達(dá)林頓晶體管的PSpice建模和仿真

O 引言
    SPICE是一個(gè)功能強(qiáng)大的通用模擬和混合模式電路模擬器，它主要用來(lái)驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)以預(yù)測(cè)電路功能。這對(duì)于集成電路是尤其重要的。就是因?yàn)檫@個(gè)原因，在加州大學(xué)伯克利分校的電子研究工作實(shí)驗(yàn)室SPlCE問(wèn)世了，正如它的名字的意義：Simulation Progranl for Integrated Circuits Empha—sis。
    PSpice是PC版本的SPICE(來(lái)自于OrCAD Corp．of Cadence Design Systems，Inc．)．雖然最初是用來(lái)做IC設(shè)計(jì)，但是由于低成本運(yùn)算以及穩(wěn)定設(shè)計(jì)的推動(dòng)，越來(lái)越多的電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員已經(jīng)意識(shí)到了模擬電路仿真的優(yōu)點(diǎn)。這樣，有源器件的器件模型要求就得以重新考慮，所以現(xiàn)在很多半導(dǎo)體公司已經(jīng)提供適當(dāng)?shù)腟PICE模型作為技術(shù)支持職能的一部分。
    PSpice有嵌入式運(yùn)算法則或者模型用來(lái)描述很多器件的功能。一系列模型參數(shù)用來(lái)描述嵌入式模型的功能。我們可以通過(guò)應(yīng)用PSpice模型語(yǔ)法設(shè)置所有或者任何一個(gè)模型參數(shù)來(lái)定義一個(gè)基于嵌入式模型的器件。

1 達(dá)林頓晶體管的PSpice建模
    PSpice模型編輯器是一個(gè)模型提取器，在仿真過(guò)程中用來(lái)對(duì)PSpice模/數(shù)產(chǎn)生模型定義。描述模型特點(diǎn)最常用的方法是對(duì)每一個(gè)器件特性輸入數(shù)據(jù)表信息。我們對(duì)每一個(gè)特性滿(mǎn)意之后，我們可以用模型編輯器估測(cè)(或者提取)相應(yīng)的模型參數(shù)并產(chǎn)生特性曲線圖表。這稱(chēng)為成型流程。通常，我們總是重復(fù)這個(gè)過(guò)程，直到我們得到滿(mǎn)意的結(jié)果并保存他們。模型編輯器生成模型庫(kù)，模型庫(kù)包含適當(dāng)?shù)哪Ｐ秃妥与娐范x。
    達(dá)林頓晶體管(也常稱(chēng)為一個(gè)達(dá)林頓對(duì))是一個(gè)半導(dǎo)體器件，它包含兩個(gè)雙極晶體管，所以電流放大器第一次放大后又進(jìn)一步得到第二次放大?？偟碾娏髟鲆嫦喈?dāng)于兩個(gè)單個(gè)增益一起的乘積：
    達(dá)林頓對(duì)電流增益，hFE=hFEl×hFE2
    (hFFl和hFE2分別是單獨(dú)晶體管的增益，這里hFE=I(CdllectorCurrent)／IBaseCurrent)
    這樣達(dá)林頓晶體管就有了一個(gè)非常高的增益，比如10000，所以只需要一個(gè)非常小的基極電流就可以導(dǎo)通達(dá)林頓晶體管。
    一個(gè)達(dá)林頓晶體管的表現(xiàn)就像一個(gè)擁有非常高的電流增益的單獨(dú)晶體管一樣。它有三個(gè)引腳(B，C和E)，這等同于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單獨(dú)晶體管的三個(gè)引腳。最大的集電極電流Ic(max)等同于T2的Ic(max)，T2即下圖l中的第二個(gè)晶體管。當(dāng)關(guān)掉一個(gè)達(dá)林頓晶體管時(shí)，圖中的電阻用來(lái)減少轉(zhuǎn)換延遲。

    建模一個(gè)達(dá)林頓晶體管，我們?nèi)⌒酒琓IPl20的數(shù)據(jù)表作參考。就像我們上面提到的，我們從這個(gè)器件數(shù)據(jù)表輸入的信息通過(guò)模型編輯器轉(zhuǎn)換，可以轉(zhuǎn)換為用PSpice模型語(yǔ)法設(shè)定的參數(shù)模型組，或者PSpice SUBCKT語(yǔ)法生成的支電路網(wǎng)表，然后保存這些定義到模型庫(kù)，這樣當(dāng)需要仿真模型的時(shí)候PSpice就可以搜索到了。
    模型定義完成之后，我們就可以為一個(gè)達(dá)林頓對(duì)創(chuàng)造部件，如圖2所示：

2 PSpice對(duì)達(dá)林頓晶體管TIPl20仿真的典型特性
    要分析TIPl20的典型特性，我們采用圖1的等效電路，這里根據(jù)TIPl20的數(shù)據(jù)表Rl=8KΩ，R2=O．12KΩ。
    由于達(dá)林頓晶體管常被用來(lái)放大弱小信號(hào)從而弱小信號(hào)可以清晰地被另一個(gè)電路或者計(jì)算機(jī)／微處理器探測(cè)到，用來(lái)評(píng)估電流增益(hFE)特性。PSpice仿真結(jié)果如圖3所示。

    同時(shí)，集電極電流電性能vs．輸入電流在不同集電極一射極飽和電壓狀態(tài)下，集電極-射極飽和電壓和集電極電流的關(guān)系仿真結(jié)果分別如圖4圖5所示。仿真結(jié)果顯示和TIPl20的數(shù)據(jù)表非常匹配。

3 結(jié)論
    從TIPl20提取出來(lái)的PSplce模型和以上。PSpice的仿真結(jié)果顯示，我們可以得出結(jié)論，PSpice程序?qū)﹄姍C(jī)工程業(yè)內(nèi)人士真的是一個(gè)非常有用的研究工具。它允許我們仿真單獨(dú)元器件和電子電路，進(jìn)行大量不同的電路驗(yàn)證和電路性能預(yù)測(cè)的分析。它是如此靈活而且一般又這么穩(wěn)定，所以很多工程師把它用作“軟件示波器”。

    但是，SPICE仿真的結(jié)果是否理想，很大程度上取決于仿真中元器件模型和器件參數(shù)。電子行業(yè)技術(shù)發(fā)展日新月異，而且器件特性又差別如此大，所以只用默認(rèn)參數(shù)是不能有效反映器件特征的。如果在一個(gè)SPICE仿真中應(yīng)用了錯(cuò)誤的器件參數(shù)或模型，那么所有計(jì)算機(jī)的威力就浪費(fèi)掉了，正如一句老的諺語(yǔ)：“輸入是垃圾，輸出也是垃圾”。