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。^_^
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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
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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。
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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。
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.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。
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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。^_^
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基于泰勒综合法的均匀阵列
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