LTspiceを使った回路設計手法 4、バイポーラトランジスタの定数設定詳細
 

バイポーラ型のトランジスタの特性は、標準ではC:\Program Files\LTC\LTspiceIV\lib\cmp\フォルダに "standard.bjt" のファイル名で定義されています。
トランジスタの品種を選ぶ時、このファイルの先頭から順番に表示されますので、良く使う品種を上に置いておくと便利です。(NPNとPNPは別々で表示)

基本的な書式は、.model Tr_name PNP(param1 param2)であり、"Tr_name"の後の"PNP"がNPNかPNPかの種別を現します。回路シンボルの"Prefix"がQNの場合は、.modelで定義される物の中から "Value" が "Tr_name" と一致するNPNを探してSpiceNetlistの実行時に適用されます。
 →標準はC:\Program Files\LTC\LTspiceIV\lib\cmp\フォルダの"standard.bjt"を使うので、SpiceNetlistにはこのファイル名を指定して、".lib C:\Program Files\LTC\LTspiceIV\lib\cmp\"standard.bjt"というコマンドが記述される。

回路図をRUNする時には、回路図上にTextで書き込まれた情報に.modelがあればこれも実行されますので、
(spiceコマンドとして有効とする必要あり) 例えば

.model C1815 NPN(Is=12f Bf={hfe} Vaf=250 IKF=.4 Rb=50 Cjc=4.5p Cje=18p TR=.1u TF=.3n)
.step param hfe list 100 200 400

と書けば、C1815が標準で登録されていても、自由に新しい特性を定義して影響を調べることが出来ます。
回路図上で指定する場合の注意として、ここで定義された品種は本来の"standard.bjt"と重複する場合、 "standard.bjt"側が 無視されますので、指定しないパラメータは全部デフォルト値になってしまいます。

パラメータの一つだけをオリジナルから変化させたい場合は、.step NPN C1815(Bf) List 100 200 400 のように書きます。 但し同じ品番は全部同時に変化してしまうので、指定した箇所だけを変化させたい場合は
.model C1815x ako: C1815 Bf=220 等とそれ専用の品番を一時的に用意します。

注: akoで作った仮のモデルは、.step NPN C1815x(Bf) ではパラメーターを変化できないので、akoではBf={hfe}で定義してhfeの値を指定/変化する必要がある。


●バイポーラトランジスタ(BJT)のモデルパラメータの内容一覧

回路図にBJTのシンボルを置いた時は、"Value"の値はデフォルトの「NPN」または「PNP」が指定される。
このトランジスタの特性は、表の「デフォルト値」が適用。(hfe=100で周波数特性∞)

