1. 前言
驗證電晶體的 SPICE 模型是電路設計中不可或缺的一環。本文說明如何使用 PSpice 驗證電晶體 SPICE 模型，並進一步透過直流掃描獲得規格書中各種特性曲線，例如 IC 對 VCE、VCEsat 對 IC 等。換言之，讀者只要依照本文所述的方法與邏輯，即可驗證模型的準確性。
本文看點：
- 提供完整的 SPICE 模型驗證電路與方法
- 利用 PSpice 的直流掃描（DC Sweep）輕易取得電晶體的特性曲線
2. 為什麼要驗證 SPICE 模型？
最根本的原因是確認模型正確，以確保模擬結果具有工程上的可信度與實用性。以下將說明幾個主要面向：
- 確保模擬結果與實際行為一致
SPICE 模型係根據數學方程式與實測資料建立，然而不同製程與不同廠商的元件特性往往存在顯著差異。若模型未經驗證，模擬結果可能與實際電路偏離，進而導致設計失敗或性能不符。 - 驗證模型參數是否合理
模型中的參數（如 hFE 值、VBE 等）會影響電晶體的放大倍率、頻率響應與功耗。透過驗證可檢視這些參數是否真實反映元件行為，尤其在高頻或極端溫度條件下更為重要。 - 避免設計風險與誤判
若模型低估功耗或漏電流，可能造成散熱設計不足；若高估增益或頻率響應，則可能導致電路不穩定甚至振盪。 - 支援設計優化與容差分析
經驗證的模型可用於 Monte Carlo 模擬與 Worst-case 分析，有助於設計者評估製程變異對電路的影響，並在元件選型、偏壓設計與穩定性分析中提供可靠依據。 - 驗證不同模擬工具的相容性
不同 SPICE 模擬器（如 PSpice、LTspice、Spectre）對模型語法與參數支援略有差異。透過驗證，可確保模型能在多種工具中正確運作，避免模擬錯誤或收斂失敗。
3. 縮寫定義
以下列出常用符號與定義，以利後續閱讀：
- VBE：基極對發射極的電壓
- VBEsat：基極對發射極的飽和電壓
- VCE：集電極對發射極的電壓
- VCEsat：集電極對發射極的飽和電壓
- IB：流入基極的電流
- IC：流入集電極的電流
- hFE：直流電流增益
4. 驗證 MJD41CT4 的模型
接下來，使用 ONSEMI 提供的 MJD41CT4 SPICE 模型進行模擬方法的開發，以檢驗模型準確性。
4.1 VBEsat 對 IC特性曲線
模擬電路
在模擬電路中，利用一個電流源 IC 提供集極電流，並以直流掃描（DC Sweep）的主掃描對 IC 進行掃描。根據規格書條件，此測試為 IC/IB =10。因此利用一個電流控制電流源 F1，將增益設定為 0.1，即可產生相當於 IC 十分之一的電流提供給基極。
模擬設定
在電路圖頁面，點擊 Pspice > Edit Simulation Profile，進行模擬的設定。詳細說明如下。
IC 直流掃描設定：
Sweep Variable：IC 的掃描變數選為 Current source，並輸入相應的名稱，即 IC。
Sweep Type：由於特性曲線橫軸為對數座標，因此選擇 Logarithmic，並在 Decade 模式下設定起始值（Start Value）與結束值（End Value），Points/Decade 則建議設為 100 至 1000。
溫度掃描設定：
VBEsat 與 IC 會受溫度影響，因此在 Options 中勾選 Temperature (Sweep)。於 Repeat the simulation for each of the temperature 欄位輸入輸入規格書中的特性曲線所示的溫度值，即可在輸出中觀察多條對應的特性曲線。
模擬結果
模擬結果與規格書比較如下：
4.2 VCE 對 IB 特性曲線
模擬電路
如下圖所示的模擬電路，以一個電流源 IB 提供基極電流，並透過直流掃描進行測試。從特性曲線可觀察到三條分別對應 1A、2.5A 與 5A 的集極電流，因此需額外使用次掃描（Secondary Sweep）對 IC 進行分析。
模擬設定
IB 直流掃描設定：
Sweep Variable：點擊 Current source，在 Name 欄位輸入零件編號，即 IB。
Sweep Type：由於原本的特性曲線的橫軸為對數座標，所以點擊Logarithmic。在下拉選單中選擇Decade。最後根據特性曲線將範圍設定為 10m 至 1000m，Points/Decade 設定 100 至 1000。
IC的直流掃描設定：
Sweep Variable：點擊 Current source，在 Name 欄位輸入零件編號，即 IC。
