電路仿真揭秘！運(yùn)算放大器建模一次搞定

運(yùn)算放大器電路魅力無窮。采用運(yùn)算放大器構(gòu)建優(yōu)雅的反饋應(yīng)用，是吸引我投身電子設(shè)計(jì)行業(yè)的初衷。仿真作為一種直觀展示電路性能的方式，是研究反饋思路和培養(yǎng)運(yùn)算放大器電路直覺的理想工具。

然而，運(yùn)算放大器電路的仿真卻也帶來令人痛心的諷刺：盡管IC設(shè)計(jì)工程師在運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)中幾乎不可避免地要用到SPICE，但在一些更大的應(yīng)用電路中，使用SPICE來仿真最終的運(yùn)算放大器卻十分困難；或者至少比我想象的困難得多。本文旨在解決這一問題，希望能夠?yàn)檫\(yùn)算放大器建模提供一個(gè)一勞永逸的解決方案。

問題的關(guān)鍵在于：SPICE在晶體管級別的仿真方面表現(xiàn)出色；然而，IC設(shè)計(jì)工程師要盡一切可能，讓人難以分辨運(yùn)算放大器中是否存在晶體管。他們希望您能夠使用運(yùn)算放大器手冊為設(shè)計(jì)提供參考，并且不會因?yàn)榫w管的限制而偏離理想的運(yùn)算放大器性能。而當(dāng)您意識到SPICE中沒有任何原生電路元件的性能與運(yùn)算放大器相似時(shí)，這種諷刺意味就更加明顯。搭建一個(gè)模擬運(yùn)算放大器的模型困難重重，要么可能比原始的晶體管級別模型實(shí)現(xiàn)更難求解，要么會因過于簡化而失去實(shí)用價(jià)值；這是一個(gè)技術(shù)難題。并且，IC制造商并沒有理由了解如何在應(yīng)用層面對運(yùn)算放大器建?！?yàn)檫@根本不是運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)過程的一部分。這就使制造商陷入了尷尬的境地。他們的客戶要求獲得適用于電路設(shè)計(jì)的模型，但制造商通常不具備必要的建模專業(yè)知識。此外，各方利益的沖突也使得情況進(jìn)一步復(fù)雜。制造商希望突出展示其運(yùn)算放大器產(chǎn)品的差異化優(yōu)勢，如更低的偏移和更高的電源抑制比（PSRR）。然而，他們在進(jìn)行這種展示時(shí)，并未考慮到設(shè)計(jì)流程是否能實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)計(jì)。

由于運(yùn)算放大器制造商缺乏建模方面的專業(yè)知識，他們通常選擇與具有專門側(cè)重點(diǎn)的建模咨詢承包商合作。承包商傾向于重復(fù)利用他們的專有模板電路，并僅根據(jù)主極點(diǎn)、相位裕度、輸出電壓范圍等關(guān)鍵要素進(jìn)行調(diào)整。該模板采用稱為“contraptous”的方法，只使用最簡單和最常見的SPICE基本組件來實(shí)現(xiàn)。這種方法對咨詢師而言頗為有利，因?yàn)槠洳槐貫椴煌腎C制造客戶定制不同的模型；同時(shí)這些模型也經(jīng)得起委員會的審查，因?yàn)樗鼈冎皇褂盟蠸PICE程序共有的功能。然而，此類模型的模板通常是在對SPICE求解器工作原理缺乏詳細(xì)了解的情況下編寫的，這導(dǎo)致模型在從一個(gè)仿真環(huán)境遷移到另一個(gè)仿真環(huán)境時(shí)，無論如何都需要進(jìn)行再次調(diào)整。顯然，這種基于現(xiàn)有技術(shù)最低共同點(diǎn)的解決方案并非最佳實(shí)踐。

