模擬仿真技術(shù)：SPICE常用的建模方法和步驟

對于SPICE建模，原計劃一個器件一個器件的分析，但不知何時可以兌現(xiàn)，那就先用這一篇把PSpice中用到的各種建模方法全部介紹完吧，這樣不管哪種器件，我們都有思路和方法了。

為何要建模

在PSpice A/D中內(nèi)建了很多常用的電子元器件符號及其對應(yīng)的模型，但是在實際電路設(shè)計中，元器件庫中恰好沒有合適的元器件，而且這種情況非常經(jīng)常，軟件庫文件中的元器件都是常規(guī)的，一旦是新的芯片，在自帶庫中基本上都找不到。

于是，原本信誓旦旦半天就可以完成的電路設(shè)計，卻因為找不到模型，只好擱置了~~~所以原理圖仿真在學(xué)會使用軟件之后，最大的困境就是器件找不到模型?！雪n⊙∥

今天在這里把目前最常用的建模方法和步驟給大家做介紹，遇到器件沒有模型時總會有辦法解決~~

01

編輯和修改已有的模型

找不到器件模型很常見，但也不需要一找不到模型就想著建模（自己有強迫癥或是領(lǐng)導(dǎo)有強迫癥的除外），在遇到庫中沒有找到模型時，我們可以考慮選用相近的型號器件代替，或者對模型庫中已有的器件進行編輯，對主要的參數(shù)進行修改以滿足仿真的要求。

樣例

某方波發(fā)生器電路，穩(wěn)壓管D1N4465的穩(wěn)壓值是10.05V。如果設(shè)計輸出的方波需要限幅為8V，那么我們可以直接修改D1N4465的模型參數(shù)。

步驟：1、點中穩(wěn)壓管D1N4465，右鍵在快捷菜單中選擇執(zhí)行Edit PSpice Model命令，這時系統(tǒng)會打開Model Edtor工具，你慢慢等待就可以~~

2、進入PSpice的Model Editor模塊后，我們能看到這個穩(wěn)壓管的模型文件內(nèi)容，找到我們最關(guān)注的參數(shù)Bv（PN節(jié)的反向擊穿電壓），將其參數(shù)值改為8.0。然后保存設(shè)置。（這時不要擔(dān)心會把自帶庫中的1N4465的管子參數(shù)給修改了，軟件只會把這個修改過參數(shù)的器件另存在這個工程文件的目錄下）

3、關(guān)閉Model Editor軟件，直接運行原工程文件。從輸出波形可以看出，我們修改成功了。

? ? ? ?

02

從IC廠家網(wǎng)站上下載Spice模型建模

如果你的電路中有這幾年新出現(xiàn)的元器件，那大概率都不可能有模型。但如果你的器件是一些半導(dǎo)體大廠商生產(chǎn)的，比如德州儀器(TI)、亞德諾(ADI)、英飛凌等，那可以直接到其官網(wǎng)上搜索，很大概率上能找得到。

譬如：

只要將其下載即可。

樣例

比如從TI的網(wǎng)站上下載OPA2132的PSpice模型文件：OPA2132.mod。由于PSpice識別的庫文件后綴名是.lib，所以直接將后綴名修改為lib，得到OPA2132.lib文件。【注：有時下載得到的是.cir或是.txt的，都可以直接修改后綴名】

步驟一：雙擊*.lib文件，打開Model Editor工具

步驟二、為模型配置一個.olb文件

執(zhí)行菜單欄中File→Export to Capture Part library，設(shè)置完畢后點擊OK。

步驟三、為模型選擇合適的外形

繼續(xù)執(zhí)行File→Model Import Wizard[Capture]，按照下圖的步驟，為該模型選擇合適的外形。點擊“Save Symbol”，關(guān)閉對話框后建模就完成了。

