So verbessern Sie meine Kurvenanpassung für eine LED in Spice

Sie haben professionelle Modelle mit ein paar Komponenten im Inneren erwähnt. Ein vollständiges Gerätemodell kann sicherlich einige AC-Komponenten enthalten, um mit Ladungsspeicherung und Induktivität fertig zu werden. Aber Sie entwickeln nur das DC-Modell. Machen Sie sich hier also keine Gedanken über diese Details.

Die DC-Gleichung ist eine modifizierte Shockley-Gleichung, die etwa so aussieht:

$$V=\eta\, V_T \operatorname{ln}\left(\cfrac{I}{I_S}+1\right)+I\cdot R_S$$

Sie wollen es herausfinden$\eta$,$I_S$, Und$R_S$.

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Als$V_T=\frac{k T}{q}$und temperaturabhängig ist, möchten Sie Ihr Leben nicht dadurch verkomplizieren, dass Sie die Temperatur zu einer weiteren Variablen machen. Stellen Sie also sicher , dass Sie die Die-Temperatur der Diode kontrollieren und konstant halten. Der beste Weg, dies zu tun, ist:

1. Geben Sie der LED-Temperatur Zeit, sich an die Umgebungstemperatur anzugleichen – wenn Sie die LED also eine Weile halten, geben Sie ihr Zeit, sich auf Raumtemperatur abzukühlen, z.
2. vermeiden Sie Messungen über lange Zeiträume, in denen die Umgebungstemperatur Zeit hat, sich zu ändern,
3. Nehmen Sie Ihre Messungen schnell vor, um eine Erwärmung des LED-Chips zu vermeiden.
4. Vermeiden Sie die Verwendung höherer Ströme, die wahrscheinlich zu einer erheblichen Erwärmung des LED-Chips führen, und verwenden Sie bei Bedarf (das wird es sein) nur sehr kurze Impulsströme mit langen Verzögerungen dazwischen (aber nicht so lange, dass sie gegen (1) oder (2) verstoßen. über.)

(Oder Sie können eine Heizung mit erhöhter, stabiler Temperatur verwenden, um die LED auf einer festen Temperatur zu halten.)

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Schauen wir uns den Gesamtwiderstand an, der durch die obige Gleichung dargestellt wird. Dies wird durch Berechnung gefunden$\frac{\textrm{d} V}{\textrm{d} I}$einer leicht vereinfachten Version (der Begriff +1 wird vorerst ignoriert):

$$R \approx \frac{\eta\, V_T}{I} + R_S$$

Das zeigt uns, dass der Widerstand aus zwei Teilen besteht. Und Widerstand ist die Steigung des$I$vs$V$Kurve. Dadurch wird die Kurve in zwei Teile geteilt, mit einem Übergangsbereich dazwischen. Die beiden Regionen sind wo$I \ll \frac{\eta\, V_T}{R_S}$und wo$I \gg \frac{\eta\, V_T}{R_S}$.

Es gibt einen dritten Bereich, der aus dieser Gleichung nicht ersichtlich ist, aber in der weiter oben vorgestellten vollständigeren Gleichung vorhanden ist. Das ist wo$I \approx I_S$. Sie müssen sich von diesem Bereich fernhalten, da der ignorierte +1-Begriff hier in der Nähe wichtiger ist und Ihr Leben komplizierter macht.

Sie müssen also mindestens zwei verschiedene Messungen in mindestens zwei verschiedenen Regionen vornehmen. Einer wo$I_S\ll I \ll\frac{\eta\, V_T}{R_S}$(Ich werde diese Region II nennen) und die andere wo$I \gg\frac{\eta\, V_T}{R_S}$(Region III.) In Region I ist der Begriff +1 von Bedeutung. Sie sollten sich vollständig von Region I fernhalten.

