В статье предлагаются идеализированные макромодели полностью дифференциальных операционных усилителей для электронной САПР OrCAD, имеющей мощную подсистему моделирования на базе PSpice. Это позволяет более эффективно моделировать некоторые проекты, для которых важна возможность точно оценить влияние внешней обвязки полностью дифференциального операционного усилителя на характеристики проектируемого устройства.
Введение
Идеализированные модели операционных усилителей (ОУ) очень востребованы для моделирования. Причина этого в том, что большинство теоретических выкладок относительно свойств схем с применением ОУ сделано в предположении идеальности ОУ. Поэтому идеальные модели незаменимы, когда требуется обкатать идею или свериться с теорией применения ОУ. В силу простоты, такие модели работают очень быстро. В дальнейшем можно выбрать для этой же схемы PSpice модель реально производимого ОУ, но работать схема уже будет с учетом параметров неидеальности выбранного ОУ. После это в некоторых случаях требуется скорректировать номиналы радиоэлементов, чтобы вернуть схеме расчетные параметры.
В OrCAD v16.6 есть модель идеализированного операционного усилителя OPAMP (Рисунок 1), которая находится в библиотеке analog.olb. По умолчанию установлены следующие значения усиления и напряжения питания ОУ, соответственно: GAIN=1MEG, VPOS=+15V, VNEG=–15V. По умолчанию параметры модели OPAMP скрыты от показа. Однако они станут отображаться на схеме, если войти в меню Edit/Properties (Редактирование свойств) и при помощи кнопки Display сделать видимыми Name and Value (Имя и значение параметров). Работа модели OPAMP описывается шаблоном PSpice Template (Рисунок 1), в котором записано математическое выражение на языке PSpice, использующее функцию LIMIT. Функция LIMIT требуется, чтобы ограничить выходное напряжение этой модели ОУ в диапазоне напряжений питания реального ОУ (VNEG, VPOS). Стандартное питание ОУ равно ±15 В.
 |
||
| Рисунок 1. | УГО идеализированного ОУ из библиотеки analog.olb и его PSpice Template (шаблон). |
|
Однако в OrCAD v16.6 (как и в более древних версиях [1, 2, 3, 4, 5]) нет идеализированных моделей полностью дифференциальных ОУ [7, 8] со свойствами, аналогичными модели OPAMP. (В Micro-CAP тоже нет таких моделей). Это ограничивает возможность моделирования некоторых схем, для которых может потребоваться точно оценить влияние внешней обвязки полностью дифференциального ОУ на характеристики проектируемого устройства.
В простой полностью дифференциальный ОУ, УГО которого показано на Рисунке 2, добавлен еще один выход. Сигналы на втором выходе находятся в противофазе с сигналами на первом выходе, и, подобно входам ОУ, выходы полностью дифференциального ОУ называются инвертирующим и неинвертирующим.
Современный полностью дифференциальный ОУ, УГО которого показано на Рисунке 3, имеет еще один дополнительный вывод – VOCM, который служит для управления уровнем синфазного выходного напряжения.
Параметры GAIN, VNEG, VPOS у предлагаемых моделей по умолчанию скрыты от показа. На показ они вызываются так же, как было описано для модели OPAMP. Естественно, эти параметры можно изменять.
 |
||
| Рисунок 2. | УГО идеализированной макромодели простого полностью дифференциального ОУ. |
|
 |
||
| Рисунок 3. | УГО идеализированной макромодели полностью дифференциального ОУ с входом смещения VOCM. |
|
Общая структурная схема полностью дифференциального ОУ показана на Рисунке 4 [11]. Схема включает дифференциальный усилительный каскад, который допускает регулировку режимных параметров, схему выделения синфазного сигнала и усилитель ошибки. (Усилитель разности между установленной величиной выходного синфазного сигнала и его реальным мгновенным значением).
 |
||
| Рисунок 4. | Структурная схема полностью дифференциального ОУ. | |
Главной особенностью полностью дифференциального ОУ является наличие цепи отрицательной обратной связи по синфазному сигналу. Ее отсутствие фактически приводит к неопределенности уровней выходных напряжений, как в статике, так и в динамике. Действительно, выходной синфазный сигнал определяется режимными параметрами оконечных каскадов, которые, в свою очередь, зависят от уровня входного синфазного сигнала, напряжения питания, технологического разброса параметров компонентов, температуры и других факторов.
Цепь ОС по синфазному сигналу включает элементы, которые выполняют следующие функции: определение текущего уровня синфазной составляющей выходного сигнала, сравнение его с опорным напряжением VOCM и коррекция напряжения смещения тех каскадов усилителя, которые определяют величину синфазного сигнала на выходе.