這樣，在在保存的目錄下就可以看到如下兩個文件：

那就已經(jīng)跟軟件自帶庫的裝備一樣了，也就預(yù)示器件的SPICE建模已經(jīng)完成。剩下就是如何調(diào)用和測試嘍

步驟四、在使用新模型的工程中添加入庫文件

在新建的工程原理圖窗口下調(diào)用新建的器件的.olb文件，畫出如下的二階濾波器的電路，在設(shè)置仿真分析方法時，選擇交流分析。

在運行仿真之前還需要有如下操作：

執(zhí)行PSpice→Simulation Settings，按照下圖標(biāo)記的順序，將前面建好的.lib文件添加進工程。

這樣，就可以點擊運行，順利得到仿真結(jié)果了。

03

使用軟件自帶的建模APP創(chuàng)建模型

在這手機APP流行的時代，一個功能強大的仿真軟件自然也得跟上潮流。這個寶藏APP藏在Capture的菜單欄中：Place->PSpice Component->Modeling Application

點擊打開，就可以看到這里包含了很多種現(xiàn)在使用比較多的器件，比如大功率MOSFET，瞬態(tài)電壓抑制器、穩(wěn)壓管、獨立電源等

下面是其中幾個的建模界面，可以看出，這里只要根據(jù)器件的數(shù)據(jù)手冊數(shù)據(jù)輸入到相應(yīng)編輯框內(nèi)就可以了，算是非常直觀的建模方式了。Cadence公司也在每次版本更新時增加種類。

? ? ? ?

樣例

某型號為LQM18P_B0的一款高頻電感，由Murata Electronics公司生產(chǎn)，在官網(wǎng)上找到數(shù)據(jù)手冊，里面有如下的參數(shù)數(shù)據(jù)：

由于自帶庫中沒有這個型號，如果只用常規(guī)的電感模型，又無法體現(xiàn)它的性能。這時就選用Modeling App中的Inductor，打開之后，將上圖中的重要參數(shù)填寫到相應(yīng)的編輯框內(nèi)

點擊上圖的Place就完成了這個高頻電感的建模。

04

擬合特性曲線方式建模

PSpice提供一個專門建模的工具Model Edtor，在Cadence軟件中可以找到，前面第二種方法中我們其實也見到過了。只是那是系統(tǒng)自動打開，這次需要自己找到后打開

Model Editor工具提供了十幾種元件：Diode、Bipolar Transistor、Magnetic Core、IGBT、JFET、MOSFET、Operational Amplifier、Voltage Regulator、Voltage Comparator、Voltage Reference、Darlington Transistor，這些都可以通過輸入特性曲線來建立元件的PSpice Model。

這種方法的樣例可以參看之前推送過的

晶體三極管的SPICE模型構(gòu)建

在晶體三極管建模里有詳細(xì)的步驟，這里就不贅述了，大家記得點擊藍(lán)字哦????????

05

打包子電路建模

Model Editor工具和Modeling App都是有局限性的，都只有固定類型的器件才可以使用。而子電路形式是所有元器件都可以使用的建模方式。也是我們見到的幾乎所有的模擬集成芯片所使用的建模方式。不信，你隨便選擇一個集成芯片的模型，右鍵看它的模型文件，都可以看到第一行幾乎都是以.SUBCKT 開頭的。這就是子電路形式建模。第二種方法中我們下載的運放模型就是子電路方式建模。

子電路的語句描述是：

.SUBCKT? ?? [NODE1 NODE2……]

……

.END

這里以構(gòu)建一個MOSFET的子電路，來說明這種建模方式的步驟

樣例

某射頻功率MOSFET晶體管DE150-201N09A，數(shù)據(jù)手冊中沒有提供詳細(xì)的特性曲線，但它提供了SPICE模型電路，如下圖。它屬于SPICE三極模型的擴展，里面包括了三個雜散電感LG、LS和LD；圖中的RD相當(dāng)于器件的導(dǎo)通電阻RDS(on)；Rds是電阻性漏電項；晶體管的輸出電容Coss和反向傳輸電容CRSS由反向偏置二極管建模，為器件提供變?nèi)荻O管響應(yīng)。Ron和Roff用于調(diào)整晶體管的開啟延遲和關(guān)閉延遲。

