РадиоЛоцман - Все об электронике

Идеализированная PSpice модель полностью дифференциального операционного усилителя. Часть 2

Журнал РАДИОЛОЦМАН, июнь 2016

Олег Петраков, г. Москва

Часть 1

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.

Идеализированная PSpice модель полностью дифференциального операционного усилителя
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   pspicelib@narod.ru
* 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.

Идеализированная PSpice модель полностью дифференциального операционного усилителя
Рисунок 12. Основная схема включения полностью дифференциального
ОУ с использованием модели OPAMPD2.
 
Идеализированная PSpice модель полностью дифференциального операционного усилителя
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.

Идеализированная PSpice модель полностью дифференциального операционного усилителя
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:   pspicelib@narod.ru
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].

Идеализированная PSpice модель полностью дифференциального операционного усилителя
Рисунок 15. Драйвер АЦП на полностью дифференциальном ОУ с
входом смещения VOCM.
 
Идеализированная PSpice модель полностью дифференциального операционного усилителя
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.

Идеализированная PSpice модель полностью дифференциального операционного усилителя
Рисунок 17. Полосовой фильтр Баттерворта второго порядка.
 
Идеализированная PSpice модель полностью дифференциального операционного усилителя
Рисунок 18. Результат моделирования частотной характеристики
полосового фильтра Баттерворта второго порядка.
(Усиление в децибелах).
 
Идеализированная PSpice модель полностью дифференциального операционного усилителя
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.

  1. Разархивировать файл с приложениями к статье в любое место на диске компьютера.
     
  2. Скопировать папку PSPICE166_Articles с библиотеками в каталог c:Cadence.
     
  3. 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

     
  4. 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

     
  5. 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

  1. Разевиг В. Д. Система проектирования OrCAD 9.2. СОЛОН. Москва 2001 г.
  2. Архангельский А. Я. PSpice и Design Center. ч. 1. Схемотехническое моделирование. Модели элементов. Макромоделирование. М.: МИФИ, 1996г.
  3. Петраков О. М. Создание аналоговых PSPICE-моделей радиоэлементов.– М.: ИП РадиоСофт, 2004.– 208 с.: ил.– (Книжная полка радиолюбителя. Вып. 8)
  4. Хайнеман Р. Визуальное моделирование электронных схем в PSPICE. Пер. с нем. – М.: ДМК Пресс, 2008. 336 с.: ил.
  5. Кеоун Дж. OrCAD Pspice. Анализ электрических цепей (+DVD). – М.: ДМК Пресс СПб.: Питер, 2008. – 640 с.: ил.
  6. Петраков О. М. Поведенческое моделирование в PSPICE. Журнал Схемотехника №3, №4 за 2003 г.
  7. Операционные усилители для всех. Брюс Картер и Рон Манчини; пер. с англ. А. Н. Рабодзея. – М.: Додэка-ХХ1, 2011. – 544 с.: ил. – (Серия «Схемотехника»].
  8. Bruce Carter and Thomas R. Brown. HANDBOOK OF OPERATIONAL AMPLIFIER APPLICATIONS. Application Report SBOA092A - October 2001
  9. Волович Георгий. Полностью дифференциальные операционные усилители. Журнал «Современная электроника» № 5, 2008 г.
  10. "Rules of the Road" for High-Speed Differential ADC Drivers. Analog Dialogue 43-05, May (2009), BJohn Ardizzoni, Jonathan Pearson
  11. Гуменюк А.С., Бочаров Ю.И. Проектирование дифференциальных КМОП усилителей для АЦП. Журнал «Схемотехника», №12, 2006 г.
  12. 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
  13. 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.

Загрузки

Изготовление 1-4 слойных печатных плат за $2

10BASE-T1L Ethernet по витой паре: реализация на основе микросхем Analog Devices
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя