Создание и тестирование макромодели полностью дифференциального ОУ с входом смещения VOCM
Теперь построим поведенческую модель полностью дифференциального ОУ с входом смещения VOCM (Рисунок 11). 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, блок E3 – усилитель ошибки. Усилитель ошибки управляется сигналом с входа VOCM. Поведенческие блоки E1 и E2, по аналогии с PSpice Template модели OPAMP (Рисунок 1), описываются выражением (1) на языке PSpice.
 |
||
| Рисунок 11. | Поведенческая модель полностью дифференциального ОУ с входом смещения VOCM. |
|
Для экстракции заготовки макромодели полностью дифференциального ОУ с входом смещения VOCM требуется сгенерировать NET-листинг (Листинг 3) 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 в макромодель по правилам PSpice и создать условное графическое изображение, чтобы использовать ее в схемных проектах. Готовая PSpice макромодель полностью дифференциального ОУ с входом смещения VOCM представлена в Листинге 4. Модель получила название OPAMPD2.
Листинг 3
* 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(VOCM,2)*GAIN }
E_E4 2 OUT+ OUT- OUT+ 0.5
.PARAM vneg=-15 vpos=15 gain=1e6
Листинг 4
*$
* Device type: Completely differential operational amplifier
* Device name: OPAMPD2
* Aythor: Petrakov Oleg [email protected]
* Date: 25 January 2016
.SUBCKT OPAMPD2 IN+ IN- OUT+ OUT- VOCM 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(VOCM,2)*GAIN }
E4 2 OUT+ OUT- OUT+ 0.5
.ENDS
*$
На Рисунке 12 показана основная схема включения полностью дифференциального ОУ [9]. В этой схеме мы будем тестировать модель OPAMPD2 с входом смещения VOCM. К входу VOCM подключим источник опорного напряжения Vref = 3 В. Результат моделирования (Рисунок 13) показывает, что работа схемы соответствует расчетному соотношению (2), подтверждая правильность работы модели OPAMPD2 для этого случая.
 |
||
| Рисунок 12. | Основная схема включения полностью дифференциального ОУ с использованием модели OPAMPD2. |
|
 |
||
| Рисунок 13. | Результат моделирования основной схемы включения полностью дифференциального ОУ (Рисунок 12) с использованием модели OPAMPD2. |
|
Для теоретического подтверждения справедливости выражения (2) для поведенческой модели OPAMD2 воспользуемся системой компьютерной математики Maple с пакетом расширения .MSpice [13].
На Рисунке 14 представлена основная схема включения полностью дифференциального ОУ с входом смещения VOCM с использованием его линеаризированной поведенческой модели.
 |
||
| Рисунок 14. | Основная схема включения полностью дифференциального ОУ с использованием линеаризированной поведенческой модели OPAMPD2. |
|
На основе NET-листинга, генерируемого OrCAD Capture, cоставим систему уравнений Кирхгофа для схемы (Рисунок 14) и решим их.
> restart:with(MSpice):
ESolve(`ORCAD_166-PSpiceFiles/SCHEMATIC1/SCHEMATIC1.net`);
Система Кирхгофа
MSpice v9.24: [email protected]
Заданы источники: [Vref, Vвх]
Заданы узлы: {VVOCM}
Получены решения:
V_NET:=[V1, V2, V3, V4, VINN, VINP, VOUTN, VOUTP]:
J_NET:=[JR1, JR2, JR3, JR4, JVref, JVвх]:
Будем считать усиление GAIN равным бесконечности, тогда
> VOUTN:=collect(limit(VOUTN,GAIN=infinity),Vref):
> VOUTP:=collect(limit(VOUTP,GAIN=infinity),Vref):
Коэффициент передачи по напряжению при бесконечном усилении
> K:=simplify((VOUTN-VOUTP)/Vвх);
После подстановки выражения для К получим
> algsubs(-(R3+R4)=A,VOUTN):
algsubs((R1+R2)=B,%):
VOUTN:=algsubs(A/B='K',%);
> algsubs(-(R3+R4)=A,VOUTP):
algsubs((R1+R2)=B,%):
VOUTP:=algsubs(A/B='K',%);
> `VOUTN-VOUTP`:='K'*Vвх;
Обычно R2 = R1, R4 = R3, тогда
> R2:=R1: R4:=R3: K:=K;
Эти результаты согласуются с [7] и результатами моделирования аналогичной схемы Рисунок 12, Рисунок 13.
