄膜电阻，20-2000Ω73.互连线的传导电阻注意：根据工艺要求不同，电阻的长度为两引线孔之间的材料长度或电阻器8高频时，必须考虑电阻的寄生参数，采用其等效电路代替电阻进行电路模拟。

集成电路器件及SPICE模型

集成电路器件及SPICE模型

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图6.5 (a)叉指结构电容 (b)MIM 结构电容
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电容

平板电容公式

d 高频等效模型:并联G、串联L和R。
自谐振频率 f0
f0 1 2 LC
C
r 0lw
f < f0 / 3

品质因数 Q
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6.1.4 电感
引言 集总电感
L 1.26a[ln(8a / w) 2 （ ] pH）
ZL 60
reff
8h w ln w 4h
ZL
120
w/h<1
w h h reff 2.42 0.44 1 h w w
6


w/h>1

微带线的衰减α由两部分组成：导线损耗和 介质损耗 形成微带线的基本条件是，介质衬底的背面 应该完全被低欧姆金属覆盖并接地，从而使 行波的电场主要集中在微带线下面的介质中。
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3. 共面波导(CPW)---微波平面传输线
在介质基片的一个面上制作出中心导体带，并在 紧邻中心导体带的两侧制作出导体平面
图6.12 (a)常规共面波导
(b)双线共面波导
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CPW传输TEM波的条件 CPW的阻抗计算
图6.11
(a)典型微带线的剖面图
(b)覆盖钝化膜的微带线
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TEM波(电磁波的电场和磁场都在垂直于 传播方向的平面上 ) 传输线的条件
w, h 0 /(40 r )
1/ 2
GaAs衬底的厚度<200um
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微带线设计需要的电参数主要是阻抗、衰减、 无载QDS

第5章集成电路元器件及其SPICE模型ppt课件

第5章集成电路元器件及其SPICE模型ppt课件
任何电容仅在低于f0的频率上才会起电容作用。 经验准则是让电容工作在f0/3以下。
金属叉指结构电容
优点：不需要额 外的工艺。
特征尺寸急剧降 低，金属线条的 宽度和厚度之比 大大减小，叉指 的侧面电容占主 导地位。
PN结电容
❖ 利用PN结电容的优点也是不需要额外的工艺，但所 实现的电容有一个极性问题。
❖耗尽区
❖反型区
G
Co 沟道 Cdep
Vss
G ++++++
沟道 耗尽层 P型衬底
Vss
（a）物理结构
tox d
Cgb Co 积累区
耗尽区
1.0
反型区
（b）电容与Vgs的函数关系 0.2
0
Vgs
三、集成电感
在集成电路开始出现以后很长一段时间内， 人们一直认为电感是不能集成在芯片上的。因 为那时集成电路工作的最高频率在兆赫量级， 芯片上金属线的电感效应非常小。现在的情况 就不同了，首先，近二十年来集成电路的速度 越来越高，射频集成电路（RFIC）已经有了很 大的发展，芯片上金属结构的电感效应变得越 来越明显。芯片电感的实现成为可能。
在设计电路的时候需要非常准确地 预测出电路的性能。为了做到这一点， 需要对电路尽可能地进行精确的性能分 析（Analysis）。因为集成电路元器件 无法用实物构建，必须首先建立器件模 型，然后对用这些元器件模型所设计的 集成电路进行以分析计算为基础的电路 仿真（Simulation）。
在集成电路的晶体管级仿真方面， SPICE是主要的电路仿真程序，并已成为 工业标准。因此，集成电路设计工程师， 特别是模拟和数字混合信号集成电路设计 工程师必须掌握SPICE的应用。

SPICE仿真和模型简介

SPICE仿真和模型简介

SPICE仿真和模型简介SPICE 仿真和模型简介1、SPICE仿真程序电路系统的设计人员有时需要对系统中的部分电路作电压与电流关系的详细分析，此时需要做晶体管级仿真（电路级），这种仿真算法中所使用的电路模型都是最基本的元件和单管。

