【導(dǎo)讀】如果在模擬設(shè)計中包含開關(guān)和多路復(fù)用器，那么還能改進開關(guān)/多路復(fù)用器LTspice®模型嗎？答案:當(dāng)然能，要生成自己的模型并不困難。
在測試電路之后，發(fā)現(xiàn)實際電路與其設(shè)計圖之間存在很多差異。電路的動態(tài)特性有點出乎意料，其噪聲水平超出要求很多。我需要用仿真器來仿真該電路才能完全理解。
此電路中用到了模擬開關(guān)和運算放大器。采用的運算放大器已有完善的宏模型，但是模擬開關(guān)宏模型采用的并不是常見類型。開關(guān)宏模型文件的標(biāo)題已經(jīng)指出，模型參數(shù)僅對特定電源和溫度有效。嗯，您可能不知道：我的電路的運行條件與電路模型不一樣。關(guān)于模擬開關(guān)，它們太過通用，所以一個特定參數(shù)模型是不夠的。現(xiàn)有的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)模型提供了一個不錯的起點，但是，涉及到模擬性能領(lǐng)域時，您可能需要采用新宏模型方法來提高仿真水平。
當(dāng)我開始研究ADI和其他IC公司提供的多種模擬開關(guān)宏模型時，我發(fā)現(xiàn)這些宏模型建模時都沒有考慮與電源或溫度的相關(guān)性。所以，我必須自行構(gòu)建宏模型。
構(gòu)建期間，我認為應(yīng)由使用最簡單的器件模型的模擬開關(guān)中的所有晶體管來提供要仿真的所有行為，但是連接控制引腳和MOS柵級的接口應(yīng)是最簡單的行為元件。這些都通過使用LTspice仿真器完成，只要將LTspice行為器件轉(zhuǎn)化為類似SPICE的多項式函數(shù)，這些代碼也可以在其他仿真器上使用。我們會按照特定的順序進行仿真。
確定導(dǎo)通電阻的LTspice模型參數(shù)
我們將使用最簡單的模型來仿真實際的MOS器件。為了針對導(dǎo)通電阻建模，我們將使用：
W/L，寬度(W)/MOS器件的長度(L)。W/L表示器件的尺寸或相對強度。
VTO, 閾值電壓；gamma(γ)，利用器件的反饋偏壓來更改VTO 。反饋偏壓是開啟器件和其主體電壓之間的壓差；主體一般連接到開關(guān)中PMOS的正電源和NMOS的負電源。
KP,在模型中，也被稱為K’或K-prime。這個參數(shù)模擬工藝的強度，乘以W/L之后，用于調(diào)整MOS電流。在給定的工藝中，NMOS的 KP一般為PMOS的約2.5倍。
RD, 器件漏極的寄生電阻。
不同的MOS工藝采用不同的內(nèi)部參數(shù)。表1匯總了常見的CMOS工藝、其特性，以及和導(dǎo)通電阻相關(guān)的內(nèi)部參數(shù)估算值。
表1. 典型半導(dǎo)體工藝參數(shù)
來看一下圖1中我們想要再現(xiàn)的ADG333A RON曲線。
圖1. RON與VD(VS)呈函數(shù)關(guān)系（雙電源）。
在這個和其他模擬開關(guān)中，我們發(fā)現(xiàn)一個普遍趨勢：更高的電源電壓會降低導(dǎo)通電阻。對開關(guān)MOS柵級施加更高電壓時，導(dǎo)通電阻會降低。我們也發(fā)現(xiàn)導(dǎo)通電阻會隨輸入模擬信號電平發(fā)生明顯變化。在N區(qū)中，開關(guān)中的NMOS晶體管完全開啟，且當(dāng)模擬電壓高于負電源軌時，PMOS晶體管開啟，有助于降低總體導(dǎo)通電阻。區(qū)域N的轉(zhuǎn)折點大致在高于負電源的 PMOS VTO處。
同樣，在區(qū)域P中，開關(guān)的PMOS器件完全開啟時，大致在低于正電源的 NMOS VTO，NMOS器件開始協(xié)助PMOS晶體管。
