<
  • Главная
Статьи

Ідеалізована PSpice модель повністю диференціального операційного підсилювача. Частина 1

Журнал РАДІОЛОЦМАН, травень 2016

Олег Петраков, м.Москва

У статті пропонуються ідеалізовані макромоделі повністю диференціальних операційних підсилювачів для електронної САПР OrCAD, що має потужну підсистему моделювання на базі PSpice. Це дозволяє більш ефективно моделювати деякі проекти, для яких важлива можливість точно оцінити вплив зовнішнього обв'язки повністю диференціального операційного підсилювача на характеристики проектованого пристрою.

Ідеалізовані моделі операційних підсилювачів (ОУ) дуже затребувані для моделювання. Причина цього в тому, що більшість теоретичних викладок щодо властивостей схем із застосуванням ОУ зроблено в припущенні ідеальності ОУ. Тому ідеальні моделі незамінні, коли потрібно обкатати ідею або звіритися з теорією застосування ОУ. В силу простоти, такі моделі працюють дуже швидко. Надалі можна вибрати для цієї ж схеми PSpice модель реально виробленого ОУ, але працювати схема вже буде з урахуванням параметрів неідеальної обраного ОУ. Після це в деяких випадках потрібно скорегувати номінали радіоелементів, щоб повернути схемою розрахункові параметри.

У OrCAD v16.6 є модель ідеалізованого операційного підсилювача OPAMP (Малюнок 1), яка знаходиться в бібліотеці analog.olb. За замовчуванням встановлено такі значення посилення і напруги живлення ОП, відповідно: GAIN = 1MEG, VPOS = + 15V, VNEG = -15V. За умовчанням параметри моделі OPAMP приховані від показу. Однак вони стануть відображатися на схемі, якщо увійти в меню Edit / Properties (Редагування властивостей) і за допомогою кнопки Display зробити видимими Name and Value (Ім'я та значення параметрів). Робота моделі OPAMP описується шаблоном PSpice Template (Малюнок 1), в якому записано математичний вираз на мові PSpice, що використовує функцію LIMIT. Функція LIMIT потрібно, щоб обмежити вихідна напруга цієї моделі ОУ в діапазоні напруг живлення реального ОУ (VNEG, VPOS). Стандартне харчування ОУ одно ± 15 В.

Однак в OrCAD v16.6 (як і в більш древніх версіях [1, 2, 3, 4, 5]) немає ідеалізованих моделей повністю диференціальних ОП [7, 8] з властивостями, аналогічними моделі OPAMP. (В Micro-CAP теж немає таких моделей). Це обмежує можливість моделювання деяких схем, для яких може знадобитися точно оцінити вплив зовнішнього обв'язки повністю диференціального ОУ на характеристики проектованого пристрою.

У простій повністю диференційний ОУ, УДО якого показано на рисунку 2, доданий ще один вихід. Сигнали на другому виході знаходяться в протифазі з сигналами на першому виході, і, подібно до входів ОУ, виходи повністю диференціального ОУ називаються інвертуючим і неінвертірующего.

Сучасний повністю диференційний ОУ, УДО якого показано на рисунку 3, має ще один додатковий висновок - VOCM, який служить для управління рівнем синфазного вихідного напруги.

Параметри GAIN, VNEG, VPOS у пропонованих моделей за замовчуванням приховані від показу. На показ вони викликаються так само, як було описано для моделі OPAMP. Природно, ці параметри можна змінювати.

Загальна структурна схема повністю диференціального ОУ показана на рисунку 4 [11]. Схема включає диференційний підсилювальний каскад, який допускає регулювання режимних параметрів, схему виділення синфазного сигналу і підсилювач помилки. (Підсилювач різниці між встановленою величиною вихідного синфазного сигналу і його реальним миттєвим значенням).

Головною особливістю повністю диференціального ОУ є наявність ланцюга негативного зворотного зв'язку по синфазному сигналу. Її відсутність фактично призводить до невизначеності рівнів вихідних напруг, як у статиці, так і в динаміці. Дійсно, вихідний синфазний сигнал визначається режимними параметрами кінцевих каскадів, які, в свою чергу, залежать від рівня вхідного синфазного сигналу, напруги харчування, технологічного розкиду параметрів компонентів, температури і інших чинників.

Ланцюг ОС по синфазному сигналу включає елементи, які виконують такі функції: визначення поточного рівня синфазної складової вихідного сигналу, порівняння його з опорною напругою VOCM і корекція напруги усунення тих каскадів підсилювача, які визначають величину синфазного сигналу на виході.

Дуже важливим є точне виділення синфазной компоненти миттєвого значення вихідної напруги. Присутність в сигналі ОС певного рівня диференціальної складової може викликати зниження стійкості повністю диференціального ОУ через наявність петлі позитивної ОС для диференціального сигналу - між точкою докладання ОС для синфазного сигналу і одним з виходів. Найбільшою мірою цей ефект проявляється на високих частотах при великому рівні вхідного і вихідного сигналів, наприклад, при використанні підсилювачів в схемі ПВЗ або буфера АЦП, тобто, як раз там, де вони найчастіше застосовуються. Одне з основних правил проектування полягає в тому, що швидкодія ланцюга ОС по синфазному сигналу не повинно бути нижче швидкодії основного тракту повністю диференціального ОУ.

Створення і тестування макромоделі простого повністю диференціального ОУ без входу зміщення VOCM

Для початку побудуємо поведінкову модель простого повністю диференціального ОУ без входу зміщення (Малюнок 5). Для цього будемо використовувати блоки поведінкового моделювання EVALUE з бібліотеки AMB.olb [3, 6]. Відповідно до Малюнком 4 Блоки E1, E2 - регульований каскад, блок E4 - схема виділення синфазного сигналу, блоці E3 - підсилювач помилки. Поведінкові блоки E1 і E2, за аналогією з PSpice Template моделі OPAMP (Малюнок 1), описуються виразом (1) на мові PSpice.