仿真时按时间关系对每一个节点的I/V关系进行计算。

这种仿真方法在所有仿真手段中是最精确的，但也是最耗费时间的。

SPICE（Simulation program with integrated circuit emphasis）是最为普遍的电路级模拟程序，各软件厂家提供提供了Vspice、Hspice、Pspice等不同版本spice软件，其仿真核心大同小异，都是采用了由美国加州Berkeley大学开发的spice模拟算法。

SPICE可对电路进行非线性直流分析、非线性瞬态分析和线性交流分析。

被分析的电路中的元件可包括电阻、电容、电感、互感、独立电压源、独立电流源、各种线性受控源、传输线以及有源半导体器件。

SPICE内建半导体器件模型，用户只需选定模型级别并给出合适的参数。

2、元器件模型为了进行电路模拟，必须先建立元器件的模型，也就是对于电路模拟程序所支持的各种元器件，在模拟程序中必须有相应的数学模型来描述他们，即能用计算机进行运算的计算公式来表达他们。

一个理想的元器件模型，应该既能正确反映元器件的电学特性又适于在计算机上进行数值求解。

一般来讲，器件模型的精度越高，模型本身也就越复杂，所要求的模型参数个数也越多。

这样计算时所占内存量增大，计算时间增加。

而集成电路往往包含数量巨大的元器件，器件模型复杂度的少许增加就会使计算时间成倍延长。

反之，如果模型过于粗糙，会导致分析结果不可靠。

因此所用元器件模型的复杂程度要根据实际需要而定。

如果需要进行元器件的物理模型研究或进行单管设计，一般采用精度和复杂程度较高的模型，甚至采用以求解半导体器件基本方程为手段的器件模拟方法。

二微准静态数值模拟是这种方法的代表，通过求解泊松方程，电流连续性方程等基本方程结合精确的边界条件和几何、工艺参数，相当准确的给出器件电学特性。

第二讲-PSpice中的器件模型和模型参数

第二讲-PSpice中的器件模型和模型参数

PSpice中的模型和模型参数库一．PSpice中的模型参数库二．模型描述格式半导体器件模型描述格式子电路模型描述格式三．以已有模型为基础新建模型描述四．为实际元器件提取模型参数、建立模型描述3．模型类别（按照建模方式划分）(1) 元器件物理模型(2) 子电路宏模型(3) 黑匣子宏模型4. 目前研究的问题(1) 提高模型精度。

(2) 建立新器件的模型。

(3) 提高模型参数提取精度。

5．PSpice中的模型参数库(1) PSpice软件数据库中提供有三万多个元器件的模型参数；分别存放在一百多个模型参数库文件（扩展名为LIB）；一．PSpice中的模型参数库5．PSpice中的模型参数库(1) PSpice软件数据库中提供有三万多个元器件的模型参数；分别存放在一百多个模型参数库文件（扩展名为LIB）；每个模型参数库文件都对应有一个元器件符号库文件(以OLB为扩展名)，存放不同元器件的符号图。

一．PSpice中的模型参数库5．PSpice中的模型参数库(1) PSpice软件数据库中提供有三万多个元器件的模型参数；分别存放在一百多个模型参数库文件（扩展名为LIB）；每个模型参数库文件都对应有一个元器件符号库文件(以OLB为扩展名)，存放不同元器件的符号图。

注意：这两类库文件存放的子目录不相同。

元器件符号库文件所在的路径元器件模型参数库文件所在的路径注意：只有上述库文件中的元器件符号才配置有模型参数一．PSpice中的模型参数库5．PSpice中的模型参数库(1) PSpice软件数据库中提供有三万多个元器件的模型参数；分别存放在一百多个模型参数库文件（扩展名为LIB）；每个模型参数库文件都对应有一个元器件符号库文件(以OLB为扩展名)，存放不同元器件的符号图。

注意：这两类库文件存放的子目录不相同。

(2) 用户绘制电路图时实际调用的是元器件符号库中的元器件符号图。

调用PSpice进行模拟仿真时软件自动从对应的模型参数库中调用相应的模型参数。

SPICE的器件模型大全(第6章)