Для тестирования работы входа VOCM макромодели полностью дифференциального ОУ OPAMD2 промоделируем схему драйвера АЦП (Рисунок 15). В этой схеме не показаны элементы, используемые для компенсации и развязки по цепям питания. Она лишь демонстрирует базовый принцип применения полностью дифференциального ОУ для согласования несимметричных сигналов с дифференциальным входом АЦП. Результаты моделирования (Рисунок 16) показывают, что модель OPAMD2 правильно выполняет свои функции в этой схеме [10, 7].
 |
||
| Рисунок 15. | Драйвер АЦП на полностью дифференциальном ОУ с входом смещения VOCM. |
|
 |
||
| Рисунок 16. | Результат моделирования драйвера АЦП (Рисунок 15) на полностью дифференциальном ОУ с входом смещения VOCM. |
|
На Рисунке 17 представлена схема полностью дифференциального полосового фильтра Баттерворта второго порядка [12] с центральной частотой 10 кГц и шириной полосы ослабления по уровню 3 дБ 1 кГц. Коэффициент усиления на центральной частоте равен 20 дБ.
Резистор R6 = 1Т потребовалось ввести из-за того, что симулятор PSpice требует, чтобы в схеме не было узлов, не имеющих пути к земле по постоянному току. Путь к земле по постоянному току преграждают конденсаторы. Если резистор R6 убрать, то PSpice выдаст сообщение об ошибке и остановится.
ERROR(ORPSIM-15142): Node 1 is floating
ERROR(ORPSIM-15142): Node 2 is floating
ERROR(ORPSIM-15142): Node 3 is floating
ERROR(ORPSIM-15142): Node 4 is floating
Результат моделирования фильтра с моделью полностью дифференциального ОУ OPAMPD2 (Рисунок 18, Рисунок 19) подтверждает заявленные в [12] характеристики фильтра, и, следовательно, работоспособность модели OPAMPD2 для этого случая.
 |
||
| Рисунок 17. | Полосовой фильтр Баттерворта второго порядка. | |
 |
||
| Рисунок 18. | Результат моделирования частотной характеристики полосового фильтра Баттерворта второго порядка. (Усиление в децибелах). |
|
 |
||
| Рисунок 19. | Измерение полосы пропускания полосового фильтра фильтр Баттерворта второго порядка (Усиление в децибелах, полоса по уровню 3 дБ – 1 кГц). |
|
Для подключения библиотек к OrCAD v16.6 при его стандартной инсталляции необходимо выполнить следующие действия.
- Разархивировать файл с приложениями к статье в любое место на диске компьютера.
- Скопировать папку PSPICE166_Articles с библиотеками в каталог c:Cadence.
- Скопировать текстовый файл nom_user_Articles.lib в папку C:CadenceSPB_16.6 oolspspicelibrary. В этом файле должен содержаться следующий текст, с указанием путей к библиотечным файлам.
