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    2021-6-19 15:24
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    浅读《运算放大器参数解析》个人总结之一
    一、书籍介绍 先说一下这本书的情况吧,毕竟是个试读报告。 书全名叫运算放大器参数解析与 LTspice 应用仿真,由于作者就职于 ADI 公司,所以这本书的主要内容和 ADI 的产品(器件和软件)息息相关。从书名就能大概猜出本书的大致内容,运放参数解析和 LTspice 仿真,再看一眼此书的后封面,目录内容也是按这个来排列的。 二、重点内容 1. 输入失调电压( Input Offset voltage ): 在室温 25 ℃及标准电源电压下,输入电压为 0 时,为使输出电压为 0 ,在输入端加的补偿电压叫做失调电压( Offset voltage, Vos )。作者在书中写了“短”:放大器输入两端电压相等,也提到 “虚”是引起输入失调电压的原因。 失调电压的案例分析里面的现象非常有参考价值,做为一名硬件工程师,对一些异常现象的原因分析是处理电路异常的重要环节,这个会对以后的电路调试有非常大的参考价值。 失调电压的定义和产生原因可以作为了解,我觉得对于应用来说了解即可。 失调电压的漂移定义需要认真了解一下,从硬件层面来说,温度和长期工作时间影响都是硬件电路设计必需要考虑的东西。 失调电压的测试于仿真都是对于设计方案的一种验证,是需要好好学习的东西。 失调电压的处理方法则是在设计中从应用层面对成本和外部条件的综合考量,需要认真解的部分,了解深入的好处是在设计中较易找到一个比较合理的平衡点。 2. 偏置电流( Input Bias Current )与失调电流 (Input Offset Current) 这是与“虚断”相关的参数。 输入偏置电流 I b :定义为流过两个输入端电流的平均值。 输入失调电压 I OS :定义为流过两个输入端的电流之差。 输入失调电流和偏置电流所导致的直流噪声,是 I b+ 、 I b- 分别流入运放的同相和反相输入端的电阻网络所形成的电压差。 偏置电流案例分析中,案例很简单,但是确实是一个经常会忽略的问题。 偏置电流产生的原因是为了保障放大器内部晶体管工作在线性区,失调电流的产生原因就和失调电压相同了。 偏置电流的处理方法里面列出 4 中情况的正确处理偏置电流的方法都比较实用。 运放的输出失调电压是由输入失调电压,两个输入端的偏置电流和失调电流的总影响产生。 所以,决定输出失调电压大小的因素有:独立的输入失调电压,以及相互关联的偏置电流和失调电流,且后两个因素和外部电阻相关。 3. 共模抑制比( Common Mode Rejection Ratio, CMRR ) 这里面包含两个概念: 差模增益 A d :加载于两个输入端的之间的信号所获得的增益 共模增益 A c :同时加载于两个输入端的信号所获得的增益 共模抑制比定义为差模增益与共模增益的比值 , 即 共模抑制比的案例分析非常有意思,电路我也在网上找到了,贴出来看一下 ADA4522-2 组建的差动电路 案例情况:使用 2 片 ADA4522-2 组建差动电路,第一级电路 U8A 、 U8B 实现差动电路的输入缓冲器功能,第二级电路 U5A 实现差动信号放大电路,其中, R6 、 R7 阻值为 30K Ω,误差为 1%,R5 、 R74 阻值为 3K Ω,误差为 1% ,电路预期的增益设计为 10 倍。 核心客户在 25 ℃恒温环境下使用设备,测试点 TP76 、 TP77 对地的共模电压为 7V ,在 TP76 、 TP77 之间输入 26.5mV 差模信号时,电路输出( U5A 1 脚)为 259mV, 接近电路预期设计,但是当 TP76 、 TP77 输入差模信号为 1mV 时,电路输出( U5A 1 脚)只有 5mV, 误差过大。 在这里,作者给出了电路分级测量定位故障的方法,具体操作有点复杂,我把这三个推导公式列出来作为参考,结果就不看了。 影响运放共模抑制比的因素有两个 a. 放大器输入级对称电路失配; b. 拖尾恒流源寄生电容随频率变化而变化。 电路共模抑制比与电阻误差,电路共模抑制比的影响因素有两个,一电路运放本身的共模抑制比,二是对称电路中各个电阻的一致性。如同书中所述,电阻误差将会放大运放电路本身的共模抑制比。 电路共模抑制比与信号源阻抗这里书中提到有效降低信号源内阻的方式是使用两个运放作为输入缓冲器来提高输入阻抗。电路图如下(电路来自作者公众号文章) 这部分先到这里,后面我再抽时间总结一下第四章的电源部分和第五章的仿真。 下载视频