SPICE的器件模型大全(第6章)

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：1.2 实际硅二极管的I-V特性曲线：折线1.3 DC大信号模型：1.4 电荷存储特性：1.5 大信号模型的电荷存储参数Qd：1.6 温度模型：1.7 二极管模型参数表：二、双极型晶体管BJT模型：2.1 Ebers-Moll静态模型：电流注入模式和传输模式两种2.1.1 电流注入模式：2.1.2 传输模式：2.1.3 在不同的工作区域，极电流Ic Ie的工作范围不同，电流方程也各不相同：2.1.4 Early效应：基区宽度调制效应2.1.5 带Rc、Re、Rb的传输静态模型：正向参数和反向参数是相对的，基极接法不变，而发射极和集电极互换所对应的两种状态，分别称为正向状态和反向状态，与此对应的参数就分别定义为正向参数和反向参数。

2.2 Ebers-Moll大信号模型：2.3 Gummel-Pool静态模型：2.4 Gummel-Pool大信号模型：拓扑结构与Ebers-Moll大信号模型相同，非线性存储元件电压控制电容的方程也相同2.5 BJT晶体管模型总参数表：三、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3.2 二级静态模型（大信号模型）：Meyer模型3.2.1 电荷存储效应：3.2.2 PN结电容：3.3 三级静态模型：3.2 MOSFET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年提出四、结型场效应晶体管JFET模型：基于Shichman-Hodges模型4.1 N沟道JFET静态模型：4.2 JFET大信号模型：4.3 JFET模型参数表：五、GaAs MESFET模型：分两级模型（肖特基结作栅极）GaAs MESFET模型参数表：六、数字器件模型：6.1 标准门的模型语句：.MODEL <(model)name> UGATE [模型参数] 标准门的延迟参数：6.2 三态门的模型语句：.MODEL <(model)name> UTGATE [模型参数]三态门的延迟参数：6.3 边沿触发器的模型语句：.MODEL <(model)name> UEFF [模型参数]边沿触发器参数：JKFF nff preb,clrb,clkb,j*,k*,g*,gb* JK触发器，后沿触发DFF nff preb,clrb,clk,d*,g*,gb* D触发器，前沿触发边沿触发器时间参数：6.4 钟控触发器的模型语句：.MODEL <(model)name> UGFF [模型参数]钟控触发器参数：SRFF nff preb,clrb,gate,s*,r*,q*,qb* SR触发器，时钟高电平触发DLTCH nff preb,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：6.5 可编程逻辑阵列器件的语句：U <name> <pld type> (<#inputs>,<#outputs>) <input_node>* <output_node># +<(timing model)name> <(io_model)name> [FILE=<(file name) text value>] +[DATA=<radix flag>$ <program data>$][MNTYMXDLY=<(delay select)value>]+[IOLEVEL=<(interface model level)value>]其中：<pld type>列表<(file name) text value> 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<radix flag> 是下列字母之一：B 二进制 O 八进制 X 十六进制<program data> 程序数据是一个数据序列，初始都为0PLD时间模型参数：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。

第七章 集成电路器件及SPICE模型

第七章 集成电路器件及SPICE模型

MOS结构电容
a a + + + + + + + + + 1.0 Co 沟道 Cdep 沟道 耗尽层 p型衬底 Vss Vss （a） （b） Vgs d tox Cgb Co 0.2 积累区 耗尽区 反型区
MOS电容 (a)物理结构 (b)电容与Vgs的函数关系
MOS结构电容
Cox Cox Í µ µ Æ


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集总元件



由于尺寸的小型化，几乎所有集成电路的有 源元件都可认为是集总元件。前面讨论的无 源元件也可作为集总元件来处理； 随着工作频率的增加，使得一些诸如互连线 的IC元件的尺寸可以与传输信号的波长相比； 这时，集总元件模型就不能有效地描述那些 大尺寸元件的性能，应该定义为分布元件。