Region II erwärmt den LED-Chip möglicherweise nicht so stark (gut). Region III wird dies jedoch wahrscheinlich tun, sodass Sie wahrscheinlich Impulsmessungen für diese Region benötigen.

Für Region II versuchen Sie, den Wert von herauszufinden$\eta$Und$I_S$. Wenn Sie Region-II-Messungen auf a$y=\operatorname{ln}\left(I\right)$vs$x=V$Kurve, werden Sie feststellen, dass sie auf einer ziemlich linearen Linie liegen. Wenn nicht, befinden Sie sich nicht vollständig in der Region. Bereich I krümmt sich bei sehr niedrigen Strömen von der Leitung weg und Bereich III krümmt sich bei sehr hohen Strömen ebenfalls von der Leitung weg. Sie müssen also Ihre Region-II-Messungen im linearen Bereich zwischen Region I und Region III finden und dann durchführen .

(Es gibt auch Übergänge zwischen diesen drei Regionen. Halten Sie sich auch von diesen Übergangsbereichen fern.)

Sobald Sie diese Region-II-Messungen haben,$\eta$ist dann umgekehrt proportional zur Steigung der aufgetragenen Linie.$b=\operatorname{ln}\left(I_S\right)$ist der y-Achsenabschnitt. Wenn Sie mehr als zwei solcher Messungen bei unterschiedlichen Werten vornehmen$I$, dann kann eine standardmäßige lineare Anpassungsroutine der kleinsten Quadrate die Steigung berechnen ($m$) und abfangen ($b$) für dich. Die Steigung, die Sie daraus erhalten, wird sein$m=\frac{1}{\eta\, V_T}$, also löse das einfach:$\eta=\frac{1}{m\cdot V_T}$. Der Abfang erfolgt in Bezug auf$\operatorname{ln}\left(I\right)$, also musst du erhöhen$e$um diese Macht zu bekommen$I_S$. Solche Anpassungsalgorithmen gibt es überall. Damit solltest du also keine Probleme haben. (Wenn Sie nur zwei Messungen vornehmen, können Sie mit einfacher Algebra die resultierende Steigung und den Achsenabschnitt berechnen.)

Zu bekommen$R_S$, müssen Sie in Region III große, gepulste Ströme mit diesen langen Verzögerungen dazwischen verwenden. Nur zwei solcher Messungen sollten ausreichen. (Um herauszufinden, wo sich Region III befindet, müssen Sie eine Vielzahl von gepulsten Messungen durchführen, um diese Region zu untersuchen und herauszufinden, wo sie liegt. Wählen Sie hier Ströme aus, die Spannungen weit über dem Knie erfordern.)

Nehmen Sie erneut mindestens zwei gute Messungen in Region III vor. Mehr ist in Ordnung, aber dann sind Sie wieder bei der Anpassungsroutine der kleinsten Quadrate. Daraus können Sie die Steigung errechnen. Und die Steigung ist der Wert von$R_S$.

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Dieser Prozess sollte Ihnen das bringen, was Sie brauchen. Es verwendet auch relativ einfache mathematische Werkzeuge (einfache Algebra für zwei Messungen in jeder Region oder lineare Anpassung der kleinsten Quadrate, wenn mehr als zwei Messungen in jeder Region vorhanden sind).

Eine Sache, die ich Ihrer Kurve entnehmen kann, ist, dass Sie meiner Meinung nach nicht genügend Daten haben, um es herauszufinden$R_S$Also. Sie benötigen wahrscheinlich höhere Strommessungen.

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Um das Obige konkret zu machen, stellen Sie sich das vor$V_T=26\:\textrm{mV}$,$\eta=3$,$I_S=1\:\textrm{pA}$, Und$R_S=2\:\Omega$. Region II ist dann$1\:\textrm{pA}\ll I \ll 39\:\textrm{mA}$und Region III ist$I \gg 39\:\textrm{mA}$.

