测试几个LTspice 模型的精度

简 介： 本文对于 LTspice 仿真软件中的典型器件进行测试。反过来测试期间的基本特性。

关键词： LTspice

§01 LTspice模型

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一、温度模型

1、二极管温度

  利用如下电路，测量温度对于二极管端口电压的影响。

▲ 图1.1.1 建立二极管的电压

  下面是 LTspice 软件给出的仿真数据。 根据：

$$\frac{dv}{dt}=\frac{\max \left(V\right)-\min \left(V\right)}{\max \left(T\right)-\min \left(T\right)}=1.771\left(V/C\right)$$

▲ 温度变化对于二极管的输出电压的影响

  这个数值接近于 PN 结温度特性 也就是温度每升高 1 ℃， PN 结电压减少 2mV 左右。

  在 Accurate Temperature Sensing with an External P-N Junction 中给出了 三极管 B-E 之间的 P-N 结电压、电流与温度之间的关系。

$$I_C=I_S\left(e^{\frac{V_{BE}}{n\cdot V_T}}-1\right)$$

  其中 $V_T=kT/q$ 。所以： $$V_{BE}=n\cdot \frac{kT}{q}\ln \left(\frac{I_C}{I_S}\right)$$ 反过来可以得到： $$T=q\cdot \frac{V_{BE}}{nk\cdot \ln \left(I_C/I_s\right)}$$

  可以看到，在 $I_C$ 一定的情况下， 温度与 P-N 结之间是正比的关系。这说明对于普通的二极管来将，端口电压随着温度的升高而下降是由于 温度对于 Is具有更大的影响。

  下面测试了二极管反向导通电流 $I_s$ 随着温度的变化。

▲ 图1.1.3 反过来，测量二极管的反向导通电流随着温度的变化

  仿真结果给出了 二极管的模型中的反相电流对着温度增加而指数增加的情况。 从这一点来说，二极管的 P-N 的电压与温度之间的关系主要受到了 反向电流 $I_s$ 的影响。

▲ 反向流过二极管的饱和电流随着温度的变化

下面是测试的 2N3904 的 BE 的 NP结的温度特性。

▲ 三极管BE PN结温度特性

二、三极管反向模型

  PN结中的玻尔兹曼常数 可以使用 三极管中的 B-E 之间的 P-N 节来进行测量 。下图给出了测量的电路。

▲ 图1.2.1 测量三极管的VBE的电压与电流之间的关系

  设置输入电压 V1 的变化 从 0 变化到 -2V，输出电压 V(out) 反映了 Q1 集电极的电流，在一定比例下它等于 BE 之间的 P-N 结之间的电流。如下图所示。

▲ 上述测量电路的电压测试波形

  将 Vout 换算成 电流，再与 Vbe 绘制在同一张图上。

▲ 图1.2.3 三极管B-E之间的P-N结的电压电流之间的关系

  将 Ibe 取 对数，然后再绘制对应的曲线。如下图所示， 可以看到当电压超过 0.3V 之后， PN结的电流的对数值与电压之间就呈现线性关系。这也反过来验证了 PN 届 之间的 电压电流公式。

▲ 取 LOG 之后的PN结电流与电压之间的关系

  通过这个模型，可以看到 LTspice 模型与实际三极管的特性还是很接近的。

三、结型场效应管

  下面测试结型场效应管的饱和电流与栅极电压之间的关系。

▲ 图1.3.1 测试电路

  如下是仿真结果，大体可以看到， 2N3819的截止电压大约为 -3V 左右。而且电流与栅极电压之间大体上呈现 平方关系。

▲ 结型场效应管电压与电流

※ 总  结 ※

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  本文对于 LTspice 仿真软件中的典型器件进行测试。反过来测试期间的基本特性。

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■ 相关文献链接:

• PN 结温度特性
• Accurate Temperature Sensing with an External P-N Junction
• PN结中的玻尔兹曼常数
• 三极管中的 B-E 之间的 P-N 节来进行测量

● 相关图表链接:

• 图1.1.1 建立二极管的电压
• 温度变化对于二极管的输出电压的影响
• 图1.1.3 反过来，测量二极管的反向导通电流随着温度的变化
• 反向流过二极管的饱和电流随着温度的变化
• 图1.2.1 测量三极管的VBE的电压与电流之间的关系
• 上述测量电路的电压测试波形
• 图1.2.3 三极管B-E之间的P-N结的电压电流之间的关系
• 取 LOG 之后的PN结电流与电压之间的关系
• 图1.3.1 测试电路
• 结型场效应管电压与电流