2

MIM电容
电容模型等效电路：
固有的自频率：
f0
1 2 LC
金属叉指结构电容
MOS结构电容
平板电容和PN结电容都不相同，MOS核心部分，即 金属-氧化物-半导体层结构的电容具有独特的性质。
它的电容-电压特性取决于半导体表面的状态。
随着栅极电压的变化，表面可处于： 积累区 耗尽区 反型区
有源电阻
I D + V S I IDS I O G S + V D (b) VGS V VTP
G
O
I IDS
VTN V (a)
VGS
MOS有源电阻及其I-V曲线
2t ox L V V 直流电阻： Ron︱VGS=V ＝ I n ox W (V VTN ) 2
交流电阻：

Proteus电路spice器件模型

Proteus电路spice器件模型

模拟电路模型常见的有pspice、hspice、通用spice、ti_spice、ISPICE模型。

Prospice（Proteus，采用spice3f5）一、一般元件1、电阻温度特性：。

L1:A, MUTUAL_B=0.5L1:B二、半导体器件1、二极管（19个参数）对于硅二级管，工作电流大概为10uA-100A。

IS为0.01-10uA。

硅整流二极管为5-40uA，稳压二极管为0.1-5uA，发光二极管1-100uA。

对于锗二极管，工作电流100uA-100mA。

IS为10-1000uA。

100mV，ID/IS=45。

200mV，ID/IS=2194。

300m，VID/IS=10^5。

500mV，ID/IS=2.5*10^8。

600mV，ID/IS=1.2*10^10。

700m，VID/IS=5.7*10^11。

1.1 DC模型：Ut=k*T/q=1.3806226e-23*300.15/1.6021918e-19 =0.025864186伏。

推出Ut*ln(10)=0.05955449。

1.2 大信号模型的电荷存储参数Qd：1.3温度模型：φ(T2)=T2/T1*φ(T1)-2*K*T2/q*ln(Is2/Is1);1.4噪声模型1.5IS, RS and CJO are scaled by the area factor。

1.6 直流参数的推导（参数Is、N、Rs）1、Ud=Id*Rs+Ut2*N*ln(Id/IS)方程：设Id=100mA。

① Ud=Id*Rs+Ut2*N*ln(Id/IS)=0.338221② Ud1=Id*e*Rs+Ut2*N+Ut2*N*ln(Id/Is)=0.535911③ Ud2=Id*10*Rs+Ut2*N*ln(10)+Ut2*N*ln(Id/IS)=1.29777②-① Id*(exp(1)-1)*Rs+Ut2*N=0.19769;③-① Id*9*Rs+Ut2*N*log(10)=0.959549;推出Rs=0.9999999，N=0.99990887。

集成电路器件及SPICE模型

集成电路器件及SPICE模型
• 改进的EM模型采用电荷控制 观点，增加电容到模型中。
• 进一步考虑到发射极、基极和 集电极串联电阻，以及集成电 路中集电结对衬底的电容，于 是得到EM2模型。
28
EM2模型
路漫漫其修远兮,
29
吾将上下而求索
EM小信号等效电路
路漫漫其修远兮,
30
吾将上下而求索
双极型晶体管SPICE模型参数
参数 饱和电流 正向电流增益 反向电流增益 正向欧拉电压 反向欧拉电压 B-E结梯度因子 B-C结梯度因子
集成电路器件及SPICE 模型
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
2020年4月9日星期四
第六章 集成电路器件及SPICE模型
6.1 无源器件结构及模型 6.2 二极管电流方程及SPICE模型 6.3 双极晶体管电流方程及SPICE模型 6.4 结型场效应管JFET模型 6.5 MESFET模型 6.6 MOS管电流方程及SPICE模型 6.7 SPICE数模混合仿真程序的设计流程及方法
SPICE中的双极型晶体管常用两种物理模型 • Ebers-Moll（即EM）模型 • Gummel-Poon（即GP）模型 模型参数能较好地反映物理本质且易于测量。
路漫漫其修远兮,
27
吾将上下而求索
EM直流模型
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
NPN
• 将电流增益作为频率的函数来 处理，对计算晶体管存贮效应 和瞬态特性不方便。
双极型晶体管GP模型
• 1970年由H．K．Gummel和H．C．Poon提出的。 • GP模型对EM2模型在以下几方面作了改进：
1. 直流特性：反映了集电结上电压的变化引起有效基区 宽度变化的基区宽度调制效应，改善了输出电导、电 流增益和特征频率。反映了共射极电流放大倍数β随电 流和电压的变化。

