兼容SPICE的運(yùn)算放大器宏模型
發(fā)布時(shí)間:2021-08-02 來源:Mark Alexander、Derek F. Bowers 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】目前,電路仿真領(lǐng)域呈現(xiàn)采用全方位電路仿真方法的趨勢。我們認(rèn)為,在所有安裝的電路仿真器中,有75%用于系統(tǒng)設(shè)計(jì),而不是IC設(shè)計(jì)。幾乎所有這些仿真器都是SPICE的變體。隨著電子行業(yè)不斷發(fā)展,系統(tǒng)工程師面對日益增多的集成電路,尤其是無處不在的運(yùn)算放大器,也需要愈加精準(zhǔn)的模型。但是,這些IC器件的速度和復(fù)雜性不斷提高,給初期的SPICE開發(fā)人員帶來了始料未及的問題。
由于典型的運(yùn)算放大器中包含大量有源器件,僅使用晶體管級(jí)模型的電路仿真會(huì)消耗大量時(shí)間,特別是電路中包含多個(gè)運(yùn)算放大器時(shí)。由于涉及多個(gè)非線性方程,即使是簡單的半導(dǎo)體器件模型也會(huì)消耗大量計(jì)算時(shí)間。在某些情況下,完成整個(gè)仿真所需的時(shí)間可能超過構(gòu)建工程原型所需的時(shí)間。顯然,這種情況完全背離了使用SPICE的初衷。
幸運(yùn)的是,我們可以通過使用盡可能準(zhǔn)確地表示運(yùn)算放大器的宏模型來縮短仿真時(shí)間,而無需使用大量晶體管或其他非線性器件。然而,無論出于何種意圖和目的,要設(shè)計(jì)一個(gè)能完全模擬實(shí)際器件的宏模型是一個(gè)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。對于電路設(shè)計(jì)人員來說,運(yùn)算放大器模型要切實(shí)起到作用,則不能只涵蓋所有重要的DC參數(shù),還要能夠在遠(yuǎn)超單位增益交越頻率的區(qū)域內(nèi)合理地仿真近似AC特性。
現(xiàn)有的宏模型是不夠的
許多運(yùn)算放大器的宏模型已包含在多個(gè)可用軟件仿真器的器件庫中。這些模型大多數(shù)都是基于Graeme Boyle和他的同事(見參考文獻(xiàn)1)所做的初期工作,他們在20世紀(jì)70年代中期開發(fā)了一些宏模型,以緩解當(dāng)時(shí)已經(jīng)超負(fù)荷的大型計(jì)算機(jī)的CPU時(shí)間緊張問題。Boyle幾乎去除了宏模型中的所有晶體管,只保留了兩個(gè)晶體管。保留的這兩個(gè)器件構(gòu)成了運(yùn)算放大器的差分輸入級(jí);后續(xù)的所有級(jí)都采用線性控制源、無源元件和二極管來實(shí)現(xiàn)。輸入級(jí)中保留的晶體管有助于仿真實(shí)際影響,例如偏置電流,以及輸出dV/dt隨差分輸入電壓的變化。
Boyle方法大大減少了所有非線性元件的數(shù)量,所以每個(gè)放大器所需的仿真時(shí)間也大幅縮短。相比完全采用晶體管的仿真,Boyle結(jié)構(gòu)確實(shí)有明顯改善,但該結(jié)構(gòu)仍有一些不足之處,這也促進(jìn)了新的宏模型的開發(fā)。該結(jié)構(gòu)具有以下缺陷:
-Boyle模型只提供兩個(gè)極(沒有零)來顯示整個(gè)放大器的頻率響應(yīng)——這種配置僅適用于較慢的運(yùn)算放大器,完全不適合如今速度更快的器件。
-所有內(nèi)部產(chǎn)生的節(jié)點(diǎn)電壓都以地為基準(zhǔn),即使放大器相對于地“浮空”。這種配置不能體現(xiàn)運(yùn)算放大器的真實(shí)運(yùn)行狀況——幾乎所有可用的器件都不提供接地參考。
-輸出端電流從連接到地的受控源流出,而不是像在實(shí)際放大器中那樣從電源軌流出。此特性完全排除了基于放大器的輸出電流(在電源軌之間正確分流)來仿真電路的情況。
理想元件可以降低復(fù)雜性
開發(fā)原始的Boyle模型(圖1)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí),使用了兩種基本的宏模型建模方法(稱為簡化法和構(gòu)造法),這兩種方法在開發(fā)新宏模型時(shí)也非常有用。
圖1:Boyle運(yùn)算放大器宏模型的一個(gè)重大缺陷是所有電壓都以地為基準(zhǔn)
圖2:新運(yùn)算放大器宏模型本質(zhì)上是模塊化的。在運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)中,可以通過級(jí)聯(lián)任何構(gòu)建模塊來獲得任意數(shù)量的極和零點(diǎn)。
這種簡化技術(shù)使用簡單的理想元件來代替電路的實(shí)際部分,從而持續(xù)降低運(yùn)算放大器主要內(nèi)部級(jí)的復(fù)雜性。因此,可以通過利用此方法的功能模塊來高度仿真實(shí)際電路。在圖1中,輸入級(jí)模型就是一個(gè)很好的簡化示例。該模型保留了發(fā)射極耦合對的差分輸入特性,但消除了所有有源負(fù)載;它用理想元件代替尾電流源;并承擔(dān)產(chǎn)生第二放大器極的任務(wù)。增加一個(gè)電容(CE)即可使該模型在此級(jí)中提供一個(gè)極,而減少元件總數(shù)則能加快仿真運(yùn)行速度。
