如何利用Verilog-A開(kāi)發(fā)器件模型

文章來(lái)源：SPICE 模型

原文作者：若明

Verilog-A對(duì)緊湊型模型的支持逐步完善，在模型的實(shí)現(xiàn)上扮演越來(lái)越重要的角色，已經(jīng)成為緊湊模型開(kāi)發(fā)的新標(biāo)準(zhǔn)。而且Verilog-A能夠在抽象級(jí)別和應(yīng)用領(lǐng)域中擴(kuò)展SPICE建模和仿真功能，因此學(xué)會(huì)如何用Verilog-A來(lái)開(kāi)發(fā)器件模型在建模領(lǐng)域?qū)⒂葹橹匾＝裉炀蛠?lái)以簡(jiǎn)單的例子來(lái)介紹如何開(kāi)發(fā)一個(gè)Verilog-A Model。

SPICE電路元件模型通常稱為緊湊型模型。它們應(yīng)該足夠簡(jiǎn)單，以提供有效的電路仿真，并足夠精確，使仿真結(jié)果對(duì)電路設(shè)計(jì)者有用。隨著在LRM 2.2中引入語(yǔ)言擴(kuò)展以支持緊湊的器件建模，Verilog-A已成為電子行業(yè)中用于開(kāi)發(fā)有源和無(wú)源半導(dǎo)體器件緊湊模型的標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言。

假設(shè)：

您是一個(gè)器件工程師/研究者

您需要的是一個(gè)Compact Spice Model（而不是TCAD Model）

您對(duì)一個(gè)器件的物理特性比較了解

您已經(jīng)有一組方程來(lái)描述器件端口的電壓電流特性

您需要理解的是：

什么是Compact Model

電路仿真器如何使用一個(gè)Compact Model

如何將器件的電路方程編寫為Verilog-A Model

需要了解一些常見(jiàn)的錯(cuò)誤和Debug的能力

需要知道如何測(cè)試您的Model

一個(gè)簡(jiǎn)單的例子

Amplifier Model的例子

對(duì)一個(gè)放大器建模是一個(gè)比較基礎(chǔ)的例子，但是要增加額外的效應(yīng)，則是具有挑戰(zhàn)性的。如果簡(jiǎn)單的來(lái)考慮放大器，可以簡(jiǎn)單的認(rèn)為輸出為增益乘以輸入。我們從電路設(shè)計(jì)的角度，自下而上地來(lái)看一個(gè)放大器的模型：Spice晶體管級(jí)模型，功能級(jí)模型，結(jié)構(gòu)級(jí)模型，行為級(jí)模型。

Spice晶體管級(jí)模型

在晶體管級(jí)模型，首先要非常清楚最底層的放大器的電路是如何設(shè)計(jì)的，并且要有每一個(gè)最底層的元器件的Spice Model。要按照電路使用Spice語(yǔ)法描述電路，搭建Subckt Model。Spice Model多用于IC設(shè)計(jì)領(lǐng)域。

功能級(jí)模型

在功能級(jí)模型，首先要對(duì)電路功能進(jìn)行分析。以放大器為例，我們最關(guān)心的功能是其放大增益，經(jīng)過(guò)推導(dǎo)，推導(dǎo)出增益，然后以Verilog-A來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在這里gain作為放大器的參數(shù)，可以改變。如下圖所示，與Spice Model比較，只反映出放大特性，沒(méi)有考慮頻率的響應(yīng)。

結(jié)構(gòu)級(jí)模型

如果在簡(jiǎn)單的增益模型的基礎(chǔ)上考慮頻率的響應(yīng)，我們可以通過(guò)結(jié)構(gòu)級(jí)模型實(shí)現(xiàn)。首先，要考慮放大器對(duì)頻率的特性，通過(guò)推導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)其頻率相應(yīng)可以通過(guò)RC網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在這里增加RC網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，來(lái)表征放大器對(duì)頻率的響應(yīng)。如下圖所示，通過(guò)調(diào)諧RC網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，可以達(dá)到和Spice Model接近的效果。

行為級(jí)模型

Verilog-A語(yǔ)言包括實(shí)現(xiàn)集總線性連續(xù)時(shí)間濾波器的內(nèi)置拉普拉斯變換函數(shù)。該變換用于模擬放大器的頻率效應(yīng)，將其行為視為一個(gè)簡(jiǎn)單的帶通濾波器。此類模型我們可以認(rèn)為是行為級(jí)模型，通常在更頂層的系統(tǒng)級(jí)電路中使用。如下圖所示，與Spice Model比，也能夠達(dá)到接近的效果。