區(qū)域M在區(qū)域N和P中間，NMOS和PMOS并行作用，但彼此之間的導(dǎo)通電阻存在差異，具體由電源軌內(nèi)的模擬信號電平?jīng)Q定。
要啟動曲線擬合流程，我們先要估算每個晶體管的尺寸。低壓曲線能夠為晶體管RDS,ON提供最佳曲線擬合。在區(qū)域N中，在模擬信號位于負電源電壓范圍內(nèi)時，PMOS器件關(guān)閉，部件的 RON相當(dāng)于NMOS晶體管的RON 。其中
我們使用40V NMOS典型工藝值，按照圖1中的曲線設(shè)置 RDS,ON=38Ω，使用給定的工藝數(shù)值，發(fā)現(xiàn)WNMOS=2µA/(38Ω×(11×10–6µA/V2)×(10V–0.7V))=514µm。PMOS開關(guān)在上方曲線上的導(dǎo)通電阻為47Ω，寬度為936μm。
我使用圖2中的LTspice測試電路。注意，參數(shù)RDN和RDP、寄生漏極電阻都是中等值。我最開始使用的值為1μ，這導(dǎo)致仿真器收斂變慢。RDN值為1時，仿真速度正常。添加RCONVERGENCE會為開關(guān)節(jié)點提供可收斂的電導(dǎo)，從而改善仿真器噪聲和速度。我測試了一個浮動電流源，用于測量導(dǎo)通電阻。
圖2. 導(dǎo)通電阻測試電路。
圖3顯示了多種電源供電條件下的仿真結(jié)果。
圖3. 采用初始模型值的導(dǎo)通電阻仿真結(jié)果。
這個開端相當(dāng)不錯。低壓端在VS=30V時，仿真的扭結(jié)點為3.6V，在數(shù)據(jù)手冊中為2.7V。從中可以看出，我們應(yīng)該降低PMOS VTO，但0.9V實際上已經(jīng)是最小值。最好是可以調(diào)節(jié)PMOS的gamma，但這只是猜測。
接近最大電源時的扭結(jié)點為低于30V電源軌2.5V，在數(shù)據(jù)手冊中應(yīng)為~1V。各種gamma值會放大來自電軌的扭結(jié)電壓；我們會將NMOSVTO設(shè)置為1V，將其gamma設(shè)置為0。gamma為0有些出乎意料，但我們只是嘗試進行曲線擬合。圖4所示為PMOS的gamma在幾種電源值條件下步進變化時，得到的仿真結(jié)果。我們主要研究一下30V曲線，與較低電源相比，它最大化了gamma的影響。
圖4. gamma-p不同時的導(dǎo)通電阻仿真結(jié)果。
根據(jù)階梯曲線，我們選擇PMOSgamma=0.4。
關(guān)于RON，可以看出，10V曲線可以表示電源極端（限值）時對應(yīng)的數(shù)據(jù)手冊曲線，但對于20V和30V曲線，仿真產(chǎn)生的RON過低。在負電源極端，RONs= RDS,ON(NMOS)+RD(NMOS)，在正電源極端，RONs=RDSON(PMOS)+RD(PMOS)。對于高壓電源，RD參數(shù)比W/L更重要，對于低壓電源，W/L起決定作用。我們在此會使用兩個變量；這非常費時費力。我們將假設(shè)RON隨電源變化，這是因為會對NMOS實施不同程度的增強，但是，RD值不會隨電源電壓變化（好吧，在漏極漂移中，它可能會變化，但是我們還是讓問題保持簡單一些）。如果我們注意到數(shù)據(jù)手冊中RON在10V和30V電源之間的差異(11.4Ω)，我們可以與上方僅采用WN（開關(guān)中NMOS的寬度）的曲線比較。在仿真中對WN實施一定的迭代之后，很明顯可以看出我們需要WN=1170µm才能獲得所需的ΔRON，明顯高于最初的猜測值。圖5顯示了我們當(dāng)前的結(jié)果。
圖5. WN 確定時的導(dǎo)通電阻仿真結(jié)果。
