提高仿真水平的第一步：深入详解如何生成LTspice模型（一）
发布时间：2021-01-29
来源：罗姆半导体社区 (https://rohm.eefocus.com)
LTspice作为一款电路仿真软件，不仅能够开发新的SPICE模拟电路，实现复杂的开关电源系统的仿真，还具备针对现有多核处理器提高利用率而设计的多线程求解器。此外，该软件还内置了基于汇编语言的新型SPARSE矩阵求解器，旨在接近理论浮点计算限值，与目前使用的FPU（浮点处理单元）相媲美。采用四核处理器时，LTspice IV能够将中大型电路的仿真速度提高3倍。
如果我们的模拟设计中包含开关和多路复用器，那么是否还能改进LTspice的开关/多路复用器模型呢？答案是肯定的。生成自定义模型并不困难。在测试电路后，我们可能会发现实际电路与设计图之间存在很多差异。电路的动态特性可能会出人意料，噪声水平可能超出要求很多。为了全面理解电路，我们需要借助仿真器进行仿真。
这个电路中涉及到了模拟开关和运算放大器。虽然采用的运算放大器已经有成熟的宏模型可用，但模拟开关的宏模型却不是常见类型。开关宏模型文件的标题已经指出，模型参数仅在特定电源和温度下有效。也许你并不知道，我的电路的运行条件与电路模型并不相同。对于模拟开关而言，它们太过通用，一个特定参数模型是不够的。现有的行业标准模型提供了一个良好的起点，但当涉及到模拟性能领域时，我们可能需要采用新的宏模型方法来提高仿真水平。
在构建过程中，我认为可以使用最简单器件模型的模拟开关中的所有晶体管来提供所需的所有行为，但连接控制引脚和MOS栅级的接口应该是最简单的行为元件。通过使用LTspice仿真器，将LTspice行为器件转化为类似SPICE的多项式函数，我们可以完成这些步骤，并且这些代码也可以在其他仿真器上使用。我们将按照特定的顺序进行仿真。
一、确定导通电阻的LTspice模型参数
我们将采用一种不同的方法来建立实际MOS器件的仿真模型，并对导通电阻进行建模。为了描述导通电阻，我们将使用以下参数：W/L (宽度(W)/器件长度(L))，用于表示器件尺寸或相对大小；VTO，阈值电压；gamma(γ)，通过反馈偏置改变VTO，反馈偏置是指开启器件和主体电压之间的压差，主体一般连接到开关中PMOS的正电源和NMOS的负电源；KP，在模型中也称为K'或K-prime，代表工艺强度，乘以W/L后用于调整MOS电流。在给定的工艺中，NMOS的KP通常是PMOS的大约2.5倍。最后一个参数是RD，代表器件漏极的寄生电阻。
不同的MOS工艺有不同的内部参数。下表总结了常见CMOS工艺及其特性，以及与导通电阻相关的内部参数估计值。
工艺 特性 内部参数估计值
... ... ...
下面是我们想要重现的ADG333A RON-VD(VS)曲线（双电源）。
在此类模拟开关中，我们观察到一个普遍趋势：较高的电源电压会降低导通电阻。施加更高电压到开关MOS的栅极级别时，导通电阻将减小。我们还注意到导通电阻会随输入模拟信号电平显著变化。在负区域，开关中的NMOS晶体管完全开启，并且当模拟电压高于负电源轨时，PMOS晶体管也打开，有助于降低总体导通电阻。在区域N中，转折点大致在高于负电源的PMOS VTO处。
同样，在正区域P中，当开关的PMOS器件完全开启时，NMOS器件开始协助PMOS晶体管，大致在低于正电源的NMOS VTO处。区域M介于区域N和P之间，NMOS和PMOS同时起作用，但彼此之间的导通电阻存在差异，具体取决于电源轨内的模拟信号电平。为了开始曲线拟合过程，我们需要首先估算每个晶体管的尺寸。对于低压曲线，可以提供晶体管RDS,ON的最佳曲线拟合结果。在区域N中，当模拟信号位于负电源电压范围内时，PMOS器件关闭，此时件的 RON 等于 NMOS晶体管的 RON。其中：
RON = ...
我们使用40V NMOS的典型工艺值，在图1中设置了RDS,ON=38Ω。根据给定的工艺数值计算得到，WNMOS=514µm。对于上方曲线上的PMOS导通电阻为47Ω，宽度为936µm。
我在LTspice中使用图2中的测试电路进行了测试。请注意，参数RDN和RDP以及寄生漏极电阻都是设定为中等值。最初我使用了1Ω的值，这导致仿真收敛速度较慢。
在设计MOS模型中添加电荷注入参数时，可以使用以下步骤：
设置栅级氧化层厚度 (TOX) 的值为1×10^-7。
在测试电路中，将固定电压源连接到开关的D端，并将电容Cl连接到开关的S端。这样，在开关关闭时，Cl会捕获电荷并引发小电压阶跃。
使用仿真来捕获不同电源电压下的电荷注入值。可以通过设置开关电压VD的阶跃并使用.meas语句来测量电荷注入值。
对比数据手册中的电荷注入曲线和仿真结果，调整模型参数以获得更好的匹配。例如，可以通过调节CCHARGE_INJECTION参数来补偿偏移。如果需要反向极性偏移，可以重新连接CCHARGE_INJECTION至PMOS_on_when_low节点。
如果模拟的峰值注入值太小，可以增加开关器件的栅级面积。可以通过按照相同的系数提高器件的长度(L)和宽度(W)，同时保持导通电阻率不变来实现。
请注意，这种方法是在简化的模型中进行的，实际上可能需要更多的调整和优化才能获得更准确的结果。
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LTspice是一款的电路仿真软件， 它可以开发一个新的SPICE模拟电路，使复杂的开关电源系统的仿真实现。 LTspice具有专为提升现有多内核处理器的利用率而设计的多线程求解器。另外，该软件还内置了新型 SPARSE 矩阵求解器，这种求解器采用汇编语言，旨在接近现用 FPU (浮点处理单元) 的理论浮点计算限值。当采用四核处理器时，LTspice IV 可将大中型电路的仿真速度提高 3 倍。
在已经设置好参数的情况下，为了得到优秀的 RON和电荷注入模拟结果，我们可以对 S和 D端电容进行模拟。重点是高压 MOS开关的漏极和源极区必须同时具有偏移区域。至于开关，你不能区分源极和漏极的功能差异，但漏极和源极的体电位必须分别使用在各自的偏移区上。
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