另一方面,可以使用構(gòu)造法構(gòu)建一個(gè)完全由理想元件組成的電路模塊,高度仿真器件實(shí)際部分的行為。遺憾的是,構(gòu)造法常常會(huì)導(dǎo)致一些子部分與實(shí)際等效部分毫不相似。圖1的輸出級(jí)就是一個(gè)很好的示例:它提供了必要的輸出電壓限幅,具有正確的輸出電阻,還提供了短路限流值;但與實(shí)際運(yùn)算放大器原理圖沒有一點(diǎn)相似之處。
開發(fā)改進(jìn)的宏模型
開發(fā)新的宏模型(圖2)的目的是創(chuàng)建一個(gè)能夠像實(shí)際運(yùn)算放大器一樣運(yùn)行的模型;但它仍然必須足夠簡單,可以作為一個(gè)通用模型使用。圖3、圖4和圖5顯示該模型由處理輸入信號(hào)的幾個(gè)級(jí)聯(lián)部分組成。
圖3:新模型的輸入級(jí)與Boyle模型的輸入級(jí)相似,但之后所有級(jí)的結(jié)構(gòu)都截然不同
圖4:除提供零點(diǎn)的共模增益級(jí)外,還提供三種類型的頻率成形網(wǎng)絡(luò)
圖5:新輸出級(jí)還配有電流源,對供電軌之間的負(fù)載電流正確分流
由于該模型在構(gòu)建時(shí)采用了簡化技術(shù),所以其輸入級(jí)與Boyle模型非常相似。但是,由于生成新模型的剩余部分時(shí)采用了構(gòu)造法,在輸入級(jí)之后,這兩個(gè)宏模型毫無任何相似之處。注意,在任何信號(hào)處理模塊中都沒有接地參考。相反,在實(shí)施差分至單端轉(zhuǎn)換后,所有內(nèi)部產(chǎn)生的節(jié)點(diǎn)電壓都以供電軌之間的中點(diǎn)為基準(zhǔn)。這個(gè)中點(diǎn)在模型中稱為VH,由兩個(gè)連接在供電軌之間的等值電阻產(chǎn)生。
在使用新宏模型對任何特定的運(yùn)算放大器建模時(shí),其最低要求基本上與Boyle拓?fù)涞囊笙嗤阂粋€(gè)差分輸入級(jí)、一個(gè)增益級(jí)和一個(gè)輸出級(jí)。這種配置可以產(chǎn)生基本的雙極頻率響應(yīng),且可以從仿真時(shí)間這個(gè)角度直接比較這兩種宏模型。您可以在增益級(jí)和輸出級(jí)之間添加單位增益極、極零點(diǎn)和零極點(diǎn)模塊的任意組合,以獲得所需的頻率相關(guān)開環(huán)增益滾降。模塊之間的區(qū)別在于:極零點(diǎn)模塊產(chǎn)生的極點(diǎn)頻率比零點(diǎn)低,而零極點(diǎn)產(chǎn)生的極點(diǎn)頻率比零點(diǎn)高。
框圖2“模型參數(shù)的計(jì)算”顯示了基于圖3、4和5所示的構(gòu)建模塊構(gòu)建運(yùn)算放大器所需完成的計(jì)算。只要給出所探討的運(yùn)算放大器的某些數(shù)據(jù)手冊參數(shù),結(jié)合必要的極零點(diǎn)位置,就可以使用計(jì)算器輕松完成這些計(jì)算。
圖3中的輸入級(jí)是一個(gè)簡化雙晶體管電路。新模型和舊模型的主要區(qū)別在于:在新模型中,輸入級(jí)使用與實(shí)際運(yùn)算放大器同類型的輸入器件,即NPN或PNP雙極性器件、P通道JFET(或者如果適用,使用N通道器件),或者M(jìn)OSFET。Boyle模型只允許在輸入級(jí)使用雙極性器件,如果是對雙極性輸入運(yùn)算放大器進(jìn)行建模,這毫無問題。但是,如果使用Boyle技術(shù)對一個(gè)FET輸入運(yùn)算放大器建模,則必須大幅提高輸入晶體管的電流增益,以獲得所需的輸入偏置電流。此外還必須通過發(fā)射極負(fù)反饋來降低其跨導(dǎo)。這些更改導(dǎo)致的結(jié)果是:無法在寬輸入差分電壓范圍(一般是1至2V)內(nèi)正確仿真FET輸入放大器的輸出dV/dt的常見變化。A降級(jí)之后的雙極輸入級(jí)具有線性化、雙曲正切傳遞特性(見文獻(xiàn)2),而FET輸入級(jí)具有平方律傳遞特性(見文獻(xiàn)3)。顯然,這些特性并不對等。因此,由于FET輸入級(jí)的參數(shù)計(jì)算并不比雙極性級(jí)復(fù)雜,所以在模型中使用正確的輸入器件是有意義的。
所有表現(xiàn)出非理想行為的輸入級(jí)參數(shù)(如失調(diào)電壓、失調(diào)電流和輸入電容)都使用單獨(dú)的理想元件進(jìn)行建模。此外,在反相和同相輸入端之間連接兩個(gè)等值電阻,以產(chǎn)生共模輸入電壓。模型的后續(xù)部分會(huì)用到輸入電壓,先進(jìn)行擴(kuò)展和頻率成形,之后反饋到輸入級(jí)用于修正失調(diào)電壓。
該模型假設(shè)輸入晶體管是完全匹配的,且沒有任何會(huì)改變整體頻率響應(yīng)的結(jié)電容。但是,通過為雙極性級(jí)選擇合適的電流增益,或?yàn)镕ET級(jí)選擇合適的柵極漏電流,它也可以得出正確的輸入偏置電流。通過使負(fù)載電阻值等于晶體管跨導(dǎo)的倒數(shù),可以將差分對的電壓增益設(shè)為單位增益。這個(gè)假設(shè)簡化了確定壓擺率限制元件的計(jì)算。為方便起見,將輸入級(jí)的尾電流標(biāo)稱值設(shè)為1 mA;但是,這個(gè)值可以降低到100µA、10µA或1µA,具體取決于放大器的總靜態(tài)電流。
增益級(jí)的特性
