SPICE-Diodenmodellierung: Praktischer Leitfaden für präzise Simulation

SPICE ist der Industriestandard für Schaltungssimulation, und Dioden gehören zu seinen am häufigsten modellierten Komponenten. Das Verhalten einer Diode wird in SPICE durch zwei Anweisungen erfasst: das Bauelement-Element und die Modelldefinition. Die Elementanweisung verbindet die Diode mit der Schaltung, während die Modellanweisung ihre elektrischen Eigenschaften spezifiziert.

Diode in SPICE definieren

Jedes Dioden-Element muss mit dem Buchstaben d beginnen, gefolgt von einem optionalen Identifikator (z. B. d1, dtest, d101). Die nächsten zwei Zahlen sind die Anoden- und Kathodenknotennummern. Das letzte Token ist der Name des Modells, das später definiert wird.

Beispiel:

 d1 1 2 mod1 

Die zugehörige Modellanweisung beginnt mit .model, gefolgt vom Modellnamen, dem Schlüsselwort d und dann optionalen Parameterzuweisungen in der Form Parameter=Wert. Ausgelassene Parameter greifen auf die in den folgenden Tabellen gezeigten Standardwerte zurück.

Beispiel:

 .model mod1 d 

Beispiel mit Parametern:

 D2 1 2 Da1N4004 .model Da1N4004 D (IS=18.8n RS=0 BV=400 IBV=5.00u CJO=30 M=0.333 N=2) 

Wichtige Diodenparameter

Symbol	Name	Parameter	Einheit	Standard
IS	IS	Sättigungsstrom (Diodengleichung)	A	1E-14
RS	RS	Parasitärer Widerstand (Serienwiderstand)	Ω	0
n	N	Emissionskoeffizient, 1 bis 2	-	1
τD	TT	Transitzeit	s	0
CD(0)	CJO	Nullvorspannungs-Sperrzonenkapazität	F	0
ϕ0	VJ	Übergangspotenzial	V	1
m	M	Übergangsabstufungskoeffizient	-	0,5
Eg	EG	Aktivierungsenergie (eV)	-	1,11
pi	XTI	IS-Temperatur-Exponent	-	3,0
kf	KF	Flackerrausch-Koeffizient	-	0
af	AF	Flackerrausch-Exponent	-	1
FC	FC	Vorwärts-Sperrzonenkapazitäts-Koeffizient	-	0,5
BV	BV	Rückwärts-Durchbruchspannung	V	∞
IBV	IBV	Rückwärts-Durchbruchstrom	A	1E-3

Zuverlässiges Modell erhalten

Der genaueste Weg, ein SPICE-Modell zu erhalten, ist der direkte Download von der Herstellerwebsite. Falls nicht verfügbar, können Sie ein Modell aus dem Datenblatt konstruieren, indem Sie die oben aufgeführten Schlüsselparameter extrahieren. Als dritte Option können Sie das Bauelement selbst vermessen und die SPICE-Parameter an die gemessene I-V-Kurve anpassen.

Parameterextraktions-Beispiel – 1N4004

Zur Veranschaulichung leiten wir ein Modell für den gängigen 1N4004-Gleichrichter ab. Wir beginnen mit der Wahl eines Emissionskoeffizienten N von 2,0, typisch für Silicium-Gleichrichter. Mit der Diodengleichung

 I_D = I_S (e^{V_D/(N V_T)} - 1) 

und dem Datenblattpunkt (V_D = 0,925 V bei I_D = 1 A, V_T = 26 mV bei 25 °C) lösen wir nach I_S auf:

 I_S = 18,8 nA 

Andere Parameter werden auf Standardwerte gesetzt, sofern das Datenblatt nichts anderes angibt:

• RS = 0 Ω (initial, später für bessere Anpassung justiert)
• TT = 0 s (keine Q_RR Daten verfügbar)
• CJO = 30 pF (aus V_R-C_J Graph)
• M = 0,333 (linear abgestufter Übergang)
• VJ = 1 V, EG = 1,11 eV, XTI = 3,0
• BV = 400 V, IBV = 5 µA (Rückwärts-Durchbruch-Spezifikationen)

Resultierende Modellanweisung:

 .model Da1N4004 D (IS=18.8n RS=0 BV=400 IBV=5.00u CJO=30 +M=0.333 N=2.0 TT=0) 

Modell-Feinabstimmung

Beim Vergleich des abgeleiteten Modells mit dem Herstellermodell und der Datenblatt-I-V-Kurve fiel auf, dass der Strom bei 1,4 V die Spezifikation überschritt (12 A). Die Anpassung des Serienwiderstands auf 28,6 mΩ brachte die Kurve bei 1,4 V in Übereinstimmung, während der 1 A-Punkt beibehalten wurde. Weitere Feinabstimmung ist durch Iteration von N und RS möglich, bis die simulierte Kurve die Datenblattkurve über den gesamten Bereich abbildet.

Modellvergleich

Der folgende SPICE-Schaltkreis demonstriert die drei Modelle parallel für einfachen Vergleich:

Netlist-Auszug:

 *SPICE circuit <03468.eps> from XCircuit v3.20 D1 1 5 DI1N4004 V1 5 0 0 D2 1 3 Da1N4004 V2 3 0 0 D3 1 4 Default V3 4 0 0 V4 1 0 1 .DC V4 0 1400mV 0.2m .MODEL Da1N4004 D (IS=18.8n RS=28.6m BV=400 IBV=5.00u CJO=30 +M=0.333 N=2.0 TT=0) .MODEL DI1N4004 D (IS=76.9n RS=42.0m BV=400 IBV=5.00u CJO=39.8p +M=0.333 N=1.45 TT=4.32u) .MODEL Default D .END 

Zener-, Tunnel- und Gunn-Dioden

Für Zener-Dioden existieren zwei Modellierungsstrategien:

• Setzen des BV-Parameters auf die Zener-Spannung (z. B. .model D1N4469 D (BV=15 IBV=17m)). Dies ist der einfachste Ansatz.
• Verwendung eines Subcircuits mit einer Dioden-Klemmschaltung, die die Durchbruchsspannung erzwingt (siehe Subcircuit unten für ein 1N4477A-Modell).

Beispiel-Subcircuit:

 .SUBCKT DI-1N4744A 1 2 * Terminals A K D1 1 2 DF DZ 3 1 DR VZ 2 3 13.7 .MODEL DF D (IS=27.5p RS=0.620 N=1.10 +CJO=78.3p VJ=1.00 M=0.330 TT=50.1n) .MODEL DR D (IS=5.49f RS=0.804 N=1.77) .END 

Für Tunnel-Dioden kann ein Paar JFETs den negativen differentiellen Widerstandsbereich emulieren, wie in Referenz [KHM] gezeigt. Ebenso kann eine Gunn-Diode mit zwei JFETs modelliert werden, um ihr Mikrowellen-Oszillationsverhalten abzubilden ([ISG]).

Wichtigste Erkenntnisse

• Verwenden Sie das diode-Element zum Verbinden des Bauelements; die .model-Anweisung definiert sein elektrisches Verhalten.
• Statische Parameter (N, IS, RS) dominieren die Niederfrequenzleistung; Rückwärts-Durchbruch-Spezifikationen (BV, IBV) sind für Hochspannungsanwendungen relevant.
• Dynamisches Verhalten hängt von TT und CJO ab; diese für genaue Transientensimulationen einbeziehen.
• Hersteller-modelle sind bevorzugt; falls nicht verfügbar, aus Datenblattdaten oder empirischen Messungen ableiten.