雖然NMOS的RON具備正確的電源靈敏度，在0V時，曲線的值仍然過低，我們必須增加固定RDN。在增加和迭代RDN之后，我們獲得了最佳值，即RDN=22Ω，對應(yīng)曲線如圖6所示。
圖6.RDN 確定時的導(dǎo)通電阻仿真結(jié)果。
然后，我們確定WP（開關(guān)中PMOS的寬度），以仿真最大電壓下的RON，得到WP=1700µm,，也遠高于最初的猜測值。將RDP也設(shè)置為22Ω，我們獲得了圖7所示的最終RON曲線。
WP和RDP確定時的導(dǎo)通電阻仿真結(jié)果。
一致性非常不錯；只有幾個特性和數(shù)據(jù)手冊不同。一是轉(zhuǎn)折點在數(shù)據(jù)手冊曲線中非常平緩，在仿真中則相當(dāng)尖銳。這可能是因為使用的簡單MOS模型不支持亞閾值導(dǎo)電性，且仿真器件在與電源軌相差VTO時會真正關(guān)閉。實際器件在VTO時不會關(guān)閉，而是平緩地降低該電壓下的電流。
另一個錯誤在30V曲線中非常明顯。與數(shù)據(jù)手冊相比，RON在中等電壓下要低15%。這可能是因為漏極漂移區(qū)域的JFET效應(yīng)，這個效應(yīng)也沒有在模型中仿真出來。
至于溫度，相對比較符合，但符合程度不是很高，具體參見圖8。
圖8. 各種溫度下的導(dǎo)通電阻仿真和數(shù)據(jù)手冊結(jié)果。
仿真結(jié)果與溫度相關(guān)，但溫度相關(guān)性不如數(shù)據(jù)手冊曲線高。在仿真模型中，RD沒有溫度系數(shù)。RDS可以通過外部電阻和正確的溫度系數(shù)模擬，但為了保持簡單性，我們不予考慮。
獲取電荷注入的LTspice模型參數(shù)
當(dāng)MOS晶體管關(guān)閉時，通道中的電荷必須去往某處，所以會從漏極和源極端逸出。模擬開關(guān)關(guān)閉時，電荷也會外泄，這被稱為電荷注入。常用的測量方法是：在開啟的開關(guān)的一端設(shè)置固定電壓，在另一端設(shè)置大電容。關(guān)閉時，電容會捕捉電荷，并發(fā)生小電壓階躍。現(xiàn)在，我們在MOS模型中添加?xùn)偶壯趸瘜雍穸萒OX=1×10–7（柵級電容是最大的電荷注入源）。仿真設(shè)置如圖9所示。
圖9. 電荷注入仿真設(shè)置。
數(shù)據(jù)手冊電荷注入測試電路在開關(guān)的D端設(shè)置電壓源，在開關(guān)的S端設(shè)置電容Cl。開關(guān)晶體管關(guān)閉時，Cl被隔離，通過開關(guān)集成注入其中的電荷。在這種情況下，VD波形在電源為30V時保持在24V，如圖10所示。
圖10. 電荷注入仿真波形。
注入的電荷是V(S)和V(D)之間的電壓跳變乘以10nF保持電容。我們可以在電源電壓范圍內(nèi)實施開關(guān)電壓VD階躍，并且使用.meas語句來捕捉各個電壓下的電荷注入值。圖11顯示了數(shù)據(jù)手冊曲線結(jié)果和仿真結(jié)果。
圖11. 電荷注入數(shù)據(jù)手冊和仿真波形。
我們簡單的MOS模型不能很好地模擬數(shù)據(jù)手冊曲線波形，但在數(shù)據(jù)手冊曲線中，峰值電荷注入值為32pC，在仿真中為31pC。讓人意外的是，這兩個值非常接近，如果有必要，我們可以調(diào)節(jié)TOX來完善仿真結(jié)果。
兩個曲線之間存在偏移，我們可以使用CCHARGE_INJECTION來進行補償。使用某些值調(diào)整后，我們選擇最優(yōu)值CCHARGE_INJECTION=0.28pF。如果需要反向極性偏移， CCHARGE_INJECTION會重新連接至PMOS_on_when_low節(jié)點。