* Library of user Oleg Petrakov devices: Analog and Digital
*
* ----------------- ARTIСLES Potentiometer ------------------------------------
.lib c:CadencePSPICE166_ArticlesPotentiometerVC_POT.lib
.lib c:CadencePSPICE166_ArticlesPotentiometerVC_POTV.lib
.lib c:CadencePSPICE166_ArticlesPotentiometerOhmmeter.lib
.lib c:CadencePSPICE166_ArticlesPotentiometerKR1182PM1.lib
* ---------------- ARTICLES Fully Differential operational amplifiers ----------
.lib c:CadencePSPICE166_ArticlesOperational_AmplifiersOPAMPD1.lib
.lib c:CadencePSPICE166_ArticlesOperational_AmplifiersOPAMPD2.lib
.lib c:CadencePSPICE166_ArticlesOperational_AmplifiersTHS4120.lib
* end of library file
- Отредактировать текстовый файл c:CadenceSPB_16.6 oolspspicelibrary om.lib. В конец файла следует записать примерно следующие строки, чтобы подключить пользовательскую библиотеку nom_user_Articles.lib и сохранить измененный файл.
* User Oleg Petrakov
.lib "nom_user_Articles.lib"
* end of library file
- Запустить проект OrCAD, содержащий новые библиотечные компоненты, и убедиться, что PSpice моделирование происходит. Для того чтобы проекты с примерами из каталога DSN моделировались, в именах каталогов (Путях) не должно быть русских букв. На этом все!
Примечание
Эти библиотеки можно подключить и к более старым версиям OrCAD, например, к популярной еще версии OrCAD v9.1. Библиотечные файлы с расширением *.LIB следует оставить без изменений, а вот файлы с расширением *.OLB, содержащие УГО компонентов, придется создать заново с помощью редактора OrCAD Capture v9.1 (В приложении к статье они уже есть). Все остальные действия по подключению библиотек к OrCAD аналогичны описанным выше.
Литература
- Разевиг В. Д. Система проектирования OrCAD 9.2. СОЛОН. Москва 2001 г.
- Архангельский А. Я. PSpice и Design Center. ч. 1. Схемотехническое моделирование. Модели элементов. Макромоделирование. М.: МИФИ, 1996г.
- Петраков О. М. Создание аналоговых PSPICE-моделей радиоэлементов.– М.: ИП РадиоСофт, 2004.– 208 с.: ил.– (Книжная полка радиолюбителя. Вып. 8)
- Хайнеман Р. Визуальное моделирование электронных схем в PSPICE. Пер. с нем. – М.: ДМК Пресс, 2008. 336 с.: ил.
- Кеоун Дж. OrCAD Pspice. Анализ электрических цепей (+DVD). – М.: ДМК Пресс СПб.: Питер, 2008. – 640 с.: ил.
- Петраков О. М. Поведенческое моделирование в PSPICE. Журнал Схемотехника №3, №4 за 2003 г.
- Операционные усилители для всех. Брюс Картер и Рон Манчини; пер. с англ. А. Н. Рабодзея. – М.: Додэка-ХХ1, 2011. – 544 с.: ил. – (Серия «Схемотехника»].
- Bruce Carter and Thomas R. Brown. HANDBOOK OF OPERATIONAL AMPLIFIER APPLICATIONS. Application Report SBOA092A - October 2001
- Волович Георгий. Полностью дифференциальные операционные усилители. Журнал «Современная электроника» № 5, 2008 г.
- "Rules of the Road" for High-Speed Differential ADC Drivers. Analog Dialogue 43-05, May (2009), John Ardizzoni, Jonathan Pearson
- Гуменюк А.С., Бочаров Ю.И. Проектирование дифференциальных КМОП усилителей для АЦП. Журнал «Схемотехника», №12, 2006 г.
- Применение топологии с многопетлевой обратной связью в полностью дифференциальных активных фильтрах с бесконечным коэффициентом усиления. Thomas Ruenl, Texas Instruments. Analog Application Journal, 1Q, 2009, Texas Instruments
- Петраков О. М. MathSpice – аналитический PSpice движок для OrCAD и MicroCAP. Журнал «Современная электроника» №№ 6..12 (2009 г), №№ 1..5 (2010 г). Цикл статей 2009…2010 гг.
