PSPice相关14.半导体器件特性仿真

PSpice论文二电路仿真中元器件建模摘要：电子电路原理图仿真最大的瓶颈就在于准确的元器件模型，本文针对这一难点提出了两种建模方法：对于简单的半导体器件，通过设置代表该器件结构的参数的方法进行建模；而对于常用电路单元和新的集成芯片，通过创建子电路的方法进行建模。

文章通过实例验证了这两种方法的有效性和准确性。

关键词：电路仿真; 参数建模; 子电路建模1 引言计算机仿真具有效率高、精度高、可靠性高和成本低等特点，已经广泛应用于电力电子电路(或系统)的分析和设计中。

计算机仿真不仅可以取代系统的许多繁琐的人工分析，减轻劳动强度，提高分析和设计能力，还可以对电路进行优化和改进，最大限度地降低设计成本，缩短系统研制周期。

但是这些种种的优点都基于元器件的模型，电路的数学化主要是元器件的模型化。

可以说没有模型化就没有电路仿真分析。

简单的元器件，比如，电阻、电容和电感等，只需要一个或几个参数就可以描述其电学性能。

而各种半导体器件和集成芯片的模型化，则需要很多参数和较复杂的建模过程。

目前各种仿真工具中都自带了很多常用的元器件的模型，但是自带模型库永远跟不上电子器件的更新速度。

本文针对建模的重要性和必要性，研究了当前流行的电子电路仿真工具的电子元器件模型，提出两种建模方法：参数建模法和子电路建模法。

2 参数建模法参数建模法主要是针对加工工艺相同的一类半导体器件提出的，过程是先利用物理法或黑箱法构建出不同复杂程度的等效电路，然后通过公式演算，得出这类半导体器件的参数。

在使用过程中，遇到该类器件，就可以通过直接设置参数值实现不同型号元器件建模，省去重复构建等效电路和繁琐的方程式推导过程。

下面以n沟道MOS（metal-oxide semiconductor）晶体管为例说明等效电路与参数之间的关系。

图1 典型的n 沟道MOS 晶体管的组成示意图典型的n 沟道MOS 晶体管的组成示意图如图1所示，设置栅极宽度为W ，有效的栅极长度为L ，栅极下拨氧化层的厚度为t ox 。

【教程】PSpice的4种基本仿真分析详解PSpice A/D将直流工作点分析、直流扫描分析、交流扫描分析和瞬态TRAN分析作为4种基本分析类型，每一种电路的模拟分析只能包括上述4种基本分析类型中的一种，但可以同时包括参数分析、蒙特卡罗分析、及温度特性分析等其他类型的分析，现对4种基本分析类型简介如下。

1. 直流扫描分析〔DC Sweep〕直流扫描分析的适用范围：当电路中某一参数〔可定义为自变量〕在一定范围内变化时，对应自变量的每一个取值，计算出电路中的各直流偏压值〔可定义为输出变量〕，并可以应用Probe功能观察输出变量的特性曲线。

例对图1所示电路作直流扫描分析图1〔1〕绘图应用OrCAD/Capture软件绘制好的电路图如图2所示。

图2〔2〕确定分析类型及设置分析参数a) Simulation Setting〔分析类型及参数设置对话框〕的进入•执行菜单命令PSpice/New Simulation Profile，或点击工具按钮，屏幕上弹出New Simulation 〔新的仿真项目设置对话框〕。

如图3所示。

图3•在Name文本框中键入该仿真项目的名字，点击Create按钮，即可进入Simulation Settings〔分析类型及参数设置对话框〕，如图4所示。

图4b〕仿真分析类型分析参数的设置图2所示直流分压电路的仿真类型及参数设置如下〔见图4〕：•Analysis type下拉菜单项选择中“DC Sweep”；•Options下拉菜单项选择中“Primary Sweep”；•Sweep v ariable项选中“V oltage source”，并在Name栏键入“V1”；•Sweep type项选中“Linear”，并在Start栏键入“0”、End栏键入“10”及Increment栏键入“1”。