Очень важным является точное выделение синфазной компоненты мгновенного значения выходного напряжения. Присутствие в сигнале ОС определенного уровня дифференциальной составляющей может вызвать снижение устойчивости полностью дифференциального ОУ из-за наличия петли положительной ОС для дифференциального сигнала – между точкой приложения ОС для синфазного сигнала и одним из выходов. В наибольшей степени этот эффект проявляется на высоких частотах при большом уровне входного и выходного сигналов, например, при использовании усилителей в схеме УВХ или буфера АЦП, то есть, как раз там, где они чаще всего применяются. Одно из основных правил проектирования состоит в том, что быстродействие цепи ОС по синфазному сигналу не должно быть ниже быстродействия основного тракта полностью дифференциального ОУ.
Создание и тестирование макромодели простого полностью дифференциального ОУ без входа смещения VOCM
Для начала построим поведенческую модель простого полностью дифференциального ОУ без входа смещения (Рисунок 5). Для этого будем использовать блоки поведенческого моделирования EVALUE из библиотеки AMB.olb [3, 6]. В соответствии с Рисунком 4 Блоки E1, E2 – регулируемый каскад, блок E4 – схема выделения синфазного сигнала, блоке E3 - усилитель ошибки. Поведенческие блоки E1 и E2, по аналогии с PSpice Template модели OPAMP (Рисунок 1), описываются выражением (1) на языке PSpice.
| LIMIT( V(%IN+, %IN- ) * GAIN, VNEG, VPOS) | (1) |
Директивой PARAMETERS в схеме можно управлять численными значениями параметров выражения (1).
 |
||
| Рисунок 5. | Поведенческая модель OPAMPD1 простого полностью дифференциального ОУ. |
|
Схема нарисована таким образом, чтобы было удобно сделать экстракцию PSpice макромодели полностью дифференциального ОУ. Для экстракции заготовки макромодели требуется сгенерировать NET-листинг (Листинг 1) в OrCAD Capture. (Даже если транслятор в PSpice NET-листинг выдаст сообщение об ошибке, надо продолжить трансляцию NET-листинга, она все равно состоится). Эту заготовку надо оформить как макромодель по правилам PSpice и создать условное графическое изображение, чтобы использовать ее в схемных проектах. Готовая PSpice макромодель простого полностью дифференциального ОУ представлена в Листинге 2. Макромодель получила имя OPAMPD1.
Листинг 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
Листинг 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 Рисунке 6 показана основная схема включения простого полностью дифференциального ОУ [9]. Результат моделирования (Рисунок 7) показывает, что работа схемы соответствует расчетному соотношению (2) [7], что подтверждает правильность работы модели OPAMPD1 для этого случая.
 |
(2) |
 |
||
| Рисунок 6. | Основная схема включения полностью дифференциального ОУ. | |
 |
||
| Рисунок 7. | Результат моделирования основной схемы включения (Рисунок 6) полностью дифференциального ОУ. |
|
Попутно заметим, что предлагаемые поведенческие модели OPAMPD1 и OPAMPD2 в линеаризированном виде (без функции LIMIT) позволяют использовать эти модели для аналитического расчета и синтеза различных фильтрующих и преобразующих устройств. Использование современных систем компьютерной математики превращает такие задачи в развлечение.
Для теоретического подтверждения справедливости выражения (2) для линеаризированной поведенческой модели OPAMPD1 воспользуемся системой компьютерной математики Maple с пакетом расширения MSpice [13]. На Рисунке 8 представлена основная схема включения полностью дифференциального ОУ с использованием поведенческой модели OPAMPD1.
 |
||
| Рисунок 8. | Основная схема включения полностью дифференциального ОУ с использованием поведенческой модели OPAMPD1. |
|
На основе NET-листинга, генерируемого OrCAD Capture, составим систему уравнений Кирхгофа для схемы (Рисунок 8) и решим их.
> restart: with(MSpice):
ESolve(`ORCAD_166-PSpiceFiles/SCHEMATIC1/SCHEMATIC1.net`);
Система Кирхгофа
MSpice v9.24: [email protected]
Заданы источники: [V1_SIN]
Заданы узлы: {}
Получены решения:
V_NET:=[V1, V2, V3, V4, VINN, VINP, VOUTN, VOUTP]:
J_NET:=[JR1, JR2, JR3, JR4, JV1_SIN]:
Найдем коэффициент передачи по напряжению
> K:=simplify((VOUTN-VOUTP)/(V3-V4));
Найдем коэффициент передачи по напряжению при бесконечном усилении
> К:=Limit('K',GAIN=infinity)=limit(K,GAIN=infinity);
Обычно R2 = R1, R4 = R3, тогда
Эти результаты согласуются с [7] и результатами моделирования аналогичной схемы Рисунок 6, Рисунок 7.
Проведем тест модели OPAMPD1 в схеме преобразования несимметричных сигналов в дифференциальные (Рисунок 9). Это требуется, например, для формирования входных сигналов аналого-цифровых преобразователей с дифференциальными входами. Результат моделирования (Рисунок 10) согласуется с [7], что подтверждает правильность работы модели.
 |
||
| Рисунок 9. | Схема формирования входных сигналов для АЦП с дифференциальными входами. |
|
 |
||
| Рисунок 10. | Результат моделирования схемы на Рисунке 9. | |
