在之前的文章中，我解釋了如何獲取集成電路mosfet的高級SPICE模型，并將其整合到LTspice模擬中。隨后，我們利用這個模型研究了NMOS晶體管的閾值電壓。本文中，我們將使用相同的模型來生成圖表，直觀地展示晶體管的電氣行為。

　　繪制漏極電流與漏源電壓的關系

　　我們將首先制作一個基本的漏極電流(ID)與漏源電壓(VDS)的關系圖。為此，我們將柵極電壓設定為一個遠高于閾值電壓的固定值，然后進行一個直流掃描模擬，其中VDD的值逐漸增加。圖1展示了我們將使用的電路圖。

圖1

　　柵源電壓(VGS)為1V，遠高于我們在前一篇文章中通過模擬找到的320mV閾值電壓。同時，圖1右下角的.dc模擬命令告訴LTspice執行兩項操作：

　　將V2源(VDD)從0V增加到1.5V，增量為0.01V。

　　使用這一系列的VDD值作為自變量。

　　模擬結果如圖2所示。

圖2

　　柵極電壓足夠高，使得導通成為可能，因此一旦VDS超過零，電流就開始流動。在較低的漏極電壓下，漏極電流隨著VDS的線性增加而線性增加。然而，漏極電流在大約0.4V時開始趨于平穩，之后增加得更慢。這種從圖表的高斜率部分到低斜率部分的過渡對應于從FET的線性區域到飽和區域的過渡。

　　當漏極電壓較低時，柵極電壓打開一個從漏極延伸到源極的通道，電流更自由地通過FET的通道流動。隨著漏極電壓接近過驅動電壓，漏極處的通道被夾斷，電流不再像以前那樣自由流動。過驅動電壓等于柵極電壓減去閾值電壓。

　　測量線性區域的電阻

　　在線性區域，NMOS的行為類似于電壓控制的電阻器。這就是該區域得名的原因——當電流通過普通電阻時，電壓和電流之間的關系是線性的。如果我們查看歐姆定律，這一點很明顯：

　　如果我們用許多人在高中代數中使用的字母替換V、I和R，歐姆定律變為：

　　其中：

　　y，垂直軸，代表電壓 x，水平軸，代表電流 m，繪制線的斜率，代表電阻。

　　為了確定這個NMOS晶體管在線性區域的電阻，我們只需要找到m。由于我們在圖2中繪制了漏極電流和漏極電壓之間的關系，我們已經在一定程度上完成了這一步。然而，我們在y軸上繪制了電流，在x軸上繪制了電壓——為了使V = IR成立，電壓必須是y值，電流必須是x值。m不是圖2中線的斜率，而是斜率的倒數。

　　這只需要多加一步。我們使用LTspice找到斜率(圖3)，然后取其倒數。

圖3

　　線的斜率為0.00084。因此，總電阻為1/0.00084 = 1190Ω。這個總電阻包括一個100Ω的漏極電阻，使得NMOS的通道電阻等于1090Ω。

　　更高的柵源電壓使得通道更具導電性，因此如果我們增加柵極電壓，我們可以預期這個電阻會降低。圖4展示了如果我將柵極電壓增加到2V會發生什么。

圖4

　　當VGS = 2V時，斜率等于0.00099。取這個值的倒數，我們得到1010Ω。一旦我們減去100Ω的漏極電阻，FET在線性區域的通道電阻為910Ω。這比我們之前的電阻值減少了180Ω，因此我們可以認為我們的預期得到了證實。

　　生成一組特性曲線

　　關于FET行為的討論通常伴隨著一個漏極電流與漏極電壓的圖表，其中包含多條曲線來代表不同柵源電壓的結果。這使得單個圖表能夠傳達大量關于柵源電壓、漏源電壓和漏極電流之間電氣關系的信息。

　　為了在LTspice中生成這種類型的圖表，我們只需要修改模擬命令，使其指定對V2和V1(即柵極電壓)進行掃描。新的模擬命令是：

　　V2的掃描與之前相同，但我們添加了文本，告訴LTspice將V1源從0V增加到3V，增量為0.5V。結果是圖5中的多色圖。

圖5

　　為了使您的圖表顯示像圖5那樣的圖例，只需按照以下步驟操作：

　　右鍵單擊圖表窗口。

　　轉到視圖。

　　選擇步長圖例。

　　總結

　　SPICE模擬是深入了解MOSFET并研究微妙電氣細節或復雜電路實現的好方法，浮思特科技專注功率器件領域，為客戶提供IGBT、IPM模塊等功率器件以及MCU和觸控芯片，是一家擁有核心技術的電子元器件供應商和解決方案商。