以上各项填完之后，按确定按钮，即可完成仿真分析类型及分析参数的设置。

另外，如果要修改电路的分析类型或分析参数，可执行菜单命令PSpice/Edit Simulation Profile，或点击工具按钮，在弹出的对话框中作相应修改。

PSPICE仿真流程(2013-03—18 23：32：19)采用HSPICE 软件可以在直流到高于100MHz 的微波频率范围内对电路作精确的仿真、分析和优化。

在实际应用中，HSPICE能提供关键性的电路模拟和设计方案，并且应用HSPICE进行电路模拟时，其电路规模仅取决于用户计算机的实际存储器容量。

二、新建设计工程在对应的界面下打开新建工程：2）在出现的页面中要注意对应的选择3）在进行对应的选择后进入仿真电路的设计：将生成的对应的库放置在CADENCE常用的目录中,在仿真电路的工程中放置对应的库文件。

这个地方要注意放置的.olb库应该是PSPICE文件夹下面对应的文件,在该文件的上层中library 中的.olb中的文件是不能进行仿真的，因为这些元件只有.olb,而无网表。

lib。

4）放置对应的元件：对于项目设计中用到的有源器件,需要按照上面的操作方式放置对应的器件,对于电容，电阻电感等分离器件，可以在libraries中选中所有的库，然后在滤波器中键入对应的元件就可以选中对应的器件，点击后进行放置.对分离元件的修改直接在对应的元件上面进行修改:电阻的单位分别为:k m;电容的单位分别为：P n u ；电感的单位分别为：n 及上面的单位只写量级不写单位.5）放置对应的激励源:在LIBRARIES中选中所有的库，然后键入S就可以选中以S开头的库。

然后在对应的库中选中需要的激励源.激励源有两种一种是自己进行编辑、手工绘制的这个对应在库中选择：另外一种是不需要自己进行编辑：该参数的修改可以直接的在需要修改的数值上面就行修改，也可以选定电源然后点击右键后进行对应的修改。

6）放置地符号：地符号就是在对应的source里面选择0的对应的标号.7）直流电源的放置：电源的选择里面应该注意到选择source 然后再选定VDC或者是其它的对应的参考。

8）放置探头：点击对应的探头放置在感兴趣的位置处.6 对仿真进行配置：1）对放置的项目的名称进行设置,也就是设置仿真的名称.2)对仿真进行配置：对仿真的配置主要是对两个对应的选项进行操作,Analysis中的对应操作：这个里面主要对应analysis type 以及的操作，对应扫描频率，需要注意MEG的频率单位.在configuration Files里面要注意category 中应该选择library，在filename 中选择对应的IC的库文件,选定后再选择add as global 按键，然后点击确认就可以了。

第一章测试1.电路仿真有哪些主要作用（）。

A:仿真可以提高电路的可靠性和安全性B:仿真降低成本C:仿真可以查看实际中不方便测量信号D:仿真缩短设计周期答案:ABCD2.常用的电路仿真软件有哪些（）。

A:TINAB:MultismC:PSpiceD:LTSpice答案:ABCD3.PSpice中电压控制的电流源字母代号为（）。

A:FB:EC:HD:G答案:D4.在PSpice中单位后缀MEG表示（）。

A:B:C:D:答案:B5.PSpice的主要使用场合是什么？答案:第二章测试1.下列哪些属于Spice电路文件的组成部分（）。

A:输出语句B:.endC:控制语句D:数据语句答案:ABCD2.电压源电流源在描述连接关系时，对元件端子的描述没有顺序要求。

（）A:错B:对答案:A3.电容初始电压的设置与端子描述的顺序有关。

（）A:错B:对答案:B4.以下关于直流转移特性分析说法错误的是（）。

A:可以得到从输出变量端口看进去的输出电阻B:使用.TF语句可进行转移特性分析C:可以得到从源端看进去的输入电阻D:可以得到电路的电压放大倍数答案:D5.Spice的输出语句有.plot与.print。

