電壓反饋放大器的SPICE運(yùn)算放大器宏模型的開發(fā)

　　第一個(gè)關(guān)于運(yùn)算放大器宏模型的技術(shù)是由Boyle在1974年開發(fā)的，僅使用了兩個(gè)晶體管、幾個(gè)二極管和線性元件[1]。電阻、電容、電感器和電壓/電流控制源等線性元件的仿真遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于有源元件，并可用來(lái)提供極點(diǎn)、零點(diǎn)和任意增益。采用DC模型，可以用一個(gè)電壓控制電壓源作放大器，同時(shí)可以增加電阻以更好地表示輸入和輸出阻抗。電容、電感、二極管和晶體管可以提供適當(dāng)?shù)慕涣黜憫?yīng)。欲了解更多關(guān)于仿真模型的開發(fā)信息，請(qǐng)參見參考文獻(xiàn)Alexander和Bowers[2-3]。他們的模型如本例后面所述。

　　ISL28133是一個(gè)采用電壓反饋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的零漂移運(yùn)算放大器。其增益帶寬產(chǎn)品為400kHz，壓擺率為0.2V/μs，電源電流為18μA。圖1顯示了一個(gè)五級(jí)模型，它代表了實(shí)際電路框圖。這些級(jí)包括輸入、增益、頻率整形、輸出和噪聲模塊。

　　輸入級(jí)

　　零漂移放大器的輸入級(jí)如圖2所示。100μA的電流源“I2”饋送pmos輸入對(duì)。一般情況下，I2應(yīng)選擇低于靜態(tài)電流。請(qǐng)記住，ISL28133的典型電源電流(RL=open)僅為18μA。然而，很小的I2(約10μA)將使輸入電壓噪聲過(guò)大而無(wú)法仿真。這將在后面的噪聲分析部分討論。選擇I2=100μA，并使用I1進(jìn)行補(bǔ)償。Cin1和Cin2是輸入共模電容，Cdiff是差模輸入電容。

　　增益級(jí)

　　這一級(jí)可以執(zhí)行模型中的一些重要功能：

　　(1)本級(jí)設(shè)置該部分的DC增益，所有后續(xù)級(jí)均可提供增益;

　　(2)可實(shí)現(xiàn)壓擺率限制;

　　(3)在AC特性中增加主極點(diǎn)(dominant pole);

　　(4)將信號(hào)從以電源作為參考量的兩個(gè)電壓水平移位至一個(gè)以中點(diǎn)作為參考量的單電壓;

　　(5)限制輸出。

　　參見圖3，Ga是電路(block)G1和G2的增益。Gb是電路G3和G4的增益。

　　改變V3和V4的值可以限制壓擺率。此外，R8/C1和R7/C2決定了這一模式的主極點(diǎn)。E1用來(lái)在Vcc和Vee的中間設(shè)置參考電平。

　　頻率整形級(jí)

　　這里采用的“伸縮”頻率整形技術(shù)是常見的運(yùn)算放大器建模方法。它很容易增加更多的極點(diǎn)和零點(diǎn)。每個(gè)頻率整形電路可以提供增益。這個(gè)模型包含的零極對(duì)如圖4所示。

　　高階極點(diǎn)級(jí)G7/8、R13/14和C3/4如圖5所示。

　　噪聲仿真

　　ISL28133的輸入電流噪聲非常小()，所以在這個(gè)模型中可以忽略不計(jì)。MOSFET的電壓噪聲可以用以下公式仿真：

　　ID是漏電流。高偏置電流需要低電壓噪聲。在輸入級(jí)，尾電流設(shè)置得足夠高，以產(chǎn)生可以忽略的輸入電壓噪聲。在增加噪聲源之前，該模型將提供低于數(shù)據(jù)表中的規(guī)格或典型性能噪聲曲線的噪聲。圖6的噪聲電壓模塊可通過(guò)使用一個(gè)偏置二極管-電阻器串聯(lián)組合的0.1V電壓源生成1/f和白噪聲。白噪聲是由熱噪聲電流產(chǎn)生的。

　　(k為Boltzmann常數(shù))

　　因此，給定噪聲電壓譜密度的所需電阻值為(en是白噪聲電壓譜密度)。

　　該斬波穩(wěn)定放大器設(shè)計(jì)可大大減少1/f噪聲。1/f噪聲(閃爍噪聲，flicker noise)指的是出現(xiàn)的與頻率成反比的功率譜密度噪聲。更為普遍的是，具有譜密度(β>0)的噪聲也稱為1/f噪聲。通常情況下，其中的穿越白噪聲曲線的頻率閃爍噪聲曲線被定義為拐角頻率(corner frequency)。少量的閃爍噪聲仍然可在SPICE二極管模型內(nèi)進(jìn)行建模，參見圖6。

　　Id是二極管的DC電流。AF和KF是SPICE二極管的模型參數(shù)，q為電子電荷。閃爍噪聲指數(shù)(AF)設(shè)置為1，閃爍噪聲系數(shù)(KF)設(shè)置為，其中Ea是在1Hz條件下的噪聲電壓譜密度。仿真電壓噪聲將顯示具有正確拐角頻率的1/f噪聲電壓譜密度。

　　輸出級(jí)

　　在頻率整形級(jí)之后，信號(hào)出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)VV5，它以兩個(gè)電源軌的中點(diǎn)作為參考量。每個(gè)受控源可以產(chǎn)生足夠的電流，以支持其并聯(lián)電阻兩端所需的電壓降。R15和R16等于開環(huán)輸出電阻的兩倍，所以它們的并聯(lián)組合可提供正確的Zout。D5-D8和G9/10被用來(lái)迫使電流從正電壓軌(positive rail)流向負(fù)電壓軌(negative rail)，以糾正實(shí)際電流流入或流出。

　　仿真結(jié)果

　　圖8列出了某些SPICE仿真結(jié)果與來(lái)自手冊(cè)的典型性能曲線的比較(見右邊來(lái)自手冊(cè)的圖)。

　　圖8是增益、頻率與負(fù)載電容的對(duì)比。它不是很準(zhǔn)確，因?yàn)殡娐钒迳系募纳娙輿]有列在模型中。其誤差小于5%。

　　圖9是具有不同增益的閉環(huán)增益頻率響應(yīng)。在增益=100時(shí)，帶寬為3.94kHz，誤差小于5%。在低增益條件下，由于零極點(diǎn)對(duì)的緣故帶寬擴(kuò)大。

　　圖10是大信號(hào)階躍響應(yīng)。仿真的壓擺率為0.198V/μs，誤差為1%。

　　圖11是輸入噪聲電壓與頻率的對(duì)比。在1kHz條件下，仿真輸入噪聲電壓為，非常接近數(shù)據(jù)表中的值。仿真曲線沒有達(dá)到近10kHz的峰值。

　　結(jié)論

　　電壓反饋放大器全面的SPICE宏模型包括諸如傳輸響應(yīng)(transfer response)、準(zhǔn)確的AC響應(yīng)，DC偏移和電壓噪聲的影響。它很容易增加更多的功能，如共模抑制比(CMRR)、電源抑制比(PSRR)、輸入電流噪聲等等。此外，它還可以方便地改變模型的參數(shù)，以適應(yīng)其他的電壓反饋放大器。幾款Intersil的電壓反饋放大器采用了相同的模式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。