模拟仿真技术：SPICE常用的建模方法和步骤

对于SPICE建模，原计划一个器件一个器件的分析，但不知何时可以兑现，那就先用这一篇把PSpice中用到的各种建模方法全部介绍完吧，这样不管哪种器件，我们都有思路和方法了。

为何要建模

在PSpice A/D中内建了很多常用的电子元器件符号及其对应的模型，但是在实际电路设计中，元器件库中恰好没有合适的元器件，而且这种情况非常经常，软件库文件中的元器件都是常规的，一旦是新的芯片，在自带库中基本上都找不到。

于是，原本信誓旦旦半天就可以完成的电路设计，却因为找不到模型，只好搁置了~~~所以原理图仿真在学会使用软件之后，最大的困境就是器件找不到模型。⊙﹏⊙∥

今天在这里把目前最常用的建模方法和步骤给大家做介绍，遇到器件没有模型时总会有办法解决~~

01

编辑和修改已有的模型

找不到器件模型很常见，但也不需要一找不到模型就想着建模（自己有强迫症或是领导有强迫症的除外），在遇到库中没有找到模型时，我们可以考虑选用相近的型号器件代替，或者对模型库中已有的器件进行编辑，对主要的参数进行修改以满足仿真的要求。

样例

某方波发生器电路，稳压管D1N4465的稳压值是10.05V。如果设计输出的方波需要限幅为8V，那么我们可以直接修改D1N4465的模型参数。

步骤：1、点中稳压管D1N4465，右键在快捷菜单中选择执行Edit PSpice Model命令，这时系统会打开Model Edtor工具，你慢慢等待就可以~~

2、进入PSpice的Model Editor模块后，我们能看到这个稳压管的模型文件内容，找到我们最关注的参数Bv（PN节的反向击穿电压），将其参数值改为8.0。然后保存设置。（这时不要担心会把自带库中的1N4465的管子参数给修改了，软件只会把这个修改过参数的器件另存在这个工程文件的目录下）

3、关闭Model Editor软件，直接运行原工程文件。从输出波形可以看出，我们修改成功了。

       

02

从IC厂家网站上下载Spice模型建模

如果你的电路中有这几年新出现的元器件，那大概率都不可能有模型。但如果你的器件是一些半导体大厂商生产的，比如德州仪器(TI)、亚德诺(ADI)、英飞凌等，那可以直接到其官网上搜索，很大概率上能找得到。

譬如：

只要将其下载即可。

样例

比如从TI的网站上下载OPA2132的PSpice模型文件：OPA2132.mod。由于PSpice识别的库文件后缀名是.lib，所以直接将后缀名修改为lib，得到OPA2132.lib文件。【注：有时下载得到的是.cir或是.txt的，都可以直接修改后缀名】

步骤一：双击*.lib文件，打开Model Editor工具

步骤二、为模型配置一个.olb文件

执行菜单栏中File→Export to Capture Part library，设置完毕后点击OK。

步骤三、为模型选择合适的外形

继续执行File→Model Import Wizard[Capture]，按照下图的步骤，为该模型选择合适的外形。点击“Save Symbol”，关闭对话框后建模就完成了。

这样，在在保存的目录下就可以看到如下两个文件：

那就已经跟软件自带库的装备一样了，也就预示器件的SPICE建模已经完成。剩下就是如何调用和测试喽

步骤四、在使用新模型的工程中添加入库文件

在新建的工程原理图窗口下调用新建的器件的.olb文件，画出如下的二阶滤波器的电路，在设置仿真分析方法时，选择交流分析。

在运行仿真之前还需要有如下操作：

执行PSpice→Simulation Settings，按照下图标记的顺序，将前面建好的.lib文件添加进工程。

这样，就可以点击运行，顺利得到仿真结果了。

03

使用软件自带的建模APP创建模型

在这手机APP流行的时代，一个功能强大的仿真软件自然也得跟上潮流。这个宝藏APP藏在Capture的菜单栏中：Place->PSpice Component->Modeling Application

点击打开，就可以看到这里包含了很多种现在使用比较多的器件，比如大功率MOSFET，瞬态电压抑制器、稳压管、独立电源等

下面是其中几个的建模界面，可以看出，这里只要根据器件的数据手册数据输入到相应编辑框内就可以了，算是非常直观的建模方式了。Cadence公司也在每次版本更新时增加种类。

       

样例

某型号为LQM18P_B0的一款高频电感，由Murata Electronics公司生产，在官网上找到数据手册，里面有如下的参数数据：

由于自带库中没有这个型号，如果只用常规的电感模型，又无法体现它的性能。这时就选用Modeling App中的Inductor，打开之后，将上图中的重要参数填写到相应的编辑框内

点击上图的Place就完成了这个高频电感的建模。

04

拟合特性曲线方式建模

PSpice提供一个专门建模的工具Model Edtor，在Cadence软件中可以找到，前面第二种方法中我们其实也见到过了。只是那是系统自动打开，这次需要自己找到后打开