  • 热度 4
    2021-6-13 21:39
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    模电入门利器《运算放大器参数解析与LTspice应用仿真》
    《运算放大器参数解析与LTspice应用仿真》,人民邮电出版社和中国工信出版集团出版,作者:郑荟民→硕士,中国致公党党员,副高级工程师,IEEE Menber。擅长精密测量领域的模拟信号的调理技术,设计标准仪器、工业现场仪表、医疗设备、环境监测、安防等诸多行业。已发表多篇论文,已获授权的发明专利3项,实用新型专利4项。《运算放大器参数解析与LTspice应用仿真》适合对模电感兴趣的同学,或者想对模电技能深入提高的工程师聚聚的宝典,小编第一时间介绍给大家。 本书在阐述运算放大器原理的基础上,逐一讨论运算放大器参数的应用,并介绍了LTspice的基本使用方法。作者从支持过的600余例项目中,精选取10余项极具代表性的放大器设计案例,从工程师设计的角度深入分析参数的应用,并配合50余例LTspice仿真电路,用实际运算放大器的模型验证参数的特性。 第 1章 运算放大器基础 1 1.1 运算放大器概述 1 1.2 理想放大器 1 1.3 放大器的基本组成 2 1.4 放大器分类 2 1.5 放大器反馈方式 3 1.6 电路分析基础 5 1.7 运算放大器基础电路 6 第2章 放大器参数解析 15 2.1 放大器数据手册概述 15 2.2 失调电压与漂移 18 2.3 偏置电流与失调电流 28 2.4 共模抑制比 36 2.5 电源抑制比 46 2.6 开环增益 50 2.7 电压噪声与电流噪声 53 2.8 增益带宽积 62 2.9 相位裕度与增益裕度 71 2.10 压摆率与满功率带宽 79 2.11 建立时间 86 2.12 输入阻抗 89 2.13 输出阻抗 93 2.14 容性负载驱动 96 2.15 输入电压范围与输出电压范围 100 2.16 总谐波失真与总谐波失真加噪声 103 2.17 功耗 105 2.18 多路放大器的通道隔离度 108 2.19 芯片热阻 109 2.20 绝对最大额定值 109 第3章 专用放大器 111 3.1 仪表放大器 111 3.2 跨阻放大器 120 3.3 全差分放大器 124 3.4 电流检测放大器 130 第4章 模拟电路系统设计 133 4.1 电源设计 133 4.3 放大电路误差分析 141 4.4 滤波器设计 144 4.5 SAR型ADC驱动 148 第5章 LTspice使用基础 154 5.1 LTspice概述 154 5.2 LTspice界面介绍与控制面板 155 5.3 LTspice电路与符号设计 161 5.4 激励配置 166 5.5 设置仿真指令 170 5.6 仿真分析 180 5.7 波形观测 184 参考文献 187
  • 热度 2
    2021-6-10 09:17
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    《运算放大器参数解析与LTspice应用仿真》之DC/DC电源FFT仿真分析初探