該模型的開環(huán)增益通常在一個(gè)單級(jí)(見圖3)中實(shí)現(xiàn),該級(jí)由兩個(gè)電壓控制電流源、兩個(gè)電阻、兩個(gè)電容和一個(gè)電壓限制網(wǎng)絡(luò)組成。在這個(gè)級(jí)中,也會(huì)發(fā)生差分至單端信號(hào)轉(zhuǎn)換。電壓限制網(wǎng)絡(luò)由一對二極管組成,每個(gè)二極管都連接到自己的電壓源。該網(wǎng)絡(luò)防止增益級(jí)和模型的其他內(nèi)部節(jié)點(diǎn)在輸入過載驅(qū)動(dòng)條件下出現(xiàn)超過電源軌電壓的擺幅。在開環(huán)增益級(jí)必須限制電壓;否則,后續(xù)節(jié)點(diǎn)可能會(huì)嘗試仿真大信號(hào)(數(shù)百千伏)的產(chǎn)生。
兩個(gè)電容(與電阻并聯(lián))決定放大器主極點(diǎn)和壓擺率。目前,宏模型只能處理對稱的正負(fù)壓擺率,因?yàn)閷ΨQ是最容易仿真的情況。但是,未來的增強(qiáng)宏模型可能允許仿真對稱正負(fù)壓擺率之間的一些變化。最后,該級(jí)在這兩個(gè)電壓控制電流源上各添加一個(gè)直流分量,構(gòu)成放大器靜態(tài)電源電流的主要部分。
對運(yùn)算放大器頻率響應(yīng)的研究表明,在大多數(shù)情況下,精確仿真實(shí)際器件在高頻率下的增益和相位變化需要兩個(gè)以上的極點(diǎn)。此外,不同類型的運(yùn)算放大器具有不同數(shù)量的極點(diǎn)和零點(diǎn)。為了讓這些不同類型的電路都能輕松轉(zhuǎn)換成兼容SPICE的子電路(而不必每次都從頭開始),那么一個(gè)真正的通用模型必須是高度模塊化的,并且具有任意數(shù)量(大量)的極點(diǎn)和零點(diǎn)。所以,最終架構(gòu)使用了所有單個(gè)運(yùn)算放大器模型都通用的一些基本構(gòu)建模塊。這些模塊如圖4所示。
所有頻率成形模塊在DC條件下具有單位增益,因?yàn)槊總€(gè)電壓控制電流源(VCCS)的gm都等于從VCCS(電壓控制電流源)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)連接至電源軌的電阻的倒數(shù)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)勢在于,在為一個(gè)特定放大器生成模型時(shí),可以標(biāo)注單獨(dú)的極點(diǎn)或極零點(diǎn)對。因而可以查看它們各自對放大器的凈頻率響應(yīng)的影響,這樣極零點(diǎn)調(diào)整變得非常容易。因?yàn)樗蓄l率成形模塊在DC條件下都具有單位增益,所以這個(gè)過程不會(huì)改變模型的DC開環(huán)增益。
圖4中的共模增益級(jí)由兩個(gè)VCCS組成,它們驅(qū)動(dòng)兩個(gè)等值電阻,每個(gè)電阻與一個(gè)電感串聯(lián)連接至其中一個(gè)電源軌。電感仿真大部分放大器隨著輸入頻率增加而表現(xiàn)出的CMRR的典型衰減。輸入共模電壓(相對于Vh節(jié)點(diǎn))控制電流源。每個(gè)控制電流源的gm都等于相關(guān)電阻值除以DC條件下放大器的CMRR的值的倒數(shù)。
所以,從輸入共模網(wǎng)絡(luò)到內(nèi)部共模增益節(jié)點(diǎn)的增益等于放大器的CMRR的倒數(shù)。(“增益”一詞用在這里并不恰當(dāng),因?yàn)楣材T鲆娴闹狄h(yuǎn)小于單位增益)。
SPICE仿真器的發(fā)展
電路仿真器SPICE及其增強(qiáng)版本SPICE2最初是加州大學(xué)伯克利分校在上個(gè)世紀(jì)70年代開發(fā)出來的(見參考文獻(xiàn)4)。最初是為了幫助設(shè)計(jì)工程師在晶體管級(jí)分析集成電路(所以這個(gè)首字母縮略詞是表示:Simulation Program with integrated Circuit Emphasis,集成電路模擬的仿真程序)。相比在實(shí)驗(yàn)室由人力計(jì)算,SPICE支持使用計(jì)算機(jī)評估設(shè)計(jì),其速度更快,也更徹底。SPICE迅速流行,很快傳播到系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)社區(qū),受到IC設(shè)計(jì)人員的青睞。
初版SPICE是一個(gè)公用程序,僅象征性收取少量費(fèi)用;但是,許多軟件供應(yīng)商都意識(shí)到需要一個(gè)完全受支持、可以調(diào)整和不斷改進(jìn)的商用電路仿真器。這類程序的第一個(gè)基于大型機(jī)的版本包括Meta-Software的HSpice、NCSS分時(shí)軟件的I-Spice和電子工程軟件的precision。近來,大部分大型機(jī)版本經(jīng)過調(diào)整可用于工作站,還有一些可用于IBM PC和兼容產(chǎn)品。
SPICE的首個(gè)PC版本是由MicroSim Corp推出的PSpice。之后陸續(xù)推出了其他版本,例如Intusoft推出的IS-Spice。其他公司,包括ADI公司(提供一種名為Saber的行為仿真軟件包)已經(jīng)選擇脫離傳統(tǒng)的SPICE格式,放棄使用“盒裝”電路元件來構(gòu)建模型。相反,Saber基于嚴(yán)格定義的用一種稱為Mast的特定建模語言編寫的方程來控制任何所需電路模型的行為。