數(shù)據(jù)手冊中提供的模型電路

步驟一、在原理圖設(shè)計工具Capture中繪制電路圖，并生成網(wǎng)表(netlist)

在原理圖繪制工具Capture中繪制原理圖，得到如下圖的電路。

繪圖區(qū)內(nèi)繪制子電路

圖中MOS管和二極管均選用BREAKOUT庫中的器件，并對其參數(shù)進行設(shè)置。

.MODEL MNOS NMOS (LEVEL=3 VTO=3.0KP=2.7)

.MODEL D1 D (IS=.5F CJO=1P BV=100M=.5 VJ=.6 TT=1N)

.MODEL D2 D (IS=.5F CJO=1100PBV=500 M=.5 VJ=.6 TT=1N RS=10M)

.MODEL D3 D (IS=.5F CJO=300PBV=500 M=.3 VJ=.4 TT=400N RS=10M)

然后在工程界面下，選擇tools/Create Netlist，得到下圖所示對話框，利用軟件直接生成網(wǎng)表。

網(wǎng)表設(shè)置完成后，系統(tǒng)會自動生成網(wǎng)表文件，后綴名為.lib。

通過給定的路徑，我們可以在文件夾下找到剛剛生成的.lib文件

這其實就是該MOSFET的模型文件了。接下來從步驟二到步驟四跟第二種方法是完全一樣的哦，再來回顧一遍吧????????

步驟二、為模型配置一個.olb文件

在工程目錄下找到lib文件，雙擊后，系統(tǒng)調(diào)用PSpice Model Editor工具，將此model 加入元件庫中：File→Export to capture Part library，獲得.olb文件。

步驟三、為模型選擇合適的外形

在Model Editor工具中繼續(xù)執(zhí)行File→Model Import Wizard [capture]，為該模型選擇合適的外形。此處模型可以采用系統(tǒng)默認(rèn)的，后面在原理圖中進行修改，也可以直接從元件庫中找到可以兼容的直接應(yīng)用。如下圖所示的步驟進行。保存符號后，關(guān)閉Model Editor。

這樣，在工程文件夾下就可以看到如下兩個文件：

這預(yù)示器件的SPICE建模已經(jīng)完成。

對于很多器件，其實內(nèi)部的子電路并不容易獲得，這時可以選用PSpice的ABM（Analog Behavioral Modeling）庫中的器件。

比如我們知道某穩(wěn)壓器的內(nèi)部框圖

那我們可以按照子電路建模的步驟一，在Capture中畫出實現(xiàn)該框圖行為關(guān)系的電路模型

上圖紅框中的都是ABM庫的器件。后面找時間專門推一期說ABM庫哦，大家別急~~今天主要是熟悉建模的步驟。

然后根據(jù)步驟二和步驟三，得到該穩(wěn)壓器的外觀。

這樣也就大功告成了。

結(jié)束語

器件建模是電路仿真過程中最艱難的步驟之一，它不僅要求對器件的物理及電特性有深入了解，還要求擁有豐富的特定電路的應(yīng)用知識。但是器件的建模問題決不是不能解決的，利用器件的Datesheet的信息，可以給器件建立一個初步模型。為了獲得電路建模的最佳結(jié)果，遵從“使用盡可能簡單的模型”。

另外還有幾點：

1 不要使模型比實際需要的更復(fù)雜，哪怕一點也不行，過度復(fù)雜的模型只會使它運行的更慢，出錯的可能性更大；

2 建模本身就是一種妥協(xié)的做法；

3 不要害怕將電路分開成各部分單獨測試，需要時可以獨立運行和跟蹤調(diào)試子電路；

4 對功率器件使用ABM建模時要小心，它可能在一個工作點上運行正確，但其他工作點可能產(chǎn)生不精確的結(jié)果

最后，最重要的是要知道自己在做什么。^_^

編輯：黃飛

?