    最近正在制作微功率DC/DC转换电路,经常使用Linear的运放和DC/DC转换芯片,这次选择了LT3758作为24V转12V的方案控制。 之前也经常使用LTspice作为仿真手段进行方案验证,但苦于没有时间精细研究LTspice的使用及其命令语句,所以在做仿真时,特别是FFT仿真时,经常套用example图纸,具体仿真结果也不敢确定是否具有参考性。这次阅读《运算放大器参数解析与LTspice应用仿真》的5.7.5章节以及之前的命令语句章节,对FFT分析的操作有了简单明了的认知。书中的说明言简意赅,按照说明进行语句编写和操作,确认了设置的正确性,也让自己对FFT分析结果有了信心。 这次仿真虽然套用了example,但是因为使用环境对输出传到干扰和辐射发射限值由严格要求,所以我对输出整流二极管后的滤波网络及参数进行了修改。下面针对LC滤波和Π型滤波的FFT分析进行对比。 图一时Π型输出滤波,针对VOUT的进行FFT分析,其分析图如图二。可见Π型滤波对输出的噪声抑制由较好的效果,,曲线平滑,没有极特殊的突出功率点出现。 图一 图二 去掉上图中的C5电容,使输出二极管后级电路变为LC滤波。 同样对VOUT进行FFT分析,发现分析曲线在不同频段出现了不同的功率突出点,说明Π型滤波明显优于LC滤波。 , 虽然上述分析属于初级入门分析,但是已经能够对我的设计进行指导和仿真优化,有利于减少后期调试的工作量。
  • 热度 5
    2021-4-2 15:00
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    SPICE SPICE是电子电气电路模拟器之一,是由美国加利福尼亚大学伯克利分校(University of California, Berkeley)于1973年开发出来的。SPICE是由Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis(集成电路用仿真程序)的首字母组成的简称。当时的主要目的是对运放等的IC、晶体管、二极管、电阻、电容器等的模拟电路工作进行模拟。 SPICE在开发到SPICE3(1985年)之后,基于SPICE进行改进并新增功能的产品开始被应用于商业用途。如今已经众所周知的PSPICE,是MicroSim公司*发售的第一个商用SPICE,使在大型计算机上运行的SPICE可以用于个人计算机。 *MicroSim公司与OrCAD公司合并,之后OrCAD公司被Cadence公司收购。PSPICE已成为Cadence公司的设计支持工具OrCAD的一部分。 工作机制 下面简单介绍一下模拟器的工作机制。 一般情况下,首先输入要仿真的电路图。由于模拟器中提供了晶体管、IC、电容器、二极管、电阻器、电感器等部件(模型),所以选择相应部件并连接它们。这和平时绘制电路图的感觉一样。 电路完成后,仅需点击执行仿真按钮,即可执行所设置的仿真工作。在图例中,创建用来“将Pch-MOSFET的栅极GND接地,在漏极以0.1V/Step施加0~10V的电压,监测此时MOSFET中流动的电流”的电路图,并获得电流值图表作为执行结果(左侧蓝色箭头所指流程)。 表面上看来是这样的操作,但实际上创建的电路图被转换为称为“网表”的、描述有元器件、电路及仿真条件等所有信息的源代码。然后,模拟器根据网表来计算电路,即进行仿真并输出数据。此时,每0.1V的电流值被存储为数值。基于该数据,使用图表功能输出图表(黄色箭头所指流程)。 下面是与上例不同的模拟器,是相同内容仿真的网表示例。详细过程计划另行说明,所以在这里只需对网表中的内容有印象即可。 SPICE仿真的类型 基于SPICE的模拟器所具备的代表性功能如下。下表中前四行突出标示的DC分析(直流分析)、AC分析(交流分析)、瞬态分析、蒙特卡洛方法是众所周知的分析功能,绝大多数模拟器软件中都会安装这些功能。后续将对这四种分析方法分别进行介绍。本次介绍DC分析、AC分析和瞬态分析。 分析方法 功能/特点 DC分析 静态特性分析。(技术规格书中的所有DC特性) AC分析 频率特性分析。(容量、增益-相位) 瞬态分析 时间响应分析。(示波器) 蒙特卡洛方法 使波动反映在电路元素中的仿真。 ※需要在模型中描述波动。描述格式因软件而异。 S参数 高频特性分析。 傅里叶分析 谐波分析和信号失真分析。 噪声分析 测量点的噪声分析。 ※如果模型中不含噪声,则不产生噪声。 