電感器在共模增益上增加一個(gè)零點(diǎn),這相當(dāng)于在共模CMRR上增加一個(gè)極點(diǎn)。共模電壓,在經(jīng)過擴(kuò)展和適當(dāng)?shù)念l率成形之后,按照理論要求輸送回輸入級(jí)。這一步通過將輸入級(jí)偏置電壓源變成單位增益電壓控制電壓源來實(shí)現(xiàn),其直流分量等于放大器的VOS。
圖5中并未完全顯示輸出級(jí)的操作。在接收所有適當(dāng)?shù)念l率成形之后,內(nèi)部運(yùn)算放大器輸出信號(hào)顯示為以輸出級(jí)處理之前的最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)的Vh為基準(zhǔn)的電壓。輸出模塊中的兩個(gè)電壓控制電流源驅(qū)動(dòng)兩個(gè)連接至供電軌的等值電阻,就像其他模塊一樣。但是,此時(shí),兩個(gè)電壓控制電流源的gm的排列方式使它們能夠作為有源電流發(fā)生器。所以,每個(gè)gm源產(chǎn)生的電流恰好足以通過并行電阻提供所需壓降。
當(dāng)輸出端沒有負(fù)載時(shí),該模型不會(huì)從任一電源軌吸取電流。所以,它表現(xiàn)得比較像是理想的單位增益B類輸出級(jí),且無交越失真。因?yàn)閮蓚€(gè)電阻的值都等于開環(huán)輸出電阻的兩倍,所以輸出級(jí)看起來就像是以Vh為基準(zhǔn)的電壓源,具有正確的DC輸出電阻。仿真正確的輸出電阻意味著DC開環(huán)增益會(huì)在放大器加載時(shí)適當(dāng)降低。
模型參數(shù)計(jì)算
以下公式可用于構(gòu)建改進(jìn)的宏模型,以實(shí)現(xiàn)任何運(yùn)算放大器仿真。它分別針對每個(gè)可用的構(gòu)建模塊進(jìn)行計(jì)算,并討論了一些電源考量因素。
輸入級(jí)和增益級(jí)計(jì)算
a. 通用計(jì)算
參考圖3來確定此處提到的元件和信號(hào)。首先,選擇IEE,其值要略小于放大器的總靜態(tài)電流。為方便起見,可以將IEE設(shè)置為1mA、100µA、10µA或1µA,
其中fp1 =放大器主極點(diǎn),
AVOL = 開環(huán)直流增益
fp2 = 第二放大器極點(diǎn)
T = 27°C
(兩個(gè)二極管均適用)。
您可以將數(shù)據(jù)手冊中的一些參數(shù)直接運(yùn)用到模型中。這些參數(shù)包括:
EOS =輸入失調(diào)電壓(僅限直流分量);
IOS = 輸入失調(diào)電流;CIN = 輸入電容。
b. 雙極性輸入級(jí)計(jì)算
首先,必須評估以下公式,確定是否可以使用新宏模型對討論的運(yùn)算放大器進(jìn)行建模:
其中VT = 0.02585V(27°C時(shí))。
如果此方程成立,可以繼續(xù)進(jìn)行接下來的計(jì)算。如果不成立,則必須修改模型,使其與特定的運(yùn)算放大器匹配。
其中βF為輸入晶體管的正向電流增益,IBIAS為輸入偏置電流。
其中RID為差分輸入電阻。如果RID不是指定的數(shù)據(jù)手冊參數(shù),則將R1和R2的值設(shè)為5 x 1011Ω。
c. JFET輸入級(jí)計(jì)算
如果設(shè)計(jì)中包含JFET輸入級(jí),則使用柵極至源極截止電壓VTO的默認(rèn)值-2.000V。另外,將第一級(jí)電流源的名稱改為ISS。主要計(jì)算是確定β,即JFET的增益系數(shù):
其中ISS為第一級(jí)尾電流。
為了獲得最大輸出dV/dt,尾電流只能來自差分對的一側(cè);因此需要差分輸入電壓等于:
此外,輸入偏置電流由柵極漏極電流和柵極源極漏電流組成。所以,
其中IBIAS為27℃時(shí)的輸入偏置電流。此外,
其中RID為差分輸入電阻(一般為1 x 1012Ω。
最后,可以將R5和R6的值設(shè)置為零,因?yàn)镴FET輸入放大器通常不需要降級(jí)。
頻率成形級(jí)計(jì)算
要確認(rèn)頻率成形級(jí)的參數(shù),請參見圖4。在所有三類頻率成形級(jí)中,為方便起見,將G3和G4設(shè)置為A/V的1 x 10-6倍。此外,fZ為零點(diǎn)頻率,fp為極點(diǎn)頻率。
然后,在極零點(diǎn)級(jí),
在零極點(diǎn)級(jí),
在極點(diǎn)級(jí),
共模增益級(jí)計(jì)算
要確認(rèn)共模增益級(jí)的參數(shù),請參見圖4。
其中,fCM為共模極。
輸出級(jí)計(jì)算
要確認(rèn)輸出級(jí)的參數(shù),請參見圖5。二極管D7和D8的擊穿電壓標(biāo)稱值設(shè)置為50V。通過實(shí)驗(yàn)確定了電感L5的值。ROUT為開環(huán)輸出阻抗;VT為0.02585V(27°C時(shí));所有二極管的IS均為1 x 10-12A。所以:
可以通過以下公式確定圖3中電阻R9和R10的值:
其中dISY/dVSY表示電源電壓變化引起的電源電流變化。該模型中VCC與VEE之間的總靜態(tài)電流為:
其中,N為該模型中頻率成形和共模增益級(jí)的總數(shù);R一般為1 x 106Ω;此值以及頻率成形級(jí)中G源的跨導(dǎo),可以根據(jù)低功耗運(yùn)算放大器適當(dāng)調(diào)整;