集成电路器件及SPICE模型通用课件

集成电路器件及SPICE模型通用课件
晶体管SPICE模型包括基极、集电极 和发射极的电流电压关系，以及不同 工作区的特性，用于模拟晶体管在电 路中的行为。
场效应管的SPICE模型
场效应管SPICE模型是模拟场效应管特性的数学模型。
场效应管SPICE模型包括沟道电流、阈值电压等参数，用于模拟场效应管在电路 中的行为。
集成电路器件SPICE模型的参数提取与优化
异构集成与三维集成中的SPICE模型挑战
随着集成电路技术的发展，异构集成和三维集成已经成为趋势。在异构集成和三维集成中， 不同材料和器件之间的相互作用和耦合效应更加复杂，因此需要更加精细的SPICE模型来模 拟。
现有的SPICE模型主要是针对单一器件或单一材料的仿真而设计的，因此在异构集成和三维 集成中需要进行改进和扩展。这需要研究新的建模方法和参数提取技术，以适应不同材料和 器件之间的耦合效应。
电阻器
电阻器是限流元件，用于调节 电路中的电流和电压，分为线 绕、薄膜和厚膜电阻器等类型。
电容器
电容器是储能元件，用于隔直、 滤波和旁路等作用，分为陶瓷、
薄膜和电解电容器等类型。
集成电路器件的工作原理
双极型晶体管工作原理
双极型晶体管利用载流子的扩散与漂移运动 控制电流，具有电流放大作用。
二极管工作原理
优化设计
基于SPICE模型的仿真结果，可以对 电路设计进行优化，改进电路的性能 指标，降低功耗和提高稳定性。
元件匹配与版图布局
元件匹配
SPICE模型可以模拟元件之间的匹配 情况，帮助设计者找到元件的最佳配 置，以确保电路性能的稳定。
版图布局
利用SPICE模型进行版图布局的模拟， 可以预测元件之间的耦合效应和信号 干扰，从而优化版图设计。
VS
效率

SPICE 仿真和模型简介

SPICE 仿真和模型简介

SPICE 仿真和模型简介1、SPICE 仿真程序电路系统的设计人员有时需要对系统中的部分电路作电压与电流关系的详细分析，此时需要做晶体管级仿真（电路级），这种仿真算法中所使用的电路模型都是最基本的元件和单管。

仿真时按时间关系对每一个节点的I/V 关系进行计算。

这种仿真方法在所有仿真手段中是最精确的，但也是最耗费时间的。

SPICE（Simulation program with integrated circuit emphasis）是最为普遍的电路级模拟程序，各软件厂家提供提供了Vspice、Hspice、Pspice 等不同版本spice 软件，其仿真核心大同小异，都是采用了由美国加州Berkeley 大学开发的spice 模拟算法。

SPICE 可对电路进行非线性直流分析、非线性瞬态分析和线性交流分析。

被分析的电路中的元件可包括电阻、电容、电感、互感、独立电压源、独立电流源、各种线性受控源、传输线以及有源半导体器件。

SPICE 内建半导体器件模型，用户只需选定模型级别并给出合适的参数。

2、元器件模型为了进行电路模拟，必须先建立元器件的模型，也就是对于电路模拟程序所支持的各种元器件，在模拟程序中必须有相应的数学模型来描述他们，即能用计算机进行运算的计算公式来表达他们。

