Global Sources
電子工程專輯
 
電子工程專輯 > 測試與測量
 
 
測試與測量  

利用Pspice通用測試電路實現關鍵參數模擬

上網時間: 2006年11月09日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:Pspice  通用測試電路  開環增益  相位邊際  迴轉率 

過去幾年來,Spice模型獲得了廣泛應用。IC製造商正努力向客戶提供精確的模型;而系統設計工程師則日益要求採用更加精確的模型,這些都促進了Spice巨集模型的創新。許多IC公司都自詡擁有最佳或擁有革命性新特性的模型,但他們往往未能向用戶提供用於驗證其巨集模型精確度的測試電路。最常用的模型應該是運算放大器巨集模型,精確的運算放大器巨集模型非常有用,但對於一般用戶而言,使用這種模型會帶來嚴重的問題。

大多數系統設計工程師在將運算放大器巨集模型整合到一個複雜電路中之前,都會自行對其進行測試。但不幸的是,面對錯誤的模擬結果,系統設計師會直接向IC製造商的應用工程師抱怨,他們開發的模型毫無用處,而當IC製造商的應用工程師試圖瞭解模型執行的具體情況時,得到的回答卻是‘哦,在採用你們競爭對手提供的另一種模型時,我的電路就能得出正確的結果。’

事實是,每一種模型都不盡相同,其中一些可能無法支援某種特定設置。因此,最好的辦法不是釐清各個運算放大器巨集模型存在的缺陷,而是提供一套能支援任何運算放大器巨集模型的通用測試電路

巨集模型的區別主要在於其測試參數的複雜程度,模型的任務是模擬運算放大器認為與應用相關的參數。例如,對於軌對軌輸出運算放大器,用戶需要測試並驗證輸出飽和電壓與負載電流的關係。同樣地,低噪音放大器應該有一個至少能模擬電壓噪音的模型。除了他們之間的差異,各種放大器巨集模型也可以模擬一些相同的參數。在執行模擬時,往往是從以下的各項參數開始。

需測試的參數

開環增益相位邊際 系統設計師在評估其放大器巨集模型的性能時,一般會先測試其開環增益與頻率的關係。這個測試非常重要,因為設計師可以利用一個簡單的小電路瞭解模型的DC增益、-3dB頻率、交叉頻率(如果是電壓反饋放大器,則為增益頻寬乘積)與相位邊際。

圖1所示為測試電路,RC網路確保在適當的DC電壓下產生輸出偏流。在較高頻率下,電容器會將反向輸入短路接地,使運算放大器處於開環狀態。這個電路採用了一個較大的電容器,以盡快降低增益(f=2πRC)。因此,即便被測運算放大器的主極點頻率極低,用戶也可以模擬並實現平穩的變化。


圖1A:開環增益和相位測試電路


圖1B:開環增益和相位模擬


圖1C:開環增益和相位測試結果

在測試開環增益和相位時,用戶選擇的頻率範圍應高於放大器的單位增益頻寬。在使用軌對軌輸出模型時,用戶必須向測試電路施加數據表中規定的負載,否則模擬結果可能發生錯誤,尤其是DC增益(AOL=gmRL)。

迴轉率 迴轉率是放大器速度參數,所有模型都應能模擬這個參數。迴轉率等於末端電流與補償電容器的比。根據所用的巨集模型,用戶可以將決定迴轉率的電容器置於輸入埠或者一個單獨的網路中。

我們已經知道Idt=Cdv,因此可直接利用圖2所示電路,根據輸出值計算迴轉率。用戶只需要利用插入命令,在探棒螢幕上顯示的輸出電壓值之前鍵入字母‘d’。


圖2A:迴轉率測試電路


圖2B:迴轉率模擬

在執行迴轉率模擬時,請確保將模型設為瞬態,使輸入訊號具備足夠快的上升時間和下降時間,不會對迴轉率造成限制。同時,用戶必須根據運算放大器的速率選擇相應輸入訊號頻率。輸入訊號頻率過高會導致收斂問題。

CMRRPSRR 雖然部份模型不能模擬這兩個參數,但這兩個參數很重要。通常,CMRR(共模抑制比)和PSRR(電源抑制比)通常能輕易地由一個RC網路、一個電阻分壓器和一個電壓控制電壓源構成的模型來實現。

由於調變的關係,CMRR在非反向配置中顯得特別重要。此外,在任何應用中,若供給電壓很容易受到干擾,則PSRR就顯得非常重要。

圖3和圖4的測試電路可讓用戶模擬這兩個參數。如果正確地模擬了這兩個參數,那麼極點和零點位置應與數據表中的曲線圖一致。


圖3A:CMRR測試電路


圖3B:CMRR響應與訊號頻率關係模擬


圖4A:PSRR測試電路


圖4B:PSRR響應與訊號頻率關係模擬

輸出阻抗 技術文件的數據表中通常不包含這個參數,但有時必須測試這個參數。如果建模正確,用戶將能透過輸出阻抗更精確地計算出放大器在驅動電容器性負載時的設定時間。

當穩定的補償方案成為設計考量之一時,就必須根據輸出阻抗計算出適當的元件值。圖5的測試電路為用戶提供了頻域內不同增益的3種曲線。輸出電壓與1A供給電流的比即為輸出阻抗。