Sondenregion II bei$I_1=500\:\mu\textrm{A}$Und$I_2=3\:\textrm{mA}$(Ich habe diese ausgewählt, um einige interessante Fehler zu erzeugen) zu bekommen$V_1\approx 1.563\:\textrm{V}$Und$V_2\approx 1.708\:\textrm{V}$. (Ich gehe davon aus, dass wir nur bis zu vier Stellen messen können.) Auf dem Log-Lin-Diagramm ist die Steigung$m=12.3569619$(Es ist gültig, für m [und später für b] eine vollständigere Genauigkeit beizubehalten.) Daher berechnen wir$\eta=\frac{1}{m V_T}\approx 3.1$-- was angesichts der mV-Präzision der Spannungsmessung nahe kommt. Der Abfang ist$b=-26.9148338$und das führt zu$I_S=e^b\approx 2.05\:\textrm{pA}$. Dies scheint ein schwerwiegenderer Fehler zu sein. Aber es liegt an der Wirkung von$R_S$, was bei$3\:\textrm{mA}$fällt um$6\:\textrm{mV}$. Hätte ich einen kleineren High End Strom gewählt, wie z$1\:\textrm{mA}$, wäre ich hingekommen$1.4\:\textrm{pA}$stattdessen, was näher ist.

Sie könnten dann Region III mit sondieren$I_3=60\:\textrm{mA}$Und$I_4=100\:\textrm{mA}$(für sehr kurze Zeiträume) zu bekommen$V_3=2.056\:\textrm{V}$Und$V_3=2.176\:\textrm{V}$. (Auch diese beiden Strömungen werden nahe einer Seite von Region III gewählt, um interessante Fehler zu erzeugen und um praktisch statt unpraktisch zu sein.) Von daher ist es leicht zu finden$R_S\approx 3\:\Omega$. Hier ist es auch falsch, aber nicht zu weit weg. Aber Sie müssen auch beachten, dass der dynamische Teil des Widerstands signifikant war$1.34\:\Omega$Und$0.81\:\Omega$, bzw. (Unter der Annahme unserer Parameterschätzungen für Region II.) Also gibt es natürlich einen Fehler. Sie könnten dieses Vorwissen aus Region II verwenden, nämlich unsere Überzeugung$\eta\approx 3.1$Und$I_S\approx 2.05\:\textrm{pA}$, um dann ungefähr zu subtrahieren$1\:\Omega$(ein grober Durchschnitt der beiden berechneten dynamischen Widerstandswerte) zu finden$R_S=2\:\Omega$, was natürlich viel besser ist.

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All dies sollte Ihnen einige Ideen geben, wie Sie Dinge herausfinden können, und es schafft es, übermäßig komplexe Mathematik zu vermeiden, indem es sich auf die vorherrschenden Probleme in jeder Region konzentriert.

Ich gehe davon aus, dass die blaue Kurve Ihr eigentliches LED-Gerät ist und Orange versucht, seine Charakteristik vorherzusagen. Das blaue Gerät ist eindeutig eine LED in Reihe mit einem Widerstand, daher muss Ihr Modell mit dem Modell eines Widerstands in Reihe geschaltet werden.

Hier ist ein Bild der Durchlasscharakteristik einer LED mit in Reihe geschaltetem Widerstand: -

Wie Sie sehen können, linearisiert das Hinzufügen des Widerstands die Reaktion über dem Basispunkt, an dem die Vorwärtsleitung beginnt. Bild von hier geklaut .

Wenn Sie Log(Id) vs. Vd darstellen und keine gerade Linie erhalten, bedeutet dies, dass das Standardmodell niemals gut passt. Im Allgemeinen sollten Sie exponentiell modellierte Daten (Dioden oder Transistoren) immer mit Log(I)-Daten extrahieren, da dies bedeutet, dass Sie eine gerade Linie anpassen (die für eine lineare Regression geeignet ist).