調(diào)節(jié)電容CCHARGE_INJECTION是一種使電荷注入與模擬電壓的關(guān)系仿真曲線偏移的簡便方法。如果仿真的峰值注入值太小，怎么辦？嗯，大部分電荷注入會產(chǎn)生開關(guān)的柵級電壓擺動，通過開關(guān)晶體管的柵級通道電容發(fā)送電荷。如果仿真的注入太少，我們可以直接增加一個或兩個柵級面積。為此，我們需要按同樣的系數(shù)提高開關(guān)器件的參數(shù)值L和W，且要保證不改變設(shè)置導(dǎo)通電阻的W/L比。相比使用CCHARGE_INJECTION，我們會選擇增加NMOS W和L。
或者，我們可以調(diào)節(jié)每個器件的TOX，以獲得更好的電荷注入關(guān)聯(lián)結(jié)果。這實際上不可行，但是，我們這只是仿真。在我們使用的簡單模型中，TOX不會影響到其他仿真參數(shù)。
獲取電容的LTspice模型參數(shù)
在已經(jīng)設(shè)置參數(shù)，以獲得出色的RON和電荷注入仿真結(jié)果的情況下，我們現(xiàn)在可以仿真S和D端電容。
重要的一點是，高壓MOS開關(guān)的漏極和源極區(qū)都必須具有偏移區(qū)。對于開關(guān)，您無法區(qū)分源極和漏極之間的功能差異，但是漏極和源極的體電勢都需要用到各自的偏移區(qū)。對于中等電壓 軟擴散，這也是正確的，但在低壓MOS中，這不合理。我們已將漏極和源極中存在的偏移區(qū)電阻匯總到RD，在飽和情況下，這對開關(guān)有效，對晶體管則無效。
圖12顯示了仿真設(shè)置。
在LTspice中，您可以按一種頻率運行.ac（使用.ac中列出的選項），但也只能提供一種頻率參數(shù)（此情況下為1MHz）。然后，在整個電源范圍內(nèi)運行.step VSOURCEdc電壓，以獲取電容與電壓范圍的關(guān)系曲線。
關(guān)閉的開關(guān)器件的D端保持中等電壓。S端（此處對源極重命名以防與VS混淆）由直流值范圍在0V至VS內(nèi)、交流驅(qū)動電壓為1V的電壓源驅(qū)動。電容計算公式為I(VSOURCE)/(2×π×1MHz×1V)。邏輯驅(qū)動V1變更為0V，以關(guān)閉晶體管。
在模型說明中，漏極電容和源極電容分別為CBD和CBS。模型中包含內(nèi)置默認集中度、內(nèi)置電壓和指數(shù)，使CBD和CBS電壓可變。因 為它們是對稱的，所以漏極和源極電容可能相等。此外，由于PMOS的寬度與NMOS不同，CBD,NMOS/CBD,PMOS=CBS,NMOS/CBS,PMOS≡WN/WP的比率會在導(dǎo)通電阻模型中確定。圖13顯示了仿真結(jié)果。
圖13. VS = 12 V（左側(cè)）和30 V（右側(cè)）下的關(guān)閉電容和直流電壓關(guān)系曲線。
顯示的結(jié)果是I(VSOURCE)/(2×π×1MHz), 這表示電容。LTspice不知道這 個值的含義，因而顯示pA而不是pF。
遺憾的是，我們沒有數(shù)據(jù)手冊曲線來進行比較。從數(shù)據(jù)手冊的規(guī)格表中可以看出，電容（可能是在中等電壓下，數(shù)據(jù)手冊中沒有指明）在30V電源電壓下一般為7pF，在12V電源電壓下為12pF。我通過調(diào)節(jié)CB， 獲取30V電壓下的7pF曲線，但在12V電壓下只能仿真10pF曲線。調(diào)節(jié)內(nèi)部電勢和電容公式指數(shù)后，使用的模型便無法再改善12V/30V符合性。
圖14顯示了開啟狀態(tài)的電容仿真設(shè)置。
圖14. 開啟狀態(tài)的電容測試仿真設(shè)置。
