Идеализированные PSpice макромодели трансимпедансных операционных усилителей. Часть 2

Тестирование макромоделей ОУ

Проверим, что созданные модели  ведут себя как операционные усилители.  Поскольку идеология у всех представленных моделей одинакова, то тестировать будем самую сложную модель OPAMP_T3_F1.

На Рисунке 10 изображена  схема не инвертирующего усилителя с коэффициентом усиления К = (R1+R2)/R1 = 2. Результат моделирования (Рисунок 11) подтверждает этот факт.

Рисунок 10.	Не инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления К=2.

Рисунок 11.	Результат моделирования усилителя (Рисунок 10)

На Рисунке 12 изображена  схема  инвертирующего усилителя с коэффициентом усиления К = -R4/R3 = -1. Результат моделирования (Рисунок 13) подтверждает этот факт.

Рисунок 12.	Инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления К=-1.

Рисунок 13.	Результат моделирования усилителя (Рисунок 12)

На Рисунке 14 изображена  схема дифференциальный усилителя на двух трансимпедансных ОУ с коэффициентом усиления

Результат моделирования (Рисунок 15) подтверждает этот факт.

Рисунок 14.	Дифференциальный усилитель на двух ТОУ с коэффициентом усиления К=-2.

Рисунок 15.	Результат моделирования усилителя (Рисунок 14)

На Рисунке 16 показана схема для измерения трансимпеданса  и частоты единичного усиления трансимпедансного ОУ с разомкнутой обратной связью. На схеме директивой PARAMETERS определены глобальные параметры: R – для трансимпеданса, F – для частоты единичного трансимпеданса. Параметры RT и F1 модели ОУ выражены через глобальные параметры R и F. Моделировать АЧХ (AC Sweep) будем в режиме Parametric Sweep (Вариация параметров) с вариацией глобальных параметров G и F.

Сначала проверим управляемость параметра RT и правильность моделирования параметра F1 = 1E9 модели трансимпедансного ОУ. Для этого установим вариацию глобального параметра R = 100K, 1MEG, 10MEG.  Результаты моделирования (Рисунок 17) показывают, что для этого теста параметры модели RT и F1 моделируются правильно. Так как на входе усилителей стоит источник тока силой 1 А, то напряжение на выходе OUT будет численно равно трансимпедансу.

Теперь проверим управляемость параметра F1 и правильность моделирования параметра RT = 10 MEG модели трансимпедансного ОУ. Для этого установим вариацию глобального параметра F = 10MEG, 1G, 10G.  Результаты моделирования (Рисунок 18) показывают, что для этого теста параметры модели RT и F1 моделируются правильно. Так как на входе усилителей стоит источник тока силой 1 А, то напряжение на выходе OUT будет численно равно трансимпедансу.

Рисунок 16.	Схема для измерения усиления и частоты единичного трансимпеданса

Рисунок 17.	Результат моделирования параметра F1 при изменении параметра RT=1E4, 1E5, 1E6

Рисунок 18.	Результат моделирования параметра RT при изменении параметра F=10 МГц, 1 ГГц, 10 ГГц

Такие же тесты были проведены для остальных частотно-зависимых моделей  ОУ (см. приложения к статье), которые показали аналогичные результаты.

Применение частотно-зависимых моделей трансимпедансных ОУ на практике

Приведём практические примеры использования однополюсных частотно-зависимых моделей трансимпедансных ОУ.

На Рисунке 19 представлена схема активного узкополосного полосового фильтра. Теоретически фильтр имеет центральную частоту 1 МГц. Теперь нам надо выбрать ОУ, который по своим параметрам обеспечит это на практике.  В режиме Parametric Sweep, промоделировано шесть случаев АЧХ фильтра, когда F1=1E12, а RT = 10K, 100K, 10MEG и когда RT=10 MEG, а F1=1G, 10G, 100G. По результатам моделирование (Рисунок 20, 21) видно, что для такого фильтра нужен ОУ с характеристиками не хуже, чем RT=10 МГОм, F1=100 ГГц.

Рисунок 19.	Схема полосового фильтра на 1 МГц

Рисунок 20.	Результат моделирования полосового фильтра для ОУ с параметрами F1=1E12 и RT=10K, 100K, 10MEG

Рисунок 21.	Результат моделирования полосового фильтра для ОУ с параметрами RT=10MEG и F1=1G, 10G, 100G

Подключение библиотек к OrCAD

Для подключения библиотек к OrCAD v16.6 при его стандартной инсталляции необходимо выполнить следующие действия (Для OrCAD v9.1 действия примерно аналогичны):

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 
   * 
   *    -------   ARTIKLES_Fully Differential operational amplifier  ----------
   .lib  c:CadencePSPICE166_ArticlesOperational_AmplifiersOPAMP_FD1.lib  
   .lib  c:CadencePSPICE166_ArticlesOperational_AmplifiersOPAMP_FD2.lib
   .lib  c:CadencePSPICE166_ArticlesOperational_AmplifiersOPAMP_FD1_F1.lib          
   .lib  c:CadencePSPICE166_ArticlesOperational_AmplifiersOPAMP_FD2_F1.lib
   .lib  c:CadencePSPICE166_ArticlesOperational_AmplifiersTHS4120.lib
   *    -----  ARTICLES Frequency-dependent standard operational amplifiers ---
   .lib  c:CadencePSPICE166_ArticlesOperational_AmplifiersOPAMP_F1.lib
   *    ----- ARTICLES Transimpedance operational amplifiers ------------------
   .lib  c:CadencePSPICE166_ArticlesOperational_AmplifiersOPAMP_T.lib                           

   * end of library file

4. Отредактировать текстовый файл c:CadenceSPB_16.6 oolspspicelibrary om.lib. В конец файла следует записать следующие строки, чтобы подключить пользовательскую библиотеку nom_user_Articles.lib и сохранить изменённый файл

   * User Oleg Petrakov
   .lib "nom_user_Articles.lib"
   * end of library file

5. Запустить проект OrCAD, содержащий новые библиотечные компоненты (см. приложения), и убедиться, что PSpice моделирование происходит. На этом всё!

Примечание - Те модели, которые не описаны в данной статье, описаны в [7,8].

Литература

1. Разевиг В. Д. Система проектирования OrCAD 9.2. СОЛОН. Москва 2001г.
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. Петраков О. М. Поведенческое моделирование в PSPICE.  Журнал Схемотехника №3, №4 за 2003 г.
5. Картер, Брюс. Операционные усилители для всех / Брюс Картер и Рон Манчини; пер. с англ. А. Н. Рабодзея. — М.: Додэка-ХХ1, 2011. — 544 с.: ил. — (Серия «Схемотехника»].
6. Петраков О. М. ОУ с обратной связью по напряжению и  по току. Журнал Схемотехника №10 за 2005г, стр. 22..25, №11 за 2005 г.
7. Журнал РАДИОЛОЦМАН Май 2016, Июнь 2016. Идеализированная PSpice модель полностью дифференциального операционного усилителя для OrCAD. Петраков О. М.
8. Идеализированные частотно-зависимые однополюсные PSpice макромодели операционных усилителей.

Приложение - скачать