IDC是增加至G1和G2源的直流偏移,以補(bǔ)償模型的剩余部分消耗的電流和 的靜態(tài)電流之間的差值
但是,這種簡單的推挽式輸出級(jí)存在一個(gè)微妙的問題。無論這個(gè)級(jí)是吸電流還是源電流,負(fù)載電流總是均勻分布在兩個(gè)電源軌上,而實(shí)際輸出級(jí)不會(huì)如此。所以,以源負(fù)載電流為例,凈正電源電流的增加幅度只有流入負(fù)載中電流的一半。而負(fù)電源電流則是減少相同的量。為了補(bǔ)償這種異常,會(huì)強(qiáng)制電流從正電源軌流向負(fù)電源軌,數(shù)量正好是負(fù)載電流的一半。這種校正電流必須始終沿著相同的方向流動(dòng)——即使輸出電流的極性相反。
圖6:OP-42宏模型遠(yuǎn)比Boyle模型復(fù)雜,需要更長的仿真時(shí)間,但其精度大幅提高
列表1:OP-42 SPICE宏模型網(wǎng)絡(luò)列表
OP-42宏模型 © PMI 1990
SUBCKT OP-42 1 2 30 99 50
15.9 MHZ時(shí)的輸入級(jí)和極點(diǎn)
45 HZ時(shí)的第二級(jí)和極點(diǎn)
1.80 MHZ/2.20 MHZ時(shí)的極零點(diǎn)對
1.80 MHZ/2.20 MHZ時(shí)的極零點(diǎn)對
53 MHZ時(shí)的極點(diǎn)
53 MHZ時(shí)的極點(diǎn)
53 MHZ時(shí)的極點(diǎn)
100 KHZ時(shí)增益為零的共模增益網(wǎng)絡(luò)
79.6 MHZ時(shí)的極點(diǎn)
輸出級(jí)
使用的模型
JX PJF模型(BETA=999.3E-6 VTO=-2.000 IS=8E-11)
DX模型 D(IS=1E-15)
DY模型 D(IS=1 E-15 BV=50)
ENDS OP-42
因此,圖5中兩個(gè)校正源的作用是在供電軌之間產(chǎn)生一個(gè)等于輸出電流一半的單極性補(bǔ)償電流。在SPICE中,因?yàn)殡y以實(shí)現(xiàn)絕對值VCCS,所以必須具有兩個(gè)線性校正源——一個(gè)校正源對應(yīng)半個(gè)輸出電流周期。與每個(gè)源串聯(lián)的二極管執(zhí)行半波整流,
齊納二極管確保當(dāng)電流反向時(shí),始終為每個(gè)源提供導(dǎo)電路徑。所有這些附加元件最終形成了一個(gè)輸出級(jí)模型,其直流行為非常接近實(shí)際電路的行為。
為了解決發(fā)射極跟隨器輸出級(jí)阻抗隨頻率升高的典型現(xiàn)象,宏模型內(nèi)置一個(gè)輸出電感,連接在中間輸出節(jié)點(diǎn)和實(shí)際宏模型輸出節(jié)點(diǎn)之間(參見圖5)。可以通過在模型上使用容性負(fù)載來確定這個(gè)電感的值,經(jīng)過不斷試驗(yàn)和試錯(cuò),直到過沖量與采用同樣負(fù)載的實(shí)際運(yùn)算放大器極為接近為止。
出色的運(yùn)算放大器宏模型還必須具備短路電流限制特性,在圖5中,通過使用二極管D3和D4以及電壓源V3和V4,將前一個(gè)頻率成形級(jí)的輸出電壓(VF)箝位到中間輸出節(jié)點(diǎn)(V0)來實(shí)現(xiàn)限制。注意,在沒有負(fù)載的情況下,前一級(jí)的信號(hào)始終等于理想的輸出電壓,并且輸出級(jí)就像是具有有限輸出阻抗的電壓源。二極管和電壓源的作用相當(dāng)于箝位有效輸出電阻上的壓降。通過適當(dāng)選擇每個(gè)電壓源,可以獲得所需的輸出限流。
由于新結(jié)構(gòu)的主要目標(biāo)是提高交流精度,因此該模型也必須正確表示共模行為。因此,建模團(tuán)隊(duì)選擇PMI OP-42(JFET輸入運(yùn)算放大器)作為第一個(gè)實(shí)驗(yàn)對象,主要是因?yàn)锽oyle模型無法正常仿真JFET輸入級(jí)。雖然在測試整個(gè)模型之前,該團(tuán)隊(duì)必須計(jì)算出與JFET輸入級(jí)有關(guān)的所有方程,但之后發(fā)現(xiàn),從數(shù)學(xué)角度處理這個(gè)級(jí)相當(dāng)容易,并不妨礙最終的宏模型結(jié)構(gòu)開發(fā)。
圖7:以單位增益、反相配置連接OP-42時(shí),增益響應(yīng)在6MHz左右有一個(gè)小高峰;2MHz之后,相位偏移急劇增加。
圖8:采用新的宏模型,OP-42的仿真增益響應(yīng)(a)與實(shí)際器件非常相似,在4MHz有一個(gè)小峰值。相位響應(yīng)(b)非常不錯(cuò)。這條曲線與實(shí)際器件的曲線非常接近。
圖9:OP-42的Boyle模型(a)在4MHz時(shí),沒有顯示實(shí)際器件所具備的幅度峰值特性。相位響應(yīng)(b)也不是很準(zhǔn)確,特別是在超過10MHz的區(qū)域。
圖10:具有430pF電容負(fù)載的OP-42在500kHz、200mV峰值方波的驅(qū)動(dòng)下顯示過沖和欠沖
圖6顯示隨之得出的結(jié)果。實(shí)際OP-42具有約10MHz的增益帶寬乘積,以及50V/µs的對稱壓擺率。從該放大器的CMRR與頻率關(guān)系曲線可以看出,該模型的共模增益級(jí)需要一個(gè)零點(diǎn)(約100kHz處)。
