Pemodelan Dioda SPICE: Panduan Praktis untuk Simulasi Akurat

SPICE adalah standar industri untuk simulasi rangkaian, dan dioda adalah salah satu komponen yang paling sering dimodelkan. Perilaku dioda ditangkap dalam SPICE melalui dua pernyataan: elemen perangkat dan definisi model. Pernyataan elemen menghubungkan dioda ke rangkaian, sementara pernyataan model menentukan karakteristik listriknya.

Mendefinisikan Dioda dalam SPICE

Setiap elemen dioda harus dimulai dengan huruf d diikuti oleh pengidentifikasi opsional (misalnya, d1, dtest, d101). Dua angka berikutnya adalah nomor node anoda dan katoda. Token akhir adalah nama model yang akan didefinisikan nanti.

Contoh:

 d1 1 2 mod1 

Pernyataan model yang sesuai dimulai dengan .model, diikuti oleh nama model, kata kunci d, dan kemudian penugasan parameter opsional dalam bentuk Parameter=Nilai. Parameter yang diabaikan default ke nilai yang ditunjukkan dalam tabel di bawah.

Contoh:

 .model mod1 d 

Contoh dengan parameter:

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

Parameter Dioda Kunci

Simbol	Nama	Parameter	Satuan	Default
IS	IS	Arus saturasi (persamaan dioda)	A	1E‑14
RS	RS	Hambatan parasit (hambatan seri)	Ω	0
n	N	Koefisien emisi, 1 hingga 2	-	1
τD	TT	Waktu transit	s	0
CD(0)	CJO	Kapasitansi persimpangan bias nol	F	0
ϕ0	VJ	Potensi persimpangan	V	1
m	M	Koefisien grading persimpangan	-	0.5
Eg	EG	Energi aktivasi (eV)	-	1.11
pi	XTI	Exponen suhu IS	-	3.0
kf	KF	Koefisien derau flicker	-	0
af	AF	Exponen derau flicker	-	1
FC	FC	Koefisien kapasitansi pematikan bias maju	-	0.5
BV	BV	Tegangan breakdown mundur	V	∞
IBV	IBV	Arus breakdown mundur	A	1E‑3

Mendapatkan Model yang Andal

Cara paling akurat untuk mendapatkan model SPICE adalah dengan mengunduhnya langsung dari situs web produsen. Jika tidak tersedia, Anda dapat membangun model dari datasheet dengan mengekstrak parameter kunci yang tercantum di atas. Sebagai opsi ketiga, Anda dapat mengukur perangkat sendiri dan memasang parameter SPICE ke kurva I-V yang diukur.

Contoh Ekstraksi Parameter – 1N4004

Untuk mengilustrasikan proses, kita akan mendapatkan model untuk rectifier umum 1N4004. Kami memulai dengan memilih koefisien emisi N sebesar 2.0, yang tipis untuk rectifier silikon. Menggunakan persamaan dioda

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

dan titik datasheet (V_D = 0,925 V pada I_D = 1 A, V_T = 26 mV pada 25 °C) kami menyelesaikan I_S:

 I_S = 18,8 nA 

Parameter lain diatur ke nilai default mereka kecuali datasheet menentukan sebaliknya:

• RS = 0 Ω (awalnya, nanti disesuaikan untuk cocok yang lebih baik)
• TT = 0 s (tidak ada data Q_RS tersedia)
• CJO = 30 pF (dari graf V_R‑C_J)
• M = 0,333 (junc­si grading linier)
• VJ = 1 V, EG = 1,11 eV, XTI = 3,0
• BV = 400 V, IBV = 5 µA (spesifikasi reverse-breakdown)

Pernyataan model yang dihasilkan:

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

Penyesuaian Halus Model

Saat membandingkan model yang dihasilkan dengan model produsen dan kurva I-V datasheet, kami memperhatikan bahwa arus pada 1,4 V melebihi spesifikasi (12 A). Menyesuaikan hambatan seri menjadi 28,6 mΩ membawa kurva menjadi searas pada 1,4 V sambil mempertahankan titik 1 A. Penyesuaian halus lebih lanjut dapat dilakukan dengan mengulangi N dan RS hingga kurva simulasi cocok dengan kurva datasheet di seluruh rentang.

Membandingkan Model

Rangkaian SPICE berikut menunjukkan tiga model secara paralel untuk perbandingan yang mudah:

Rangkaian SPICE untuk membandingkan model produsen, model yang dihasilkan dari datasheet, dan model default.

Cuplikan netlist:

 *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 

Dioda Zener, Tunnel, dan Gunn

Untuk dioda Zener, ada dua strategi pemodelan:

• Atur parameter BV ke tegangan Zener (misalnya, .model D1N4469 D (BV=15 IBV=17m)). Pendekatan paling sederhana.
• Gunakan subcircuit dengan dioda clamper yang memaksa tegangan breakdown (lihat subcircuit di bawah untuk model 1N4477A).

Contoh 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 

Untuk dioda tunnel, sepasang JFET dapat meniru area resistensi diferensial negatif, seperti yang ditunjukkan dalam referensi [KHM]. Demikian pula, dioda Gunn dapat dimodelkan dengan dua JFET untuk menangkap perilaku osilasi microwave-nya ([ISG]).

Poin Utama

• Gunakan elemen diode untuk menghubungkan perangkat; pernyataan .model menentukan perilaku listriknya.
• Parameter statis (N, IS, RS) mendominasi performa frekuensi rendah; spesifikasi breakdown mundur (BV, IBV) penting untuk aplikasi tegangan tinggi.
• Perilaku dinamis bergantung pada TT dan CJO; sertakan mereka untuk simulasi transient yang akurat.
• Model yang disediakan produsen lebih disukai; jika tidak tersedia, turunkan dari data datasheet atau pengukuran empiris.