電子元器件在電路仿真中的建模

1 引言
計算機仿真具有效率高、精度高、可靠性高和成本低等特點(diǎn)，已被廣泛應用于電力電子電路(或系統)的分析和設計。計算機仿真不僅可以取代系統許多繁瑣的人工分析，減輕勞動(dòng)強度，提高分析和設計能力，還可以對電路進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，最大限度地降低設計成本，縮短系統研發(fā)周期。但這些優(yōu)點(diǎn)都是基于元器件模型，電路的數學(xué)化主要是元器件的模型化，可以說(shuō)沒(méi)有模型化就沒(méi)有電路的仿真分析。簡(jiǎn)單的元器件，比如，電阻、電容和電感等，只需要一個(gè)或幾個(gè)參數就可以描述其電學(xué)性能。而各類(lèi)半導體和集成器件，則需用很多參數來(lái)描述較復雜的建模過(guò)程。目前各種仿真工具中都自帶很多常用的元器件模型，但是自帶模型庫永遠跟不上電子元器件的更新速度。這里針對建模的重要性和必要性，研究當前流行的電子電路仿真工具的電子元器件模型，提出兩種建模方法：參數建模法和子電路建模法。

2 參數建模法
參數建模法主要是針對加工工藝相同的一類(lèi)半導體器件提出的，其工作過(guò)程是先利用物理法或黑箱法構建出不同復雜程度的等效電路，然后通過(guò)公式演算，得出這類(lèi)半導體器件的參數。在使用過(guò)程中，若遇到該類(lèi)器件，就可以通過(guò)直接設置參數值實(shí)現不同型號元器件的建模，從而省去重復構建等效電路和繁瑣的方程式推導過(guò)程。
下面以N溝道MOS(metal-oxide semiconductor)晶體管為例說(shuō)明等效電路與參數之間的關(guān)系。典型的N溝道MOS晶體管組成示意圖如圖1所示。

設置柵極寬度為W，有效柵極長(cháng)度為L(cháng)，柵極下氧化層的厚度為tOX。MOS管的特性方程為：

式中，COX是每單位面積的柵極電容。Vth為柵極-源極間的閾值電壓。
當VDS增加時(shí)，ID上升，直到溝道的漏極末端夾斷，ID不再上升。這種夾斷發(fā)生在VDS=VGS-Vth時(shí)。因此工作區MOS管的特性方程可簡(jiǎn)化為：

通過(guò)式(2)得到如圖2所示的MOS晶體管等效電路，其中壓控電流源gmVgs是模型中最重要的部分，晶體管的跨導gm定義為：

將式(2)代入式(3)，可得出：

圖2中，gsVs表示第2個(gè)壓控電流源，模擬漏極電流id上的體效應。當源極與地相連時(shí)，或其電壓不變化時(shí)，此電流源可忽略。當體效應不能忽略時(shí)，則有：

式中，γ是體效應參數，|2φF|為表面反轉電勢。