（）A:对B:错答案:A6.以下关于子电路语句说法错误的是（）。

A:子电路定义以.subckt开头，以.ends结尾B:调用后的子电路节点与定义节点需要完全匹配C:可子电路可以循环调用D:子电路调用必须以X开头答案:C7.以下关于模型语句说法正确的是（）。

A:模型定义以.model开头B:MOSFET的元件类型有PMOS与NMOSC:每一种元件模型类型都有特定的名称D:三极管的元件类型有NPN与PNP答案:ABCD第三章测试1.下列关于PSpice原理图绘制说法正确的是（）。

A:水平翻转快捷键为H，垂直翻转快捷键为VB:PSpice中有元件库和符号库区分，元件库中的器件有电学特性，而符号库中的器件没有电学特性C:地通过符号库中的GND放置D:修改器件参数可以直接双击参数值进行修改，也可以从属性窗口进行修改答案:ABD2.从Place/text放置的文字与从Place/Net Alias放置的文字功能相同。

实验二二极管特性PSPICE仿真实验一、实验目的1. 掌握Pspice中电路图的输入和编辑方法；2. 学习Pspice中直流扫描设置、仿真、波形查看的方法；3. 进一步理解二极管、稳压二极管的工作原理，伏安特性；4. 学习负载线的画法、静态工作点的测量方法；5. 学习二极管工作时直流电阻及交流电阻的求法。

二、概述二极管是一种应用广泛的电路器件，它的工作原理是基于PN结的单向导电性。

当二极管加正向偏置时导通，有较大的电流，电阻小；当二极管加反向偏置时电流很小，电阻大。

二极管两端的电压和流过二极管的电流之间的关系称为二极管的伏安特性。

二极管特性可以应用晶体管特性图示仪、实验测量及Pspice仿真三种方法来获得，本实验应用第三种方法来方法二极管的伏安特性，二极管的伏安特性如图1所示。

图 1 二极管伏安特性二极管伏安特性包括正向特性、反向特性和反向击穿特性。

二极管正向导通时，其电流和电压的大小由正向特性确定。

由图2可确定二极管的工作点。

如图2所示，根据闭合电路的欧姆定律可得：D S D I R U U ⋅−=由于Us 和R 为常量，上式描述的U D -I D 关系是一条不通过坐标原点的直线。

将该直线叠加到二极管的正向特性曲线上，两者的交点就是二极管的工作点。

图 2 二极管的工作点稳压二极管也是一种二极管，但稳压二极管应用于反向偏置；通过稳压二极管伏安特性的仿真练习，进一步理解它的特性。

三、实验设备1. 计算机；2．ORCAD 10.5 软件；3. ORCAD 10.5培训教程（电子版） 洪永思编；4. PSpice-A brief primer Univesity of pennsylvania (电子版)5. D1N914二极管模型、D1N4731稳压二极管模型。

四、预习要求1. 阅读ORCAD 10.5培训教程及Pspice-A brief primer 资料；2. 复习教材中第一章二极管一节的理论课程内容；3. 学习有关二极管直流负载线、工作点、直流电阻、交流电阻的概念。

实验报告专业：姓名：学号：日期：桌号：课程名称：模拟电子技术基础实验指导老师：蔡忠法成绩：________________ 实验名称：半导体器件特性仿真一、实验目的1. 掌握PSpice软件的使用。

2. 学习半导体器件特性的仿真分析方法。

二、实验内容1. 仿真分析二极管的伏安特性。

2. 仿真分析二极管的温度特性。

3. 仿真分析二极管两端的输出波形。

4. 分析仿真分析三极管的输出特性。

三、实验电路和实验结果1. 仿真分析二极管的伏安特性。

仿真电路：R1D3D1N4148仿真结果：V(D3:1)-120V-100V -80V -60V-40V -20V -0V 20VI(D3)-100mA-50mA-0mAV(D3:1)0V0.1V0.2V0.3V0.4V0.5V0.6V0.7V0.8V0.9V1.0VI(D3)0A 20mA40mA仿真结果分析：二极管的伏安特性曲线如图所示。

