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兼容SPICE的运算放大器宏模型2
发布时间:2021-07-21        浏览次数:151        返回列表
 列表1OP-42 SPICE宏模型网络列表

OP-42宏模型       © PMI 1990

SUBCKT OP-42 1 2 30 99 50

15.9 MHZ时的输入级和极点

 

45 HZ时的第二级和极点

 

1.80 MHZ/2.20 MHZ时的极零点对

 

1.80 MHZ/2.20 MHZ时的极零点对

 

53 MHZ时的极点

 

53 MHZ时的极点

 

53 MHZ时的极点

 

100 KHZ时增益为零的共模增益网络

 

79.6 MHZ时的极点

 

输出级

 

 

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,图5中两个校正源的作用是在供电轨之间产生一个等于输出电流一半的单极性补偿电流。在SPICE中,因为难以实现值VCCS,所以必须具有两个线性校正源——一个校正源对应半个输出电流周期。与每个源串联的二极管执行半波整流,

齐纳二极管确保当电流反向时,始终为每个源提供导电路径。所有这些附加元件最终形成了一个输出级模型,其直流行为非常接近实际电路的行为。

为了解决发射极跟随器输出级阻抗随频率升高的典型现象,宏模型内置一个输出电感,连接在中间输出节点和实际宏模型输出节点之间(参见图5)。可以通过在模型上使用容性负载来确定这个电感的值,经过不断试验和试错,直到过冲量与采用同样负载的实际运算放大器极为接近为止。

出色的运算放大器宏模型还必须具备短路电流限制特性,在图5中,通过使用二极管D3和D4以及电压源V3和V4,将前一个频率成形级的输出电压(VF)箝位到中间输出节点(V0)来实现限制。注意,在没有负载的情况下,前一级的信号始终等于理想的输出电压,并且输出级就像是具有有限输出阻抗的电压源。二极管和电压源的作用相当于箝位有效输出电阻上的压降。通过适当选择每个电压源,可以获得所需的输出限流。

由于新结构的主要目标是提高交流精度,因此该模型也必须正确表示共模行为。因此,建模团队选择PMI OP-42(JFET输入运算放大器)作为个实验对象,主要是因为Boyle模型无法正常仿真JFET输入级。虽然在测试整个模型之前,该团队必须计算出与JFET输入级有关的所有方程,但之后发现,从数学角度处理这个级相当容易,并不妨碍最终的宏模型结构开发。

图7 - 兼容SPICE的运算放大器宏模型

 

图7:以单位增益、反相配置连接OP-42时,增益响应在6MHz左右有一个小高峰;2MHz之后,相位偏移急剧增加。
图8 -兼容SPICE的运算放大器宏模型

 

图8:采用新的宏模型,OP-42的仿真增益响应(a)与实际器件非常相似,在4MHz有一个小峰值。相位响应(b)非常不错。这条曲线与实际器件的曲线非常接近。
图9 -兼容SPICE的运算放大器宏模型

 

图9:OP-42Boyle模型(a)4MHz时,没有显示实际器件所具备的幅度峰值特性。相位响应(b)也不是很准确,特别是在超过10MHz的区域。
图10 - 兼容SPICE的运算放大器宏模型

 

图10:具有430pF电容负载的OP-42500kHz200mV峰值方波的驱动下显示过冲和欠冲

图6显示随之得出的结果。实际OP-42具有约10MHz的增益带宽乘积,以及50V/µs的对称压摆率。从该放大器的CMRR与频率关系曲线可以看出,该模型的共模增益级需要一个零点(约100kHz处)。

列表1所示为OP-42宏模型的网络列表,它有8个极点、2个零点,以及在共模增益级的100kHz处的一个零点。即使是一个相对稳定的放大器模型也需要这些极点和零点,以便准确地模拟实际器件在高频率下的增益和相位行为。

查看网络列表的输出级部分可知,开环输出电阻为45Ω。与输出端口串联的250nH电感可以补偿高频率下有效开环输出阻抗的上升。由二极管D3和D4以及电压源V3和V4组成的限流网络将最大输出电流箝位在约±30mA。

 

仿真精度比较

图7显示作为反相单位增益放大器连接的实际OP-42的增益和相位响应,该放大器具有1kΩ输入和反馈电阻,采用±15V电源供电。在闭环增益曲线上,可以看到一个小峰值(约2dB),在超过2MHz之后,相位偏移急剧增加。图8a和图8b显示在相同条件下,新OP-42宏模型的增益和相位响应。增益响应显示与实际电路具有相同的闭环峰值;相位响应与实际器件的相位响应几乎完全一样,至少达到10MHz。

图9a和9b显示采用Boyle模型时的输出曲线,从中可以明显看出Boyle模型在响应精度方面的缺陷。增益响应未出现2dB峰值,表明急剧滚降,在超过10MHz之后,结果非常不准确。Boyle模型的相位响应与实际电路的响应相去甚远。OP-42宏模型采用多个极零点补码,可以更准确地仿真实际电路的交流响应。

图11 -兼容SPICE的运算放大器宏模型

 

11采用新的宏模型仿真OP-42(采用430pF容性负载)的结果显示,该模型的输出级具有对称性
图12 -兼容SPICE的运算放大器宏模型

 

12采用Boyle模型仿真OP-42时,仿真了大约等量的过冲,但其振铃频率过低

图10显示在430pF容性负载下,测量的反相单位增益OP-42放大器的瞬态响应。对于400mVp-p输入信号,大约有75%的过冲和的欠冲。新的宏模型仿真结果(参见图11)显示大约115%的过冲和欠冲。这个仿真值与波形负半部的实际值相当接近,但与正半部的实际值不同。对于这种异常,给出的解释是:尽管新的宏模型的输出级完全对称,但所建模的运算放大器可能并非如此。OP-42实际上具有不对称、完全由NPN晶体管组成的输出级。所以,高频开环响应是可变的,具体取决于输出级是吸电流还是源电流。

Boyle配置也将运算放大器的输出级建模为完全对称的电压源,如图12所示,它在输出波形负半部的欠冲仿真并不正确。它在正半部的仿真与实际电路非常接近,但是振铃频率低于实际电路。

图13 -兼容SPICE的运算放大器宏模型

 

图13:除了多了一个增益级之外,OP-61的模型示意图与OP-42类似


 

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