這些相互競爭的方法導(dǎo)致了復(fù)雜的運(yùn)算放大器模型；此類模型既不正確，又難以在大型電路中求解。首先，讓我們來探討其不正確的原因。以偏移電壓為例；制造商期待模型能夠展示其運(yùn)算放大器在偏移電壓和偏置電流方面優(yōu)于其它公司的產(chǎn)品，并希望模型能夠展示一個(gè)典型的偏移值。但實(shí)際上，IC設(shè)計(jì)人員作為有責(zé)任心的專業(yè)人士，會盡可能地消除偏移。在整個(gè)生產(chǎn)過程中，有些器件會有正偏移，有些具有負(fù)偏移。除非產(chǎn)品設(shè)計(jì)本身存在錯誤，否則不會出現(xiàn)系統(tǒng)性偏移。但是，制造商為了強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品差異化，會要求模型顯示系統(tǒng)偏移電壓。對于這種僅僅為了突出差異化而建立的模型，問題在于，如果優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)需要運(yùn)算放大器來調(diào)節(jié)，那么得到的優(yōu)化點(diǎn)并不正確；并且以模型的偏移電壓為中心還會導(dǎo)致最壞情況下的誤差加倍。您完全可以跳過仿真，直接參考運(yùn)算放大器手冊中的設(shè)計(jì)方法，選擇成本更低的運(yùn)算放大器，并獲得更佳的電路性能。這個(gè)問題還延伸到運(yùn)算放大器建模的其它方面。例如PSRR。IC設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中也盡可能地將其消除。有時(shí)，其幅度可能是已知的（至少從對數(shù)尺度可以看出），但相位信息卻未知。我從未見過將PSRR表示為復(fù)數(shù)的數(shù)據(jù)表。偏移和PSRR不以真實(shí)平均值為中心的錯誤，對于使用多個(gè)運(yùn)算放大器的電路來說尤為嚴(yán)重。我無法想象擁有多個(gè)具備相同偏移和PSRR的運(yùn)算放大器是多么奢侈。

從更深層次上講，這些方法之所以會導(dǎo)致運(yùn)算放大器建模出現(xiàn)如此嚴(yán)重的問題，是因?yàn)檫@些模型通常得不到熟悉仿真設(shè)計(jì)流程人員的支持。IC制造商的應(yīng)用工程師抱怨，客戶不會觀察輸入共模范圍之類的參數(shù)，卻要求對其“建?！薄Ｈ欢?，就設(shè)計(jì)流程而言，如果在沒有模擬輸入共模范圍的情況下進(jìn)行仿真，然后在電路運(yùn)行過程中檢查是否超出輸入共模范圍，通常更為合理。這與擊穿電壓的處理方式類似；除非設(shè)備屬于雪崩級（即在部署時(shí)會安全擊穿），否則最好不要在仿真中包含擊穿電壓，而是讓電壓自由變化，并讓仿真設(shè)備承受一切可能的問題。待仿真完成后再審核結(jié)果，以查看是否有超過額定電壓的情況。否則，就很難知道是否發(fā)生了擊穿；設(shè)計(jì)流程甚至可能會產(chǎn)生一個(gè)在某些器件燒毀冒煙后才起作用的設(shè)計(jì)。

上述段落包含了一個(gè)爭議點(diǎn)：IC制造商的應(yīng)用工程師可能會輕視客戶的設(shè)計(jì)能力。這也是人之常情，因?yàn)橐粋€(gè)只負(fù)責(zé)支持自己IC項(xiàng)目的人，自然很容易對那些不太熟悉這些IC的用戶評頭論足。但在某種程度上，我們必須認(rèn)識到，這些IC制造商的應(yīng)用工程師并不會像他們的客戶那樣購買大量在公開市場流通且必須在競爭中生存下來的元器件。出于這個(gè)原因，從最終分析來看，我并不認(rèn)為客戶比自己更笨，甚至于我可能最終都找不到比我更笨的人了。我所編寫的每一個(gè)仿真器都是為了讓人們感覺自己很聰明，讓他們能夠使用工具來培養(yǎng)對所設(shè)計(jì)電路的理解。

說了這么多，讓我們回歸主題。為了簡化運(yùn)算放大器建模，QSPICE包含了一個(gè)全新的原生電路元件。它作為一個(gè)跨導(dǎo)，從電源軌獲取電流（而不是神奇地作為自己的電源運(yùn)行）；當(dāng)輸出接近電源軌時(shí)，它會像滿足平方律關(guān)系的FET一樣轉(zhuǎn)換為電阻。其功能與軌至軌輸出（RRO）運(yùn)算放大器精心設(shè)計(jì)的互補(bǔ)接地源輸出級類似。

內(nèi)部補(bǔ)償RRO運(yùn)算放大器的常見拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括一個(gè)從該輸出到內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的米勒倍增電容。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也是QSPICE中一個(gè)原生電路元件。本仿真演示了如何提取QSPICE RRO運(yùn)算放大器原生電路元件的開環(huán)響應(yīng)：

R1的值是“1 AC 1T”。這意味著對于直流解決方案，它表現(xiàn)為1Ω的電阻；但從交流角度分析，它呈現(xiàn)為1e12Ω的電阻。相反，R2在直流解決方案中為1e12Ω的電阻，而從交流角度分析則成為1Ω的電阻。針對交流和直流使用不同阻值的功能源自HSPICE，并且常作為電壓跟隨器來用于求解偏置點(diǎn)，之后直接在開環(huán)中進(jìn)行交流分析。實(shí)例參數(shù)Avol、GBW、Slew和Phi分別表示開環(huán)電壓增益、增益帶寬、壓擺率和相位裕度。由于RRO具有高阻抗輸出，電壓增益基本上可達(dá)到無限大。這就是為什么需要引入?yún)?shù)Rload來指定用于測量開環(huán)電壓增益的負(fù)載阻抗。

