达林顿晶体管的PSpice建模和仿真

0 引言

    SPICE是一个功能强大的通用模拟和混合模式电路模拟器，它主要用来验证电路设计以预测电路功能。这对于集成电路是尤其重要的。就是因为这个原因，在加州大学伯克利分校的电子研究工作实验室SPlCE问世了，正如它的名字的意义：Simulation Progranl for Integrated Circuits Empha—sis。

    PSpice是PC版本的SPICE(来自于OrCAD Corp．of Cadence Design Systems，Inc．)．虽然最初是用来做IC设计，但是由于低成本运算以及稳定设计的推动，越来越多的电路和系统设计人员已经意识到了模拟电路仿真的优点。这样，有源器件的器件模型要求就得以重新考虑，所以现在很多半导体公司已经提供适当的SPICE模型作为技术支持职能的一部分。

    PSpice有嵌入式运算法则或者模型用来描述很多器件的功能。一系列模型参数用来描述嵌入式模型的功能。我们可以通过应用PSpice模型语法设置所有或者任何一个模型参数来定义一个基于嵌入式模型的器件。

1 达林顿晶体管的PSpice建模

    PSpice模型编辑器是一个模型提取器，在仿真过程中用来对PSpice模/数产生模型定义。描述模型特点最常用的方法是对每一个器件特性输入数据表信息。我们对每一个特性满意之后，我们可以用模型编辑器估测(或者提取)相应的模型参数并产生特性曲线图表。这称为成型流程。通常，我们总是重复这个过程，直到我们得到满意的结果并保存他们。模型编辑器生成模型库，模型库包含适当的模型和子电路定义。

    达林顿晶体管(也常称为一个达林顿对)是一个半导体器件，它包含两个双极晶体管，所以电流放大器第一次放大后又进一步得到第二次放大。总的电流增益相当于两个单个增益一起的乘积：

    达林顿对电流增益，hFE=hFEl×hFE2

    (hFFl和hFE2分别是单独晶体管的增益，这里hFE=I(CdllectorCurrent)／IBaseCurrent)

    这样达林顿晶体管就有了一个非常高的增益，比如10000，所以只需要一个非常小的基极电流就可以导通达林顿晶体管。

    一个达林顿晶体管的表现就像一个拥有非常高的电流增益的单独晶体管一样。它有三个引脚(B，C和E)，这等同于一个标准单独晶体管的三个引脚。最大的集电极电流Ic(max)等同于T2的Ic(max)，T2即下图l中的第二个晶体管。当关掉一个达林顿晶体管时，图中的电阻用来减少转换延迟。

    建模一个达林顿晶体管，我们取芯片TIPl20的数据表作参考。就像我们上面提到的，我们从这个器件数据表输入的信息通过模型编辑器转换，可以转换为用PSpice模型语法设定的参数模型组，或者PSpice SUBCKT语法生成的支电路网表，然后保存这些定义到模型库，这样当需要仿真模型的时候PSpice就可以搜索到了。

    模型定义完成之后，我们就可以为一个达林顿对创造部件，如图2所示：

2 PSpice对达林顿晶体管TIPl20仿真的典型特性

    要分析TIPl20的典型特性，我们采用图1的等效电路，这里根据TIPl20的数据表Rl=8KΩ，R2=O．12KΩ。

    由于达林顿晶体管常被用来放大弱小信号从而弱小信号可以清晰地被另一个电路或者计算机／微处理器探测到，用来评估电流增益(hFE)特性。PSpice仿真结果如图3所示。

    同时，集电极电流电性能vs．输入电流在不同集电极一射极饱和电压状态下，集电极-射极饱和电压和集电极电流的关系仿真结果分别如图4图5所示。仿真结果显示和TIPl20的数据表非常匹配。

3 结论

    从TIPl20提取出来的PSplce模型和以上。PSpice的仿真结果显示，我们可以得出结论，PSpice程序对电机工程业内人士真的是一个非常有用的研究工具。它允许我们仿真单独元器件和电子电路，进行大量不同的电路验证和电路性能预测的分析。它是如此灵活而且一般又这么稳定，所以很多工程师把它用作“软件示波器”。

    但是，SPICE仿真的结果是否理想，很大程度上取决于仿真中元器件模型和器件参数。电子行业技术发展日新月异，而且器件特性又差别如此大，所以只用默认参数是不能有效反映器件特征的。如果在一个SPICE仿真中应用了错误的器件参数或模型，那么所有计算机的威力就浪费掉了，正如一句老的谚语：“输入是垃圾，输出也是垃圾”。