從中可以看出，完整的單刀雙擲開關(guān)的右側(cè)開關(guān)已經(jīng)開啟，左側(cè)開關(guān)關(guān)閉，并連接至Vs/2源。左側(cè)開關(guān)的右半部電容和右側(cè)開關(guān)的總電容，以及D和S端存在的寄生電容并聯(lián)，由V_s源的1MHz測試信號驅(qū)動，后者的直流電平從接地階躍至Vs。圖15顯示了其仿真結(jié)果。
圖15.VS=12 V（左側(cè)）和30V（右側(cè)）下的開啟電容和直流電壓關(guān)系曲線。
仿真得出的值是29.5pF和21.4pF，數(shù)據(jù)手冊給出的值是26pF和25pF。考慮到電路板布局電容的變化，我們認為這些值已經(jīng)非常接近。
漏電流
數(shù)據(jù)手冊曲線顯示25°C時與電壓相關(guān)的pA級漏電流，但數(shù)據(jù)手冊規(guī)格只能保證幾百pA。我受25°C下曲線結(jié)果的影響更大。對于此器件，沒有正確把握小漏電流的重要性，所以無法保證測試結(jié)果。客觀地說，測量一個pA級漏電流需要大量的設(shè)計開發(fā)工作和較長測試時間。
在85°C下，可保證測出幾nA（可以有效測量），典型值則在幾百pA范圍內(nèi)。我認為這些典型值相當(dāng)準(zhǔn)確。
漏電流屬于產(chǎn)品缺陷；不存在嚴(yán)格的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，且隨溫度變化很大。這不是我們設(shè)計要達到的規(guī)格，相反，這個數(shù)值會干擾與之連接的電路。在宏模型中使用時，適當(dāng)幅度的泄漏會仿真 為電路缺陷，對于設(shè)計人員來說，是不錯的警示。在85°C下，我為開啟狀態(tài)開關(guān)選擇1nA目標(biāo)測試值。
我們的模型顯示沒有超過RCONVERGENCE和GMIN電流的漏電流。GMIN是仿真器置于結(jié)之間，用于協(xié)助收斂的電阻。其電導(dǎo)系數(shù)通常為1×10–12但在電源電壓為30V時，得出的值可能是30pA電流的幾倍，遠高于測試需求。在仿真的一系列選項中GMIN會降低至1×10–15，RCONVERGENCE上升至1×1015。
這些泄漏大部分可能實際來源于連接至每個引腳的靜電放電(ESD)保護二極管。我們會將這一點納入圖16的仿真設(shè)置中。
圖16. 泄漏測試仿真設(shè)置。
調(diào)節(jié)了二極管模型中的ls后，我們獲得了泄漏電流與溫度關(guān)系曲線，如圖17所示。
圖17. 溫度范圍內(nèi)泄漏測試仿真結(jié)果。
邏輯接口和柵級驅(qū)動器
單純的行為邏輯-柵級驅(qū)動電路如圖18所示。
圖18. 行為邏輯-柵級接口。
外部邏輯輸入位于圖18左側(cè)的輸入端。它是理想跨導(dǎo)Glogic_thresholda的輸入，具有分段線性傳輸函數(shù)。對于低于1.37V的邏輯輸入，邏輯節(jié)點下的輸出為0V；對于高于1.43V的輸入，邏輯輸出為1V；在1.37V和1.43V之間時，邏輯輸出呈線性從0V過渡到1V。Glogic_thresholda因此會忽略電源差異，提供1.4V輸入閾值。
Cdelaya會在瞬間減慢邏輯節(jié)點的速度，所以我們能從中截取一些時間點。為了制作比較器，我們再次使用跨導(dǎo)，此時，Gbreakbeforemakena的輸出再次從0V過渡到1V，但是閾值的擺幅略高于0.5V。從圖19中可以看出，
圖19. 先開后合式時序。
傾斜的動作電壓為0.52V和0.57V，而不是0.5V，這使得從1V下降的指數(shù)信號的關(guān)斷速度比從0V上升的指數(shù)信號的關(guān)斷速度更快。