Sweep Type：由於原本的特性曲線有三條 IC 電流，因此，在 Value List 中輸入 「1 2.5 5」。
溫度掃描設定：
特性曲線中僅顯示在 25°C 的結溫，因此在 Run The Simulation at temperatures 欄位輸入 25，以確保在 25°C 的溫度下進行模擬。
模擬結果
模擬結果與規格書比較如下：
4.3 VCEsat 對 IC 特性曲線
模擬電路
此測試使用的模擬電路與 VBEsat 對 IC 的測試一致。
模擬設定
模擬設定的方式和前述兩個小結類似。
模擬結果
模擬結果顯示，不論 TA = 150°C 或其他溫度，其模擬數據與規格書差異甚大。然而，這並不代表模型或模擬無用。在特定應用場景，例如 MJD41C 作為開關，且負載為 24V 供電時，0.6V~1.2V 的 VCEsat 仍屬可容忍範圍。
調整縱軸的範圍後的結果如下。
若對 ONSEMI 的 MJD41C 模擬結果不滿意，亦可嘗試採用其他模型，如 NEXPERIA 的 MJD31C。其模擬結果在部分條件下更接近實測，參考下圖的結果。
4.4 IC 對 VCE 特性曲線
模擬電路
如下圖所示，提供一個直流電源到 C-E 之間及一個直流電流源到基極。利用直流掃描分析的主掃描對 VCE 進行掃描；次掃描對 IB 進行掃描。
圖 ：IC 對 VCE 特性之模擬驗證電路
由於 ONSEMI 的 MJD41C 的規格書沒有 IC 對 VCE 的特性曲線，這裡引用 NEXPERIA 的 MJD31C的 IC 對 VCE 特性曲線進行說明，如下圖所示。
圖 ：MJD31C 之 IC 對 VCE 特性曲線（來源：NEXPERIA）
模擬設定
模擬結果
根據模擬結果，IC = 6A DC，IB= 600mA DC 時，VCE 為 1.64V。根據 MJC41C 的規格書，VCE 為 1.5V。
圖：ONSEMI MJD41C 的 VCE(sat) 規格
4.5 hFE 對 IC 特性曲線
模擬電路
hFE 對 IC 的特性曲線無法直接從模擬輸出視窗中觀察。hFE 為直流增益，定義為 IC 除以 IB。模擬時需先取得 IC 與 IB，方能計算 hFE。根據特性曲線，VCE 固定為 2V，因此在模擬電路中提供一個直流電源至 C-E 端，並以直流電流源驅動基極電流，透過掃描即可取得對應的 IC。
模擬設定
在模擬設定方面，需對 IB 進行直流掃描。Start Value 建議設定為一個大於零的值，例如 0.1m；End Value 可暫定為 1000m，並根據模擬結果調整掃描範圍。若 IC 無法達到足夠小的電流值，則降低 Start Value；若無法達到足夠大的電流值，則提高 End Value。根據特性曲線所示溫度條件，在 Temperature (Sweep) 中指定單一溫度點進行模擬。
模擬後的處理
模擬完成後，將不同的 IC 與對應的 IB 記錄於 Excel 表格中，並以 IC 除以 IB 計算 hFE。接著，依相同方式進行其他溫度條件的模擬。最後，可使用數據視覺化工具（如 Origin）繪製 hFE 對 IC 的特性曲線，以比擬規格書所示圖形。
4.6 VBE 對 IC 特性曲線
模擬電路
根據 ONSEMI 所提供的 MJD41C 的 VBE 對 IC 特性曲線，VCE 固定為 4V。模擬電路中，於 C-E 兩端施加直流電源，為了觀察 VBE 對 IC 的關係，以直流電流源作為驅動訊號，並透過直流掃描分析對 IB 進行掃描。
模擬結果
模擬結果顯示，在 25°C 時，VBE 為 0.8V 時 IC 為 0.62A，與規格書所示的 1.2A 相比略有差距；而在 80°C 時，VBE 為 0.6V 時 IC 為 0.59A，規格書則為 0.36A。此結果顯示模擬值與實測資料存在一定誤差。
圖：溫度為 25°C 的模擬結果
5. 結論
本文系統性地介紹如何使用 PSpice 驗證 MJD41CT4 電晶體的 SPICE 模型，並透過多種特性曲線模擬（如 VBEsat 對 IC、VCE 對 IB、VCEsat 對 IC、IC 對 VCE、hFE 對 IC、VBE 對 IC）來檢視模型的準確性與實用性。模擬流程涵蓋電路架構設計、掃描參數設定、溫度條件調整，以及與規格書數據的誤差比對。
本文提供的驗證方法可協助工程師：
- 確認模型參數是否合理，避免設計誤判
- 評估模型在不同溫度與電流條件下的表現
- 支援元件選型、容差分析與跨模擬工具的相容性檢查
整體而言，這是一份兼具實務性與技術深度的模擬驗證指南。