列表1所示為OP-42宏模型的網(wǎng)絡(luò)列表,它有8個(gè)極點(diǎn)、2個(gè)零點(diǎn),以及在共模增益級(jí)的100kHz處的一個(gè)零點(diǎn)。即使是一個(gè)相對穩(wěn)定的放大器模型也需要這些極點(diǎn)和零點(diǎn),以便準(zhǔn)確地模擬實(shí)際器件在高頻率下的增益和相位行為。
查看網(wǎng)絡(luò)列表的輸出級(jí)部分可知,開環(huán)輸出電阻為45Ω。與輸出端口串聯(lián)的250nH電感可以補(bǔ)償高頻率下有效開環(huán)輸出阻抗的上升。由二極管D3和D4以及電壓源V3和V4組成的限流網(wǎng)絡(luò)將最大輸出電流箝位在約±30mA。
仿真精度比較
圖7顯示作為反相單位增益放大器連接的實(shí)際OP-42的增益和相位響應(yīng),該放大器具有1kΩ輸入和反饋電阻,采用±15V電源供電。在閉環(huán)增益曲線上,可以看到一個(gè)小峰值(約2dB),在超過2MHz之后,相位偏移急劇增加。圖8a和圖8b顯示在相同條件下,新OP-42宏模型的增益和相位響應(yīng)。增益響應(yīng)顯示與實(shí)際電路具有相同的閉環(huán)峰值;相位響應(yīng)與實(shí)際器件的相位響應(yīng)幾乎完全一樣,至少達(dá)到10MHz。
圖9a和9b顯示采用Boyle模型時(shí)的輸出曲線,從中可以明顯看出Boyle模型在響應(yīng)精度方面的缺陷。增益響應(yīng)未出現(xiàn)2dB峰值,表明急劇滾降,在超過10MHz之后,結(jié)果非常不準(zhǔn)確。Boyle模型的相位響應(yīng)與實(shí)際電路的響應(yīng)相去甚遠(yuǎn)。OP-42宏模型采用多個(gè)極零點(diǎn)補(bǔ)碼,可以更準(zhǔn)確地仿真實(shí)際電路的交流響應(yīng)。
圖11:采用新的宏模型仿真OP-42(采用430pF容性負(fù)載)的結(jié)果顯示,該模型的輸出級(jí)具有對稱性
圖12:采用Boyle模型仿真OP-42時(shí),仿真了大約等量的過沖,但其振鈴頻率過低
圖10顯示在430pF容性負(fù)載下,測量的反相單位增益OP-42放大器的瞬態(tài)響應(yīng)。對于400mVp-p輸入信號(hào),大約有75%的過沖和100%的欠沖。新的宏模型仿真結(jié)果(參見圖11)顯示大約115%的過沖和欠沖。這個(gè)仿真值與波形負(fù)半部的實(shí)際值相當(dāng)接近,但與正半部的實(shí)際值不同。對于這種異常,給出的解釋是:盡管新的宏模型的輸出級(jí)完全對稱,但所建模的運(yùn)算放大器可能并非如此。OP-42實(shí)際上具有不對稱、完全由NPN晶體管組成的輸出級(jí)。所以,高頻開環(huán)響應(yīng)是可變的,具體取決于輸出級(jí)是吸電流還是源電流。
Boyle配置也將運(yùn)算放大器的輸出級(jí)建模為完全對稱的電壓源,如圖12所示,它在輸出波形負(fù)半部的欠沖仿真并不正確。它在正半部的仿真與實(shí)際電路非常接近,但是振鈴頻率低于實(shí)際電路。
圖13:除了多了一個(gè)增益級(jí)之外,OP-61的模型示意圖與OP-42類似
列表2:OP-61 SPICE宏模型網(wǎng)絡(luò)列表
OP-61宏模型 © PMI 1989
SUBCKT OP-61 1 2 34 99 50
300 MHZ時(shí)的輸入級(jí)和極點(diǎn)
第一個(gè)增益級(jí)
2.5KHZ時(shí)的第二增益級(jí)和極點(diǎn)
4MHZ / 8MHZ時(shí)的極零點(diǎn)對
85MHZ / 300MHZ時(shí)的零極點(diǎn)對
40MHZ時(shí)的極點(diǎn)
200MHZ時(shí)的極點(diǎn)
200MHZ時(shí)的極點(diǎn)
200MHZ時(shí)的極點(diǎn)
40 KHZ時(shí)增益為零的共模增益網(wǎng)絡(luò)
300MHZ時(shí)的極點(diǎn)
輸出級(jí)
使用的模型
QX NPN模型(BF=1250)
DX模型 D(IS=1E-15)
DY模型 D(IS=1E-15 BV = 50)
ENDS OP-61
Boyle方法本身不支持對非對稱輸出級(jí)行為建模,很遺憾,這種新的宏模型也是如此。但是,這個(gè)缺陷是可以解決的。如果在生成模型的過程中發(fā)現(xiàn)過沖值與欠沖值不同,那么在輸出電感相關(guān)計(jì)算中應(yīng)使用兩個(gè)值中較大的一個(gè)。然后,在容性負(fù)載下,該電感值將會(huì)產(chǎn)生最差情況下的過沖和欠沖結(jié)果。
執(zhí)行時(shí)間比較
假設(shè)宏模型不存在收斂問題,那么SPICE進(jìn)行操作點(diǎn)計(jì)算或生成直流轉(zhuǎn)換曲線所需的時(shí)間很大程度上取決于網(wǎng)絡(luò)列表中指定的電路元件數(shù)量。因此,新的OP-42宏模型的速度幾乎比Boyle模型慢一半,需要進(jìn)行2.27次迭代,才能得出最終的解決方案。對于交流分析案例,情況也是這樣,新的宏模型的運(yùn)行時(shí)間幾乎是Boyle宏模型的兩倍。但是,在仿真交流響應(yīng)時(shí),這兩種模型需要的迭代次數(shù)基本是相同的。