一个理想的元器件模型，应该既能正确反映元器件的电学特性又适于在计算机上进行数值求解。

一般来讲，器件模型的精度越高，模型本身也就越复杂，所要求的模型参数个数也越多。

这样计算时所占内存量增大，计算时间增加。

而集成电路往往包含数量巨大的元器件，器件模型复杂度的少许增加就会使计算时间成倍延长。

反之，如果模型过于粗糙，会导致分析结果不可靠。

因此所用元器件模型的复杂程度要根据实际需要而定。

如果需要进行元器件的物理模型研究或进行单管设计，一般采用精度和复杂程度较高的模型，甚至采用以求解半导体器件基本方程为手段的器件模拟方法。

二微准静态数值模拟是。

Altium Designer中添加Spice仿真器件模型的方法

Altium Designer中添加Spice仿真器件模型的方法

Altium Designer 6.9软件中添加Spice仿真器件模型的方法在电子设计辅助软件中, Altium Designer 6.9是最常用的软件,新版本的Altium Designer 6.9软件增加了电路仿真功能,能够对设计的电路进行模拟分析。

但是由于其仿真模型库中的元件比较少,使得许多特殊功能的电路无法进行仿真,因此必须添加所需的器件模型。

由于Spice格式已经成为仿真器件模型的标准,电子元器件厂家通常都会给出器件的Spice模型,因此可以从生产厂家的产品资料光盘中得到,也可从Internet网查询这些模型,直接把这些模型转换为Altium Designer 6.9器件模型,然后添加到Altium Designer 6.9的仿真器件库中,增强Altium Designer 6.9的仿真功能。

在此,我已运放为例:介绍将Burr-Brown公司产品资料光盘中的运放Opa501添加到Altium Designer 6.9仿真器件库中的方法。

1.绘制元件图形首先在Altium Designer 6.9中建立一个原理图库文件如Schlib.lib,然后用主菜单中Tools下的New Componet命令创建一个新元件,在弹出的对话框Name中输入元件名Opa501。

在Altium Designer 6.9的设计窗口内绘出如图1所示的元件图形并保存文件。

图1.jpg2.输入元件的描述信息对绘制好的元件,需要输入元件的描述信息才能使用。

打开Tools下的Description对话窗口,这里有Designator、Library Fields及Part Field Names三个选取项。

其中Pan Field Names项采用缺省值,在Designator项的Default和Description栏中分别填人“U?”和“General-Purpose Opera tional Amplifier”。