Model Editor工具提供了十几种元件：Diode、Bipolar Transistor、Magnetic Core、IGBT、JFET、MOSFET、Operational Amplifier、Voltage Regulator、Voltage Comparator、Voltage Reference、Darlington Transistor，这些都可以通过输入特性曲线来建立元件的PSpice Model。

这种方法的样例可以参看之前推送过的

晶体三极管的SPICE模型构建

在晶体三极管建模里有详细的步骤，这里就不赘述了，大家记得点击蓝字哦ฅʕ•̫͡•ʔฅ

05

打包子电路建模

Model Editor工具和Modeling App都是有局限性的，都只有固定类型的器件才可以使用。而子电路形式是所有元器件都可以使用的建模方式。也是我们见到的几乎所有的模拟集成芯片所使用的建模方式。不信，你随便选择一个集成芯片的模型，右键看它的模型文件，都可以看到第一行几乎都是以.SUBCKT 开头的。这就是子电路形式建模。第二种方法中我们下载的运放模型就是子电路方式建模。

子电路的语句描述是：

.SUBCKT     [NODE1 NODE2……]

……

.END

这里以构建一个MOSFET的子电路，来说明这种建模方式的步骤

样例

某射频功率MOSFET晶体管DE150-201N09A，数据手册中没有提供详细的特性曲线，但它提供了SPICE模型电路，如下图。它属于SPICE三极模型的扩展，里面包括了三个杂散电感LG、LS和LD；图中的RD相当于器件的导通电阻RDS(on)；Rds是电阻性漏电项；晶体管的输出电容Coss和反向传输电容CRSS由反向偏置二极管建模，为器件提供变容二极管响应。Ron和Roff用于调整晶体管的开启延迟和关闭延迟。

数据手册中提供的模型电路

步骤一、在原理图设计工具Capture中绘制电路图，并生成网表(netlist)

在原理图绘制工具Capture中绘制原理图，得到如下图的电路。

绘图区内绘制子电路

图中MOS管和二极管均选用BREAKOUT库中的器件，并对其参数进行设置。

.MODEL MNOS NMOS (LEVEL=3 VTO=3.0KP=2.7)

.MODEL D1 D (IS=.5F CJO=1P BV=100M=.5 VJ=.6 TT=1N)

.MODEL D2 D (IS=.5F CJO=1100PBV=500 M=.5 VJ=.6 TT=1N RS=10M)

.MODEL D3 D (IS=.5F CJO=300PBV=500 M=.3 VJ=.4 TT=400N RS=10M)

然后在工程界面下，选择tools/Create Netlist，得到下图所示对话框，利用软件直接生成网表。

网表设置完成后，系统会自动生成网表文件，后缀名为.lib。

通过给定的路径，我们可以在文件夹下找到刚刚生成的.lib文件

这其实就是该MOSFET的模型文件了。接下来从步骤二到步骤四跟第二种方法是完全一样的哦，再来回顾一遍吧ฅʕ•̫͡•ʔฅ

步骤二、为模型配置一个.olb文件

在工程目录下找到lib文件，双击后，系统调用PSpice Model Editor工具，将此model 加入元件库中：File→Export to capture Part library，获得.olb文件。

步骤三、为模型选择合适的外形

在Model Editor工具中继续执行File→Model Import Wizard [capture]，为该模型选择合适的外形。此处模型可以采用系统默认的，后面在原理图中进行修改，也可以直接从元件库中找到可以兼容的直接应用。如下图所示的步骤进行。保存符号后，关闭Model Editor。

这样，在工程文件夹下就可以看到如下两个文件：

这预示器件的SPICE建模已经完成。

对于很多器件，其实内部的子电路并不容易获得，这时可以选用PSpice的ABM（Analog Behavioral Modeling）库中的器件。

比如我们知道某稳压器的内部框图

那我们可以按照子电路建模的步骤一，在Capture中画出实现该框图行为关系的电路模型

上图红框中的都是ABM库的器件。后面找时间专门推一期说ABM库哦，大家别急~~今天主要是熟悉建模的步骤。

然后根据步骤二和步骤三，得到该稳压器的外观。

这样也就大功告成了。

结束语

器件建模是电路仿真过程中最艰难的步骤之一，它不仅要求对器件的物理及电特性有深入了解，还要求拥有丰富的特定电路的应用知识。但是器件的建模问题决不是不能解决的，利用器件的Datesheet的信息，可以给器件建立一个初步模型。为了获得电路建模的最佳结果，遵从“使用尽可能简单的模型”。

另外还有几点：

1 不要使模型比实际需要的更复杂，哪怕一点也不行，过度复杂的模型只会使它运行的更慢，出错的可能性更大；

2 建模本身就是一种妥协的做法；

3 不要害怕将电路分开成各部分单独测试，需要时可以独立运行和跟踪调试子电路；

4 对功率器件使用ABM建模时要小心，它可能在一个工作点上运行正确，但其他工作点可能产生不精确的结果

最后，最重要的是要知道自己在做什么。^_^

编辑：黄飞