当反向电压小于100V 时，二极管反向截止；当正向电压大于0.5V 时，二级管导通。

2. 仿真分析二极管的温度特性。

仿真电路：R1D3D1N4148仿真结果：V(D3:1)0V0.1V0.2V0.3V0.4V0.5V0.6V0.7V0.8V0.9V1.0VI(D3)0A 25mA仿真结果分析：当电压一定时，通过二极管的电流随温度增加而增加。

3. 仿真分析二极管两端的输出波形。

仿真电路：R1VOFF = 0V仿真结果：Time0s0.2ms0.4ms0.6ms0.8ms1.0ms1.2ms1.4ms1.6ms1.8ms2.0msV(OUT)-10V-5V0V5V仿真结果分析：通过二极管的波形如图所示，当正向导通时，输出电压基本等于0V ；当二极管反向截止时，输出电压与开路电压相等。

4. 分析仿真分析三极管的输出特性。

仿真电路：Rc仿真结果：20mA10mA0A0V5V10V15V20V25V30V35V40V45V50V IC(Q1)V(Q1:c)- V(Q1:e)仿真结果分析：三极管输出特性曲线如图所示。

现代半导体器件与仿真作业实验报告实验1：利用模型仿真电容性能1．实验目的：建立模型仿真电容性能，掌握电容。

2．实验要求：利用pspice建立模型仿真电容性能。

3. 实验步骤：Step1:打开pspice，建立新文档，输入代码，建立模型，设置VC1，VC2，TC1，TC2（电容的一阶二阶电压，温度系数）为0.001,0.002,0.005,0.015，以及电容倍乘系数为1.5。

Step2:保存文档文件为XXXXX.cir文件，并运行，模拟run。

Step3：打开图表，观察各个曲线，与预期结果进行对比分析。

（电流随时间变化）（电容两端电压随时间的变化）4.实验心得：通过对电容模型的模拟仿真，基本熟练掌握利用pspice建立电子元件并进行仿真观察其电路特性，对电容的电路特性也有了更为直观的了解。

实验2：自建电容模型并仿真电容性能1.实验目的：建立电容模型，仿真电容性能。

2.实验要求：建立电容模型并在pspice中仿真电容性能。

3.实验过程：Step1：输入代码：******CAPMODEL***********************.subckt differs 1 3Rin 1 0 1MEGE1 5 0 1 0 1Ctime 5 6 0.25NRtime 6 7 1KR2 6 0 1GE2 7 0 6 0 -1GEout 8 0 7 0 1R3 3 0 1GRout 8 3 1K.ends differs*****************.subckt cpip n1 n2 PARAMS:l=10u w=10u pt=27.param ere0=1.0996e-12 tox=1.0e-6.param ptc1=2.09e-05 ptc2=3.72e-08 pvc1=-7.72e-05 pvc2=-9.12e-06 .param tfac={1.0+ptc1*(pt-25.0)+ptc2*(pt-25.0)*(pt-25.0)}E1 vfac 0 value={1+pvc1*(v(n2,n1))+pvc2*v(n2,n1)*v(n2,n1)}*R2 vfac 0 100megE2 cvalue 0 value={ere0*l*w/tox*V(vfac)*tfac}*R3 cvalue 0 100megE3 n3 0 n1 n2 1X00 n3 n4 differsR1 n4 0 100MEGGvalue n1 n2 value={V(cvalue,0)*V(n4,0)}.ends cpip***********************************X01 1 0 cpip PARAMS:l=20u w=20u pt=27VCC 1 0 PULSE(0 1 0 0 0 1ms 2ms).TRAN 0 10ms.OP.PROBE.endStep2：另存为cir文件，在pspice中打开，点击运行。