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美国加州大学伯克利分校以Pederson教授为首的计算机辅助集 成电路设计小组开发的，经过不断的完善和改进, 从20世纪70年 代末开始, Spice向全世界推广。现在, Spice已成为大学、 研究 机构和公司普遍采用的电路分析程序, 甚至把它当作了一种标准。
第七章 Pspice与器件模型
Spice在计算中采用了精确半导体器件模型、 稀疏矩阵等 技术, 在数学和物理上的概念非常清晰并具有很高的精确度, 良 好的通用性, 并能模拟不同类型的电路。 但目前Spice还存在以 下一些不足:
(1) Spice用网表的文本方式输入电路的描述。要构造一个 网表, 设计者首先要数出电路的所有节点, 然后建立文件去描述 电路的连接和元件值。 为此, 用户首先要学会使用计算机的操 作系统和文件编辑器, 还要掌握各种专用命令。所以开始阶段 用户会感到不便。
第七章 Pspice与器件模型
(2) 模拟电路要求的精度高, 所以Spice 中所建模型要精确， 模型参数的赋值也必须非常准确，结果造成Spice中某些元件 有几十个参数。这里所说的模型参数不同于器件出厂时的手册 参数, Spice所给的是反映器件内部物理特性的一些参数。 在使 用时, 要用户自行提供这些参数是很困难的, 通常情况下只好用 Spice程序的缺省值代替, 这往往会导致分析结果不准确。
模型参数 C VC1 VC2 TC1 TC2
单位 F V V ℃ ℃
缺省值 1 0 0 0 0
参数的意义 电容因子 线性电压系数 平方电压系数 线性温度系数 平方温度系数
第七章 Pspice与器件模型 在Pspice中可以采用不同的比例后缀来表示5E6 1.05MEG 1.05E3K 0.00105G
第七章 Pspice与器件模型
输入电路图时必须要有器件库，一般来说Pspice软件本身带 有几十种元器件库， 也可以通过各种途径(网上)获取一些新的 器件库。要注意的是库有两种： 一种是符号库，存放的是器件 的形状，封装形式等信息，其后缀名是SLB和PLB；还有一种是 物理库，包含器件的物理信息，其后缀名是LIB。只有当同时具 有这两种库时才可以进行模拟。如： opamp为运算放大器的库， 在..\lib目录里有opamp.slb和opamp.lib这两种库文件。 所以选用 opamp库内运放元件构成的电路是可以模拟的。而在lib目录下只 有XC4000p.plb这一个库文件，这个库由于没有包含器件物理信 息的物理库， 是不能用来做模拟的（一般被用来绘制PCB板原 理图）。
第七章 Pspice与器件模型
第七章 Pspice与器件模型
7.1 Pspice实例分析 7.2 器件模型应用 复习思考题
第七章 Pspice与器件模型
7.1 Pspice实例分析
7.1.1 Spice简介 Spice(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)是
第七章 Pspice与器件模型
另外，不同工艺线的Spice模型参数会有一些差异， 所以 在进行电路设计前应先选好要去流片的工艺线，从厂家索取 Spice模型文件， 并根据这个文件建自己的库。建库要用到 Parts程序，具体操作在后面说明。由于无法知道Pspice自带的 库采用的工艺，也不能改变它的参数，如MOS晶体管的沟道宽 度、长度，双极型晶体管的发射区面积等。所以要进行具体的 集成电路设计用系统自带的库是不够的。
(3) Spice程序的运行有时会出现不收敛的情况, 这就要求用 户对被分析的电路工作原理极为熟悉, 并仔细地编制网表, 恰当 地选择时间步长, 以避开可能出现的不收敛的情况。
第七章 Pspice与器件模型
7.1.2 Pspice
Pspice采用与Spice基本相同的计算方法, 其输入输出的文件 格式也与Spice 2的格式一致, 应该说是Spice软件的改进版本。 与以前的版本相比,它增加了库模型, 还新增加了行为模型和蒙 特卡罗(容差)分析。 Pspice运行于Windows 下, 其优良的图形界 面不但改变了人工编制网表的文本输入方式, 也大大降低了电 路图输入的工作量。
Pspice和Spice一样, 都具有直流分析、 交流分析、 大信号 瞬态分析等功能。 Pspice软件主要由以下几个部分组成：
第七章 Pspice与器件模型
(1) 电路图输入模块Schematics； (2) 电路分析模块Pspice； (3) 图示化分析结果查看模块Probe； (4) 器件模型参数提取模块Parts。 Pspice适用于分析模拟电路和数字电路, 但主要用于模拟电 路的分析和波形分析。 可分析电路的规模与所使用微机的性能 有关, 一般可分析具有几百个元器件的电路。
第七章 Pspice与器件模型
具体的输入方法，因版本不同会有少许差异。例如对 Pspice 8.0而言， 可在Draw菜单下执行Get New Part(取元器件)、 Wire （画连线）等。 这些常用命令都被放在工具栏上，使用 起来很方便。使用Edit菜单下的Attributes 命令或双击元器件， 可以修改该元器件的参数。例如，电容器的模型参数意义如下：
第七章 Pspice与器件模型
7.1.3 Pspice
用Pspice进行电路模拟，首先应绘制待模拟电路的电原理 图。较高版本的电路图输入软件支持层次设计和多页面的设 计， 可以把元器件用线、总线和端口连接起来。也可以在电 路图上放置文字说明、改变器件的属性、 用标签来区分连线 及总线等。画电路图前先要把需要的库调出，在Options菜单 下选中Editor Configuration子菜单时会弹出一个对话框，利用 这个对话框配置好元器件库的路径。配置好库路径后， Pspice 会把在设置路径下的所有库都调进来。如果要另外添加或删 除库， 可以在对话框里单击Library Settings ，在弹出的对话 框里选择。