由于所涉因素很多,很難評估瞬態(tài)分析需要多大的計(jì)算量。特別是,新的宏模型會(huì)展示比Boyle模型更多的細(xì)節(jié)。所以,仿真器必須使用更精細(xì)的時(shí)間步長,相應(yīng)地執(zhí)行更多的計(jì)算。但是,模型中大量的理想元件使得模型具有很好的收斂性能。所以,有時(shí)可以通過在單個(gè)時(shí)間步長內(nèi)進(jìn)行更多次迭代來加快分析速度,這樣,仿真器可以保持粗略的時(shí)間步長,并減少回溯次數(shù)。
大多數(shù)SPICE仿真器將瞬變迭代次數(shù)默認(rèn)為10。您可以在.OPTIONS部分將ITL4設(shè)置為一個(gè)更大的數(shù)值(比如40),以覆蓋這個(gè)默認(rèn)值。此外,將RELTOL放寬到0.01(默認(rèn)值通常為0.001),通過略微降低準(zhǔn)確性也可加快運(yùn)行時(shí)間。這種降低是可行的,因?yàn)楹昴P捅旧硪仓皇且环N近似法。但是,請注意,圖11和圖12是在RELTOL設(shè)置為0.001而不是0.01時(shí)生成的,所以曲線會(huì)更為準(zhǔn)確。另一種加快瞬態(tài)分析速度的方法是使用GEAR積分,而不是梯形積分;但是,使用這種積分得出結(jié)果的振蕩幅度要比實(shí)際結(jié)果低得多。
RELTOL使用0.01,ITL4和梯形積分使用40,OP-42宏模型的瞬變運(yùn)行速度比Boyle慢3.64倍,且需要2.15倍迭代。仿真速度雖然大幅降低,但是可以接受,并且精度大大提高,足以抵消這種降低。
OP-61宏模型
OP-61是一種雙極輸入寬帶精密運(yùn)算放大器,典型的增益帶寬積為200MHz(測試頻率為1 MHz時(shí)),壓擺率為40V/µs。圖13所示的這種器件的模型比OP-42的模型稍微復(fù)雜一點(diǎn)。OP-61的共模抑制在比OP-42的CMRR低的頻率下開始滾降,但在1MHz時(shí),其值仍然非常可觀,為80dB。網(wǎng)絡(luò)列表(參見列表2)表明OP-61模型需要9個(gè)極點(diǎn)和2個(gè)零點(diǎn)來模擬開環(huán)頻率響應(yīng),并且共模增益在40kHz時(shí)為零。
注意,這個(gè)模型在差分輸入級(jí)和主增益級(jí)(參見圖13c)之間有一個(gè)額外的增益級(jí)(圖13中的級(jí)b),可以生成放大器主極點(diǎn)。這個(gè)特殊的模型需要額外的增益級(jí),因?yàn)镺P-61不能滿足極限方程要求,該方程涉及雙極性輸入級(jí)的壓擺率、開環(huán)增益和主極點(diǎn)頻率(參見框1)。OP-61模型需要100dB開環(huán)增益和40V/µs壓擺率,但其增益帶寬積(以及由此得出的主極點(diǎn)頻率)太高,無法由單個(gè)級(jí)生成所有開環(huán)電壓增益。
所以,該模型使用兩個(gè)增益級(jí),共同提供所需的100dB增益。第一個(gè)增益級(jí)的增益為200;第二個(gè)為500。必須對第一個(gè)增益級(jí)箝位,以限制施加給第二個(gè)增益級(jí)中電壓控制電流源的最大驅(qū)動(dòng)電壓。這個(gè)箝位操作會(huì)限制傳遞給補(bǔ)償電容C5和C6的峰值電流,從而限制第二個(gè)增益級(jí)的最大dV/dt。
因?yàn)檩斎爰?jí)的最大差分輸出電壓僅為51.6mV,所以第一個(gè)增益級(jí)必須提供較大增益。為了便于對電壓源和二極管進(jìn)行箝位,需要一個(gè)更大的電壓。第一個(gè)增益級(jí)的200增益在擺動(dòng)期間可以產(chǎn)生相對于Vh的±10.32V無阻尼電壓,但是無論使用哪個(gè)供電軌,箝位電路都會(huì)將此值限制為約±5.0V。這種配置支持進(jìn)行可靠箝位,即使電源電壓低至±4.4V,這也導(dǎo)致所需壓擺率為40V/µs。
圖14:將一個(gè)實(shí)際OP-61連接為反相放大器,增益為10時(shí),增益響應(yīng)在10MHz時(shí)顯示達(dá)到3dB峰值。
圖15:OP-61宏模型的仿真增益(a)顯示了在10MHz時(shí)的正確峰值。此外,它在40MHz時(shí)的相位響應(yīng)(b)與實(shí)際器件的響應(yīng)僅偏差10°。
圖16:實(shí)際OP-61連接為反相放大器,且增益為10,容性負(fù)載為207pF時(shí),其瞬態(tài)響應(yīng)不太對稱。輸入信號(hào)為500kHz方波,峰值幅度為10mV。垂直標(biāo)度為0.1 V/div,水平標(biāo)度為0.2µs/div。
圖17:OP-61宏模型仿真的瞬態(tài)響應(yīng)非常接近實(shí)際器件的瞬態(tài)響應(yīng)
仿真精度比較
圖14顯示了配置為反相放大器、增益為10的實(shí)際OP-61的增益和相位響應(yīng)測量值。其中使用了一個(gè)1kΩ反饋電阻、一個(gè)100Ω輸入電阻和±15V電源。在10MHz范圍內(nèi),振幅響應(yīng)出現(xiàn)約3dB的峰值,在10MHz以上,相位偏移急劇增加。對于這些響應(yīng),新的宏模型(參見圖15a和15b)的測量值與OP-61非常一致。增益曲線顯示,在稍高于10MHz的位置,出現(xiàn)了所需的增益峰值(稍微超出2dB)。相位響應(yīng)精度也非常不錯(cuò);在40MHz時(shí),誤差只有10°左右,可能在試驗(yàn)板由于寄生電容和其他物理效應(yīng)導(dǎo)致的偏差范圍內(nèi)。因此,這個(gè)新的宏模型是一個(gè)可以預(yù)測OP-61性能的有用工具,甚至可以在評估試驗(yàn)板之前進(jìn)行預(yù)測。