圖5A. 輸出阻抗測試電路,增益分別為1、10和100


圖5B. 輸出阻抗模擬

電壓和電流噪音 在放大器巨集模型設計改進方面,電壓和電流噪音的改善較為顯著。目前的一些模型能讓用戶利用其閃爍噪音(flicker noise)組件模擬電壓噪音,並精確地模擬電流噪音。在巨集模型中實現噪音建模不會消耗太多運算能力或模擬時間,困難之處在於用戶必須計算出正確的方程式,才能使電壓噪音密度曲線具備類似於數據表曲線圖的1/f拐點。

利用對數指標(log scale)上的電壓隨耦器(供給電壓為0V)輸出值,用戶可輕鬆測試電壓噪音密度。用戶還可以利用這個電路,在非反向輸入端串聯一個帶有非線性終端的100kΩ電阻,以模擬電流噪音密度。注意必須將探棒窗口(probe window)顯示的測得結果除以100E3,或用戶選用的其他電阻值。選用的電阻值越高,產生的電流噪音越顯著,相較之下,電壓噪音和熱噪音變得微不足道。

還必須在Pspice的分析設定窗口中指定輸出電壓。在圖6A中,V為輸出電壓、Vin為輸入電壓,並查核了‘噪音啟用’選項。


圖6A:電壓噪音密度測試電路


圖6B:電壓噪音密度模擬

輸入偏置電流與輸入偏移電壓 這兩個參數大概是最容易建模的參數。輸入偏移電壓可輕鬆實現為輸入端的受控供給電壓,其電壓值來自技術文件的數據表。


圖7A:電流噪音密度測試電路


圖7B:電流噪音密度模擬

用戶甚至可利用前述的任何電路來測試Vos和IB,只需啟用Pspice中的電壓和電流探棒,就可獲得如圖8的電路。其中,輸入偏置電流為1.5pA,輸入偏移電壓為1.48mV(注意,源電流為1.15mA@±2.5V)。


圖8:輸入偏置電流和偏移電壓測試電路

飽和輸出電壓 這個參數有時也被稱為壓差,在軌對軌輸出模型中特別重要,因為它顯示了輸出隨負載電流改變而變化,可協助用戶選擇適當的運算放大器,特別是在負載較高或需要支援動態範圍的情況下。

這個測試電路採用了一個簡單的直流掃描分析,利用兩個數值相等正負相反的輸入電壓,分別複製源電流並降低負載電流。

源電流與供給電壓 利用圖9所示的測試電路,用戶可以掃描源電流,檢測放大器在不同的供給電壓下將消耗多少電流。對於功耗敏感的應用,這個測試尤為重要。用戶可輕易在模型中加入源電流曲線斜率。


圖9:源電流與供給電壓

過衝和瞬態響應 圖10的測試電路有兩項用途:測試瞬態響應(不論是小訊號還是大訊號)和過衝。過衝參數顯示了放大器在驅動電容器性負載時的振盪情況。過衝是一個時域穩定性參數,等於頻域內的峰值。有些巨集模型使用額外的被動元件來精確模擬過衝,但一般而言,只要相位邊際是精確的,則過衝就應接近精確值。


圖10:衝測試電路

用戶還可以利用這個測試電路檢測瞬態響應,且無需使用100pF電容器。不過有些數據表可能要求在測量小訊號瞬態響應時用一個較小的電容器作為負載,此時請使用數據表中規定的電容器。

共模電壓範圍 共模電壓範圍(CMVR)參數顯示了輸入訊號電壓的範圍,以及該輸入訊號電壓與供給電壓之間的差距。圖11A所示的第一個測試電路採用了一個電壓控制電源。


圖11A:CMVR測試電路


圖11B:CMVR模擬

在使用圖12A所示的第二個測試電路時,我們採用的電壓範圍為-2.5~2.5V。


圖12A:CMVR測試電路


圖12B:MVR模擬

反向 對於有些放大器,當輸入訊號電壓超出輸入共模電壓範圍時,就會發生反向。在發生反向時,輸入訊號的極性將發生變化,這可能損害運算放大器,導致系統鎖定。

圖13A的測試電路是一個簡單的電壓隨耦器,具備6V正弦波輸入。圖13B顯示了輸出波形,和運算放大器一樣,巨集模型未發生反向,輸入訊號電壓在±2.5V之內。


圖13A:未反向測試電路


圖13B:未反向

本文小結

使用前面介紹的這些測試電路,並不表示無需對元件執行基準測試。確切地說,這些測試電路的用途是幫助用戶靈活、快速地評估巨集模型的精確度。

作者:Soufiane Bendaoud

放大器產品行銷經理

美國國家半導體公司




投票數:   加入我的最愛
我來評論 - 利用Pspice通用測試電路實現關鍵參數模...
評論:  
*  您還能輸入[0]個字
*驗證碼:
 
論壇熱門主題 熱門下載
 •   將邁入40歲的你...存款多少了  •  深入電容觸控技術就從這個問題開始
 •  我有一個數位電源的專利...  •  磷酸鋰鐵電池一問
 •   關於設備商公司的工程師(廠商)薪資前景  •  計算諧振轉換器的同步整流MOSFET功耗損失
 •   Touch sensor & MEMS controller  •  針對智慧電表PLC通訊應用的線路驅動器
 •   下週 深圳 llC 2012 關於PCB免費工具的研討會  •  邏輯閘的應用


EE人生人氣排行
 
返回頁首