LIMIT (V (% IN +,% IN-) * GAIN, VNEG, VPOS) (1)

Директивою PARAMETERS в схемі можна управляти чисельними значеннями параметрів виразу (1).

Схема намальована в такий спосіб, щоб було зручно зробити екстракцію PSpice макромоделі повністю диференціального ОУ. Для екстракції заготовки макромоделі потрібно згенерувати NET-лістинг (Лістинг 1) у OrCAD Capture. (Навіть якщо транслятор в PSpice NET-лістинг видасть повідомлення про помилку, треба продовжити трансляцію NET-лістингу, вона все одно відбудеться). Цю заготовку треба оформити як макромодель за правилами PSpice і створити умовне графічне зображення, щоб використовувати її в схемних проектах. Готова PSpice макромодель простого повністю диференціального ОУ представлена ​​в лістингу 2. Макромодель отримала ім'я OPAMPD1.

лістинг 1

* Source ORCAD_166
E_E1 0 OUT- VALUE {LIMIT (V (IN +, 1) * GAIN, VNEG, VPOS)}
E_E2 OUT + 0 VALUE {LIMIT (V (1, IN -) * GAIN, VNEG, VPOS)}
E_E3 1 0 VALUE {V (0,2) * GAIN}
E_E4 2 OUT + OUT- OUT + 0.5
.PARAM vneg = -15 vpos = 15 gain = 1e6

лістинг 2

* $
* Device type: Completely differential operational amplifier
* Device name: OPAMPD1
* Aythor: Petrakov Oleg [email protected]
* Date: 25 January 2016
.SUBCKT OPAMPD1 IN + IN- OUT + OUT- PARAMS: GAIN = 1E6 VNEG = -15 VPOS = 15
E1 0 OUT- VALUE {LIMIT (V (IN +, 1) * GAIN, VNEG, VPOS)}
E2 OUT + 0 VALUE {LIMIT (V (1, IN -) * GAIN, VNEG, VPOS)}
E3 1 0 VALUE {V (0,2) * GAIN}
E4 2 OUT + OUT- OUT + 0.5
.ENDS
* $

На рисунку 6 показана основна схема включення простого повністю диференціального ОУ [9]. Результат моделювання (Малюнок 7) показує, що робота схеми відповідає розрахунковому співвідношенню (2) [7], що підтверджує правильність роботи моделі OPAMPD1 для цього випадку.

Попутно зауважимо, що пропоновані поведінкові моделі OPAMPD1 і OPAMPD2 в линеаризировать вигляді (без функції LIMIT) дозволяють використовувати ці моделі для аналітичного розрахунку і синтезу різних фільтруючих і перетворюють пристроїв. Використання сучасних систем комп'ютерної математики перетворює такі завдання на розвагу.

Для теоретичного підтвердження справедливості вираження (2) для лінеаризованої поведінкової моделі OPAMPD1 скористаємося системою комп'ютерної математики Maple з пакетом розширення MSpice [13]. На рисунку 8 представлена ​​основна схема включення повністю диференціального ОУ з використанням поведінкової моделі OPAMPD1.

На основі NET-лістингу, що генерується OrCAD Capture, складемо систему рівнянь Кірхгофа для схеми (Малюнок 8) і вирішимо їх.

> Restart: with (MSpice):
ESolve ( `ORCAD_166-PSpiceFiles / SCHEMATIC1 / SCHEMATIC1.net`);

система Кирхгофа

система Кирхгофа

MSpice v9.24: [email protected]
Задані джерела: [V1_SIN]
Задані вузли: {}
Отримано рішення:
V_NET: = [V1, V2, V3, V4, VINN, VINP, VOUTN, VOUTP]:
J_NET: = [JR1, JR2, JR3, JR4, JV1_SIN]:

Знайдемо коефіцієнт передачі по напрузі

> K: = simplify ((VOUTN-VOUTP) / (V3-V4));

> K: = simplify ((VOUTN-VOUTP) / (V3-V4));

Знайдемо коефіцієнт передачі по напрузі при нескінченному посиленні

> До: = Limit ( 'K', GAIN = infinity) = limit (K, GAIN = infinity);

Зазвичай R2 = R1, R4 = R3, тоді

Ці результати узгоджуються з [7] і результатами моделювання аналогічної схеми Малюнок 6, Малюнок 7.

Проведемо тест моделі OPAMPD1 в схемі перетворення несиметричних сигналів в диференціальні (Малюнок 9). Це потрібно, наприклад, для формування вхідних сигналів аналого-цифрових перетворювачів з диференціальними входами. Результат моделювання (Малюнок 10) узгоджується з [7], що підтверджує правильність роботи моделі.

закінчення



Новости
  • Виртуальный хостинг

    Виртуальный хостинг. Возможности сервера распределяются в равной мере между всеми... 
    Читать полностью

  • Редизайн сайта

    Редизайн сайта – это полное либо частичное обновление дизайна существующего сайта.... 
    Читать полностью

  • Консалтинг, услуги контент-менеджера

    Сопровождение любых интернет ресурсов;- Знание HTML и CSS- Поиск и обновление контента;-... 
    Читать полностью

  • Трафик из соцсетей

    Сравнительно дешевый способ по сравнению с поисковым и контекстным видами раскрутки... 
    Читать полностью

  • Поисковая оптимизация

    Поисковая оптимизация (англ. search engine optimization, SEO) — поднятие позиций сайта в результатах... 
    Читать полностью