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技能补给站|电子元器件在电路仿真中如何建模

2018-09-13 11:16 来源:互联网 编辑:niko

这里针对建模的重要性和必要性,研究当今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。

计算机仿真具有效率高、精度高、可靠性高和成本低等特点,已被广泛应用于电力电子电路(或系统)的分析和设计。计算机仿真不仅可以取代系统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,缩短系统研发周期。但这些优点都是基于元器件模型,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的仿真分析。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。而各类半导体和集成器件,则需用很多参数来描述较复杂的建模过程。目前各种仿真工具中都自带很多常用的元器件模型,但是自带模型库永远跟不上电子元器件的更新速度。

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,其工作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,若遇到该类器件,就可以通过直接设置参数值实现不同型号元器件的建模,从而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。典型的N沟道MOS晶体管组成示意图如图1所示。

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设置栅极宽度为W,有效栅极长度为L,栅极下氧化层的厚度为tOX。MOS管的特性方程为:

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式中,COX是每单位面积的栅极电容。Vth为栅极-源极间的阈值电压。

当VDS增加时,ID上升,直到沟道的漏极末端夹断,ID不再上升。这种夹断发生在VDS=VGS-Vth时。因此工作区MOS管的特性方程可简化为:

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通过式(2)得到如图2所示的MOS晶体管等效电路,其中压控电流源gmVgs是模型中最重要的部分,晶体管的跨导gm定义为:

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将式(2)代入式(3),可得出:

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图2中,gsVs表示第2个压控电流源,模拟漏极电流id上的体效应。当源极与地相连时,或其电压不变化时,此电流源可忽略。当体效应不能忽略时,则有:

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式中,γ是体效应参数,|2φF|为表面反转电势。

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