我們可使用簡單推導(dǎo)的方程式來設(shè)置RRO運(yùn)算放大器設(shè)備。在波形窗口中，光標(biāo)設(shè)置為5MHz，但增益為1.4dB而非零，相移為58°而非60°。此時(shí)，我們可以調(diào)整實(shí)例參數(shù)GBW和Phi以匹配所需的運(yùn)算放大器。

RRO器件支持對完整運(yùn)算放大器進(jìn)行建模所需的所有參數(shù)：主極點(diǎn)、相位裕度、隨機(jī)噪聲、輸入電容（包括正常和共模電容）、電壓和電流輸出能力等。以下是實(shí)例參數(shù)的完整列表：

另外，沒錯；您也可以直接為其設(shè)置一個(gè)偏移電壓作為實(shí)例參數(shù)，以確定器件精度和散射的影響。

接下來讓我來解釋一下輸入電容，即CAPINCM和CAPINNM。CAPINCM表示當(dāng)兩個(gè)輸入同時(shí)驅(qū)動時(shí)的電容，而CAPINNM是差分驅(qū)動時(shí)的電容。這并不是輸入端之間的電容，而是在正常模式穩(wěn)定性分析中需要關(guān)注的電容。值得注意的是，一些IC制造商會錯誤地將數(shù)據(jù)表中引腳對引腳的電容列為正常模式電容。

QSPICE RRO運(yùn)算放大器器件解決了幾個(gè)問題。其不僅讓每個(gè)人都能通過簡單的數(shù)值填寫成為運(yùn)算放大器建模專家，還確保了建模和未建模的部分完全透明，讓您深入了解模型的運(yùn)作。當(dāng)然，除了強(qiáng)大的原生電路元件，QSPICE也支持快速、便捷地從第三方導(dǎo)入歷經(jīng)驗(yàn)證的各種模型，以幫助開發(fā)者減少重復(fù)工作量、實(shí)現(xiàn)更豐富的仿真功能。歡迎小伙伴們點(diǎn)擊下方視頻了解~

對于一些人來說，QSPICE RRO運(yùn)算放大器設(shè)備的高速運(yùn)算性能至關(guān)重要。求解電路所需的時(shí)間更多地取決于求解方程的數(shù)量，而非器件的數(shù)量。您可以通過在SPICE仿真中添加“.options acct”來確定求解電路所需的方程數(shù)量。因此，為計(jì)算運(yùn)算放大器模型中的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)數(shù)，可以在一個(gè)空白原理圖中放置一個(gè)模型實(shí)例，并將所有引腳接地。隨后，運(yùn)行任意仿真并檢查控制臺輸出；輸出應(yīng)顯示為“Circuit Equations： 2（電路方程：2）”，這意味著QSPICE的RRO運(yùn)算放大器器件包含兩個(gè)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)。相比之下，在通用工業(yè)運(yùn)算放大器模型上進(jìn)行的同樣測試，通常需要40到150個(gè)方程。如果您只仿真幾個(gè)運(yùn)算放大器，這些并不重要，但當(dāng)您將系統(tǒng)的其它部分用作運(yùn)算放大器電路的測試矢量時(shí)，它便變得重要起來。

QSPICE的RRO運(yùn)算放大器器件還讓您能夠研究電路在溫度條件變化下的性能，而一般供應(yīng)商提供的運(yùn)算放大器模型則無法做到這一點(diǎn)。使用簡單的電阻反饋網(wǎng)絡(luò)時(shí)，相位偏移可能會先于幅度偏移發(fā)生，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集錯誤。

本示例展示了如何在GBW中添加溫度相關(guān)性：

我只是將GBW的值設(shè)定為一個(gè)包含其溫度系數(shù)（tempco）的表達(dá)式。

在信號調(diào)理過程中，運(yùn)算放大器GBW的溫度相關(guān)性可能引發(fā)的誤差很容易超過無源元件因溫度相關(guān)性而產(chǎn)生的誤差。例如，指定25ppm/°C的電阻很簡單；但假設(shè)我們選擇10ppm/°C，則在-40°C到150°C的溫度范圍內(nèi)會產(chǎn)生0.2%的誤差。在這個(gè)仿真中我們可以看到，在假設(shè)20kHz的分析頻率下（這種頻率可能用于石油勘探等場景），幅值誤差為3.2%，相位誤差為8°。下圖為增益隨溫度變化的曲線圖，這里僅考慮了運(yùn)算放大器GBW溫度相關(guān)性的影響：