全柵級驅(qū)動電壓由B_non和B_pon行為電流源產(chǎn)生。當(dāng)節(jié)點n_breakbeforemakena>0.5V時，B_nona產(chǎn)生VDD/1000電流，節(jié)點nona的電壓在加載1000Ω電阻時達到VDD。當(dāng)節(jié)點n_breakbeforemakena<0.5V時，節(jié)點nona被驅(qū)動至Vss。所以，我們有不錯的電軌-電軌柵級驅(qū)動器，符合電源電壓要求，并且具有1.4V固定輸入閾值。
我們還需要說明另一個特性。請注意，在圖20中，更高的電源電壓會縮短延遲時間。這通過B_supplysensitivitya來實現(xiàn)，它向Cdelaya返回自身隨VDD變化的少量動態(tài)電流。Rsupply_sensitivitya因為Cdelaya電流會出現(xiàn)少量壓降，使得Cdelaya很大程度上作為純電容使用。將Cdelaya電流的副本返回給Cdelaya實際上會創(chuàng)建一個可控 的可變電容器，Bsupply_sensitivitya內(nèi)部的數(shù)學(xué)運算實際上會產(chǎn)生圖20所示的延遲與VDD關(guān)系曲線。
圖20. 仿真和數(shù)據(jù)手冊曲線的先開后合式時序結(jié)果。
我們的電路在VDD=4V時，仿真得出的TON延遲為111ns，數(shù)據(jù)手冊曲線顯示的延遲為140nsVDD=15Vs時，仿真延遲為77ns，數(shù)據(jù)手冊中的延遲為60ns。并無太大關(guān)聯(lián)；我會留給讀者來完善Bsupply_sensitivity函數(shù)，以實現(xiàn)更好的結(jié)果。至少，先開后合式時序的差異在15ns和24ns之間會更好。
雖然，數(shù)據(jù)手冊沒有給出太多關(guān)于延遲和溫度關(guān)系數(shù)據(jù)，但是我在Cdelaya中增加了溫度項，至少在高溫條件下，模型仿真速度會減慢，如圖21所示。
圖21. 時序延遲與溫度的關(guān)系。
組合宏模型
圖22顯示了會成為分支電路的組合模擬開關(guān)。在晶體管符號位置為L和W硬度值，而不是參數(shù)，并移除了所有激勵和I/O，以便連接引腳SA、D、SB、In、 VDD, Vss和Gnd_pin。
圖22. 組合SPDT分支電路spdt 40V.asc。
還提供了第二個邏輯接口，用于單刀雙擲對的另一個開關(guān)。ESD保護二極管置于模擬端口和Vss之間，以及邏輯輸入端和地之間。注意，上部邏輯接口器件和節(jié)點名稱中的“-a”后綴在下部接口中用“-b”后綴代替。Glogic_thresholdb接口的輸出與Glogic_thresholda表中的輸出反向，使得一個或另一個開關(guān)對能夠運行，而不是同時開啟。
備用ESD保護方案包含受保護的引腳到VDD和Vss的二極管，以及VDD和Vss之間的箝位。數(shù)據(jù)手冊通常提供保護方案說明，漏電流則 被分配到兩個電源。
在圖23所示的ADG333A.asc主示意圖中，給出了單刀雙擲分支電路的符號并用了四次。
圖23. ADG333A宏模型電路示意圖。
圖24顯示測試結(jié)構(gòu)的示意圖，用于驗證最終的宏模型結(jié)果。
總結(jié)
我們已經(jīng)了解了如何為特定的模擬開關(guān)構(gòu)建不錯的宏模型，以及如何獲取參數(shù)，為實現(xiàn)物理器件的多個不同的半導(dǎo)體工藝提供支持。得出的宏模型具有一些缺陷，例如導(dǎo)通電阻及其差異、與電源和信號電平呈函數(shù)關(guān)系的電荷注入、寄生電容和其在電壓范圍內(nèi)的變化差異、邏輯接口延遲和泄漏等。我們希望，宏模型對于模擬開關(guān)的實際性能仿真會有所幫助。
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