設定
項目
デフォルト
内容
Is=0.1f伝達飽和電流:この値が動作時のVbeを決める。25fAで1mA時Vbe=600mV、10倍で60mVの変化。
デフォルトの0.1fAはかなり小さい値で、1mA時のVbe=720mVとかなり高く、高周波小信号用の2SC535がこの位。普通の小信号用石は5f-20fA、ローノイズのA970/C2240, A1084/C2546等は35fA-80fAと大きめ。1Aクラスのドライバで0.1-0.2p、10Aクラスの出力石で1pA程度。
Vaf= ∞  アーリー電圧:Vce変動によるIc変化率を指定。
Ic=Bf*(1+Vce/Vaf)となり、Bf(hfe)が実質的にVce/Vafだけ増加する。エミッタ接地時の裸のコレクタ出力抵抗は、Ro=(Vaf+Vce)/Icで計算できる。PNPは全般的にVafは小さく、30-150V程度。NPNは普通100-400V程度ある。
Spiceでは、アーリー電圧のVce依存性を記述できないので、数V以下のVce-Ic曲線の曲がりを表現することが出来ない。(Vce-Ic曲線を書かせると、メーカーカタログの曲線と全然違う)
メーカー提供の「正式な」spiceモデルでも、準飽和領域での値:Vaf=10で設定しているのもあり、実際に使うVce条件と合致しているかを確認しないととんでもない計算結果になる事もある。この事は、特に低電圧領域に於いて飽和直前のIc曲りによる歪発生を計算できない事を意味する。
Bf=100順方向Hfe
デフォルトではこの値は一定だが、他のパラメータを使ってHfeの電流特性を自由にデザインできる。(電圧特性はVafでしか記述できない。実質Hfeは1+Vce/Vaf倍になることに注意。)
 → Bfの電流特性に関連する項目は、Ikf, Ise, Ne, Nk 等がある。
Ikf=大電流βが半減する電流を設定
Bfの低下度合いは係数Nkで決まり、デフォルト(Nk=0.5)ではIc=Ikfで半減だがNk=0.7では1/4とNkが1に近いほど急激に飽和が進行する。
Cjc=0ゼロbias時のB-C接合容量
この値は、カタログのCobの値ではなく、ゼロバイアス時の値が必要。
後で出てくるMjcの係数で影響され、通常タイプ(デフォルトのMjc=0.33)では10VでのCob*2.4倍とする。(Vce=25VでCobの値を表示している品種では、Vce=10Vの値を見なければならない)
Vce-Cob特性のカーブがあれば、1Vと10VのCobの値の比を求め、2:1ならMjc=0.33でデフォルトのまま、3:1に近ければMjc=0.5と指定してCjcの値は10V時Cob*3.7倍の値を記入する
Cje=0ゼロbiasE-B接合容量
E-B接合容量を公開している品種もあるが、動作時はBE接合は逆バイアスではなくて順方向にバイアスされているのであまり意味がない。重要なのはこの値が低電流でのftの低下量を表すことで、1mAでのft=100Mで40pを指定するとシミュレーションと実測値が良く合う。
→1mAでのft=140Mなら、Cje=40p*100/140=28pが必要。但し、総合のftはTfで決まる限界値ft(max)=1/2πTfとの合算になるので、Cjeで指定する値はこの時定数を差し引いた値とする。
Tr=0少数キャリアの逆方向走行時間
スイッチング動作でのTstgを決める要素であるが、実際の特性と合わせるにはオーバードライブ量やベース駆動逆電流など他の要素が影響してぴったりとは合わない。
通常、NPNではTfの100-1000倍に設定するがPNPは10-100倍程度。
Tf=0順方向走行時間
電流値が十分上がった所(Cjeの制限が無視できる領域)でのft最大値を設定する。
 ft(max)=1/2πTf より、Tf=1/2πft(max) 
2SC1815では、ftピークが500MHzオーバーまで伸びているので、Tf=0.3n とする。
Rb=0ベース直列抵抗 =rbb'
この抵抗や、Cje、Tfの値を正しく入れないとトランジスタの周波数特性は評価できない。
普通(汎用品)は数十Ωであるが、低周波低雑音用は10Ω、あるいはそれ以下になっている。2SC1775Aなど、NPNの古いタイプでは内部ベース抵抗が高く、数100Ωあると見られる。
Rc=0コレクタ直列抵抗
特性グラフのVce(sat)-Ic特性から、大電流領域のVce(sat)を見て判断。
2SC1815だと100mA時に0.1V強残るので、ほぼ1Ω。
Re=0エミッタ直列抵抗
普通は指定しなくてよいが、パワー用のエミッタ内部にバラスト抵抗を持つ品種では無視できない。Ic-Vbe特性のグラフで、大電流領域で傾きが一定の部分があれば内部エミッタ抵抗の値が分かる。
東芝2SA1095/2SC2565など、エミッタに0.1Ω相当のバラストが入っている。
特にバラストを入れていない品種でも、10m-30mΩの内部エミッタ抵抗を持つ。
Itf=0TFの大電流効果。低電圧でft低下が始まるIc値の20倍を記入。
Vtf=TFのVbc効果。Ic=Itf/20で準飽和でft低下が始まるVceを記入。
Xtf=0TFのバイアス効果係数。ItfやVtfの設定と共にftが低下する最大限度を設定。
100に設定するとIc>Itfでftは1/100にまで減少する。(上のItf, Vtf設定はXtf=100の場合)
Br=1逆方向Hfe
ベース電流がコレクタへ逆流する領域(飽和時やコレクタ逆電圧印加時)での特性を設定。値が大きいと、Vce=0付近のON抵抗値が減少する。(普通はデフォルトの1で問題ない)Vce=0付近の特性が重要なMuting用トランジスタではBr=30位のもある。
Xtb=0βの温度計数、通常は1.5。温度変化を調べる時以外は無関係。
Vje=0.75B-E電位ポテンシャル。通常の0.75を変える必要がある時のみ指定する
Mje=0.33B-E接合指数係数。通常の0.33を変える必要がある時のみ指定する
Vjc=0.75B-C電位ポテンシャル。通常の0.75を変える必要がある時のみ指定する
Mjc=0.33B-C接合指数係数。この値でCobの電圧特性が変化する。
Vce-Cob特性のカーブから1Vと10VのCobの値の比を求め、2:1ならMjc=0.33でデフォルトのまま、3:1に近ければMjc=0.5と指定
Ise=0BE接合の飽和電流。Isの値より大きく設定すると、微小電流のhfeがどんどん低下する。
Ne=1.5Iseの係数。1.3以上でIseの効果を加速し、大きいほど強く働く(通常はデフォルトの1.5でOK)
Var=BRのアーリー電圧。エミッタとコレクタを逆転して使用する場合に有効。通常は設定不要
Ikr=BRのβ低下電流。エミッタとコレクタを逆転して使用する場合に有効。通常は設定不要
Isc=0BC接合の飽和電流。エミッタとコレクタを逆転して使用する場合に有効。通常は設定不要
Nc=2Iscの係数。エミッタとコレクタを逆転して使用する場合に有効。通常は設定不要
Nk=0.51に近いほどIKF効果を加速、通常の0.5から変更する場合はIkfの値も同時に修正する必要がある。0.9まで上げると、コレクタ電流はIkfの半分くらいから全く流せなくなる。
Trc1=0Rcの温度係数。1℃あたりの変化量を指定。
Trc2=0Trc1の曲がり係数。Rc温度係数が直線でない場合に、その2次曲がり係数を指定
BVcbo=コレクタ接合のブレークダウン電圧。
Vceo耐圧の3.6~4.0倍の値を入れる事で耐圧限度付近のhFE上昇を反映できる
BVbe=エミッタ接合のブレークダウン電圧を指定できる。
Fc=0.5順方向バイアス拡散容量係数。通常はデフォルトの0.5から特に変更しなくてよい。
Vceo=-PickUPリストの表示項目。ここに記述した内容が品種を選択するときのリストに説明として表示される
Icrating=-PickUPリストの表示項目。ここに記述した内容が品種を選択するときのリストに説明として表示される
mfg=-PickUPリストの表示項目。ここに記述した内容が品種を選択するときのリストに説明として表示される


個々の内容の働きは、実際に値を変更してみてどう変化するかを計算させてもわかりますし、
メーカーの提供しているspiceモデルデータを見て、その素子の特性がどう表現されているかを調べても
理解しやすいです。

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