Also zuerst: Verwenden Sie Log(Id)-Daten, um die Parameterextraktion mit linearer Regression durchzuführen, um IS und N zu erhalten? Wenn nicht, tun Sie dies zuerst !!

Wenn das immer noch nicht funktioniert, ist die kurze Antwort, dass das Diodenmodell in SPICE davon ausgeht, dass die Diode "ideal" ist (klassische Diodenmodellgleichung). Wenn dies nicht der Fall ist, passt sie nicht und Sie können mit dem Basismodell nichts anfangen das zu verbessern.

Die Standardkorrekturen dafür sind 1) Wählen Sie eine Ecke, die für Ihre spezielle Anwendung am relevantesten ist und am besten passen muss, und kümmern Sie sich nur um die Anpassung dieser Ecke (z. Modell mit Teilschaltungen, um sich einen Weg zu einem besser passenden Modell zu hacken. Jeder hat Probleme.

Dies ist übrigens ein sehr häufiges Problem mit SPICE - die Modelle sind die meiste Zeit nicht wie echte Geräte, also haben Sie dieses Problem. Dies ist einer der Gründe, warum der Beruf der „SPICE-Modellextraktion“ niemals „schlüsselfertig“ von Affen betrieben werden kann. Beispielsweise basieren so ziemlich alle Halbleitermodelle auf 1-dimensional einheitlichen Geräten, aber jedes reale Gerät hat Seitenwände mit aktiven PN-Übergängen oder Dotierung. Sie müssen über die Geräteherstellung und die Gerätephysik nachdenken, um zu wissen, wie man das modelliert.

Bei wirtschaftlich wichtigen Technologien wie MOSFETs können es sich Unternehmen leisten, neue Modelle zu erforschen und zu erfinden, die besser zur aktuellen Technologie passen. Für fast alles andere verwenden wir immer noch alte Gerätemodelle von 1970, die in SPICE eingebrannt sind. Da so ziemlich JEDE Variante von SPICE (PSPICE, HSPICE, LtSPICE usw.) nicht mehr als 1%-3% Abweichung vom ursprünglichen SPICE aufweist, bleibt das Problem bestehen.

Hier ist ein Artikel über LED-Modellierung für bessere Anpassungen, der hilfreich sein könnte, wenn Sie den Weg des "Makromodells" gehen möchten:

http://www.keysight.com/upload/cmc_upload/All/Diode.pdf

Ihre Zahlen sind weit entfernt von dem, was in typischen III-V-LEDs zu sehen ist. Zum einen ist der rs sehr hoch. Und n liegt häufiger im Bereich 2-3. Aber wenn es sich um Silizium-LEDs handelt, ist das ein ziemlich seltsames Biest, und alles könnte möglich sein.

Vielleicht möchten Sie mit dem Entwickler des Geräts sprechen (ich gehe davon aus, dass es sich um ein Forschungsgerät handelt, nicht um etwas, das von der Stange gekauft wird) und sehen, was er empfiehlt.

Beim Modellieren seltsamer Geräte wie diesem ist es oft entscheidend, herauszufinden, was die Parasiten sind, um ein gutes Modell zu erhalten.

Beispielsweise müssen Sie möglicherweise einen Widerstand parallel zur Hauptdiode einbauen, um einen Leckpfad zu modellieren. Oder eine zweite (Schottky-)Diode in Reihe, um den Metall-Halbleiter-Übergang am Kontakt zu Ihrer LED darzustellen.

Wie Jonk sagt, wenn Sie sich an die einfachen Parasiten halten, die im SPICE-Diodenmodell zulässig sind, rsgibt der Term die Steigung bei Spannungen deutlich über dem Einschalten an. Sie sollten es also an die Steigung in Ihrer Messung bei der maximal gemessenen Spannung anpassen. Halten Sie das dann fest, während Sie die anderen Parameter anpassen, um zu versuchen, eine Übereinstimmung mit dem Rest der Kurve zu erzielen.