1 PSPICE软件的简介与使用1.1 PSPICE的发展与现状根据实际电路（或系统）建立模型，通过对模型的计算机分析、研究和试验以达到研制和开发实际电路（或系统）的目的，这一过程，称为计算机仿真（Simulation）的高效、高精度、高经济性和高可靠性，因此倍受业界喜爱。

在设计或分析各类开关电源时,计算机仿真起了重要的作用。

数字仿真手段可用以检验设计的系统是否满足性能要求。

应用数字仿真可以减少电路实验的工作,与电路实验相比,计算机仿真所需时间要少得多,并可以更全面、更完整地进行,以期改进设计质量。

目前流行的许多著名软件如PSpice、Icape等，它们各自都有其本身的特点。

而随着Windows的全面普及，PSpice推出了Windows版本，用户不用象DOS版那样输入数据网表文件，而是图形化，只需选择相应的元器件的图标代号，然后使用线连接就可以自动生成数据网表文件，整个过程变得直观简单。

因此它已广泛应用于电力电子电路（或系统）的分析中。

用于模拟电路仿真的SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）软件于1972年由美国加州大学伯克利分校的计算机辅助设计小组利用FORTRAN语言开发而成，主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计。

SPICE 的正式实用版SPICE 2G在1975年正式推出，但是该程序的运行环境至少为小型机。

1985年，加州大学伯克利分校用C语言对SPICE软件进行了改写，1988年SPICE被定为美国国家工业标准。

与此同时，各种以SPICE为核心的商用模拟电路仿真软件，在SPICE的基础上做了大量实用化工作，从而使SPICE成为最为流行的电子电路仿真软件。

PSPICE则是由美国Microsim公司在SPICE 2G版本的基础上升级并用于PC 机上的SPICE版本，其中采用自由格式语言的5.0版本自80年代以来在我国得到广泛应用，并且从6.0版本开始引入图形界面。

基于PSpice软件的二极管电路仿真一、实验目的1.掌握PSPICE软件中工程的建立方法。

2.掌握PSPICE软件中电路图的输入和编辑方法。

3.简单学习PSPICE软件中DC扫描的设置、仿真和波形查看方法。

二、实验工具1.PC机2.OrCAD 16.5软件三、实验要求1.熟悉PSPICE软件的安装及操作界面。

2.学会使用PSPICE软件对二极管进行简单的DC扫描仿真。

四、实验步骤1.打开PSPICE软件，界面如下图1.1所示。

图1.1 软件界面2.新建一个Diode工程，如下图1.2所示.图1.2 新建工程工程名为Diode，在Create a New Project Using中选择Analog or Mixed A/D项，该项表示模拟或数字混合仿真，其余三项不能用于模拟仿真。

然后，点击OK进行下一步。

3.下一步会弹出图1.3的对话框，新建一个为空的工程。

图1.3 空的工程4.点击OK，即进入电路图编辑的界面，如图1.4所示。

图1.4 电路图编辑界面在界面中，包含了绘图窗口、信息查看窗口和项目管理视图，项目管理视图如图1.5所示。

图1.5 项目管理视图在该界面中，我们可以进行各种电路图的编辑。

5.在编辑电路图之前，我们需要添加器件库。

在Capture中鼠标点击绘图窗口，点击绘图窗口的图标，即会弹出加载器件库的对话框，如图1.6所示。

图1.6 器件加载在器件加载对话框中，我们选中所有器件库，即可添加各种元器件。

6.进行简单的电路图绘制及编辑，绘制、编辑后的电路图如下图1.7所示。

图1.7 电路图电路图中，电源V1电压为0V，电阻R1阻值为10欧姆，D1为一个二极管。

器件的使用情况如下表1.1所示。

表1.1 器件使用情况元件元件库元件种类元件设定D1N4002eval.olb硅二极管V1source.olb直流电源DC=0V0capsym.olb接地元件R analog.olb电阻元件R=107.保存之前的各项编辑及设置，然后进行DC Sweep直流扫描分析。