圖16顯示了OP-61的瞬態(tài)響應(yīng),看起來非常不穩(wěn)定,但該器件正在驅(qū)動(dòng)207pF容性負(fù)載。該波形顯示過沖量和欠沖量之間存在一些不對稱性(180%對比220%),但是OP-61和OP-42一樣,并沒有完全平衡的輸出級(jí)結(jié)構(gòu)。所選的輸出電感(模型中的L5)在很大程度上決定了仿真的瞬態(tài)響應(yīng)與實(shí)際響應(yīng)之間的相似程度。事實(shí)上,圖17所示的仿真產(chǎn)生了對稱的過沖和欠沖(約150%),與圖16相比稍低,但其振鈴頻率則稍高。這種差異對用戶來說并不太重要。但是,如果這很重要,可以稍微增大輸出電感的值,使仿真響應(yīng)更接近實(shí)際器件響應(yīng)。
通過與OP-42(沒有OP-61的Boyle模型)比較,您可以大致了解新OP-61模型的性能。在計(jì)算直流偏置點(diǎn)時(shí),OP-61宏模型比OP-42宏模型更快。但是,進(jìn)行交流響應(yīng)仿真時(shí),OP-61宏模型則比OP-42宏模型慢1.18倍。
進(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)仿真時(shí),OP-61宏模型所花的時(shí)間是OP-42宏模型的1.76倍,迭代次數(shù)是OP-42的1.56倍。在這方面,您應(yīng)該記住,瞬態(tài)運(yùn)行的仿真時(shí)間隨著輸出振蕩的加劇而增加。所以,直接比較OP-42和OP-61的執(zhí)行時(shí)間并不公平,因?yàn)镺P-42的響應(yīng)比OP-61更平緩。
仿真目標(biāo)在不斷改變
計(jì)算機(jī)模型用于對一些物理現(xiàn)象進(jìn)行準(zhǔn)確建模;現(xiàn)象越復(fù)雜,計(jì)算機(jī)執(zhí)行必要計(jì)算所需的時(shí)間就越長。Boyle運(yùn)算放大器模型的目標(biāo)是減少需要仿真的非線性元件的數(shù)量,從而將運(yùn)行時(shí)間縮短至可接受的水平。Boyle模型在建立時(shí)并未考慮到最終準(zhǔn)確性,但它可以正確預(yù)測運(yùn)算放大器的低頻性能,對于當(dāng)時(shí)的低性能器件來說,結(jié)果是令人滿意的。
但是如今,對更高性能的需求日益增長,如果可以準(zhǔn)確預(yù)測新器件的性能,則可以幫助避免設(shè)計(jì)錯(cuò)誤,以免在生產(chǎn)階段因糾正這些錯(cuò)誤耗費(fèi)大量成本。所以,準(zhǔn)確的高頻性能建模至關(guān)重要,在這一領(lǐng)域,Boyle模型無法滿足需求。本文所描述的經(jīng)過改進(jìn)的運(yùn)算放大器宏模型不僅能比Boyle模型更準(zhǔn)確地仿真運(yùn)算放大器的高頻響應(yīng)和瞬態(tài)行為,還不會(huì)耗費(fèi)過多的CPU時(shí)間。如今,擁有了強(qiáng)大的桌面工作站,建模的重點(diǎn)是提高仿真精度,而不是縮短執(zhí)行時(shí)間。所以,新的宏模型提供了良好的折衷方案。
這個(gè)新的宏模型的最大限制因素在于:為了保證SPICE的兼容性,該模型必須以包含實(shí)際電路元件的網(wǎng)絡(luò)列表的形式編寫。一些新仿真器(如ADI公司的Saber)允許您用專門的編程語言來定義模型,無需采用電路類型架構(gòu)。Saber建模語言稱為Mast,與C語言非常類似,可以有效管理內(nèi)部變量。例如,允許完全用數(shù)學(xué)方法來描述新的宏模型的輸出級(jí)。Saber模型不需要SPICE模型用來對輸出級(jí)電流實(shí)施校正的所有二極管和額外源。輸出級(jí)的定義方程會(huì)直接考慮從模型輸出端獲取的任何負(fù)載電流。在不久的將來,新的宏模型很可能會(huì)在Saber中實(shí)現(xiàn)。
參考文獻(xiàn)
1. Boyle, Graeme R., et al, "Macromodeling of Integrated Circuit Operational Amplifiers," IEEE Journal of Solid State Circuits, Vol. sc-9, no. 6, December, 1974.
2. Gray, Paul R. and Robert G. Meyer, Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, John Wiley & Sons, 1977, pp 159-161.
3. ibid, pp 175-177.
4. Laurence W. Nagel,“SPICE2:A Computer Program to Simulate Semiconductor Circuits," U.C.Berkeley Memorandum No. M520, May, 1975.
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