SPICE仿真:DC分析、AC分析、瞬态分析 这些分析是评估元器件和电路时的最基本方法,可能没有必要进行介绍,不过还是通过以下示例简单地介绍一下。 DC分析是对静态特性进行分析。在上例中, 对ID相对于MOSFET的VDS而产生的变化进行了仿真。晶体管和IC等的技术规格书中的规格值一般分为DC特性(直流特性)和AC特性(交流特性)。DC分析能够对技术规格书中的所有DC特性进行仿真。 AC分析(交流分析)主要能够分析与频率有关的特性。阻抗和增益-相位相对于频率的特性分析是最具代表性的。在上例中,对滤波电路的增益和相位的频率特性进行了仿真。 瞬态分析是时间响应特性的分析。上例是滤波器的阶跃响应,在评估开关电源的负载瞬态响应时也经常使用瞬态分析。瞬态分析的特征是利用示波器观察波形。 各种模拟器都具备多种功能,以对进行这些分析的电流/电压源、信号发生器(振荡器)、电流/电压等实施测量,并通过图表来显示测量结果。 SPICE仿真:蒙特卡洛分析方法 蒙特卡洛方法是使用随机数进行仿真和数值计算的手法总称。实际上构成电路的电阻、电容、电感、二极管、晶体管、IC等几乎所有的部件都具有特性波动。例如,电阻器是有容差的,±5%精度的100Ω电阻器的电阻值处于95Ω~105Ω之间。这种波动(误差)存在于各种部件中,这就导致由各种部件组成的电路因各种波动(误差)累加而导致电路特性存在波动。 采用蒙特卡洛仿真,通过执行多次仿真,并将各种电路元素的波动反映在仿真中,可以对整体特性的波动进行评估。这在电路整体的特性受多个电路元素影响时是非常有效的分析方法。其实方法有很多,一般采用的方法是围绕对整体特性有较大影响的电路元素来模拟波动。 蒙特卡洛分析方法示例 波动的设置方法因模拟器的类型而异。蒙特卡洛仿真的设置方法也分两种,即可以在电阻等符号中直接描述波动时不能直接描述时两种情况。分别举例如下。 ・可直接在符号中描述波动的情况 在该示例中,向100Ω的电阻施加电压,并对电阻值(电压/电流)进行仿真。电阻值描述为{100*(1+tol)}。这是在设置电阻值时直接写入阻值栏的。使用随机数使其中的tol产生波动,并进行300次仿真。 在示例中,使用了2种随机数,它们的分布如下。在①中,定义为tol=flat(0.05),这表示波动范围±5%的均匀随机数。在②中,定义为tol=gauss(0.05),这表示标准差σ=5%的高斯随机数。仿真结果为:使用均匀随机数的均匀分布,使用高斯随机数的则呈正态分布。 ・无法直接在符号中描述波动时 有些SPICE模型,可能无法像上述电阻一样能够直接在符号中描述波动。下面是NPN双极晶体管的hFE-IC特性仿真示例,双极晶体管的符号无法直接描述波动,因此采用在SPICE模型中添加波动描述的方法。 由于没有必要具体介绍如何描述,所以在此省略具体的描述内容,对于该模拟器,在电路图内插入了一个模型(Model),即在双极晶体管的参数中增加hFE=400±50这个波动描述的模型。图中绿线框起来的部分即是该模型(Model),除了产生波动的参数以外还描述了所有参数。2SC4081的原模型lib中输入的是不含波动的模型,但会优先使用电路图中插入的模型,所以会反映出所描述的波动。 至此,我们了解了两种蒙特卡洛仿真的设置方法,一种是可直接在电阻等符号中描述波动,另一种是无法直接在符号中描述波动,此时还有在SPICE模型中直接描述波动的方法。 SPICE仿真的收敛性与稳定性 近年来,基于SPICE的模拟器的仿真结果已经非常接近于实际特性。在某些情况下,将其作为一种现实的理想特性,调整实际的电路特性并使之接近这种理想特性,是非常“好用”的工具。然而,某些分析算法、条件设置、器件模型,并非没有收敛性或稳定性方面的课题。更好地了解仿真的收敛性和稳定性课题,有助于更有效地利用仿真这个工具。 SPICE仿真的收敛性与稳定性 所谓仿真中的收敛性问题,是指即使执行了程序也不开始计算、中途停止等问题,导致即使微小的条件变更也能引发结果很大的变化、出现不应该出现的结果等。简而言之,就是分析错误和结果不稳定。 其原因有几种,在这里以“器件模型”这种原因为例来说明。下面是串联连接的电阻和二极管的I-V(电流-电压)特性,与电阻这样的电流和电压简单成正比的线性器件相比,二极管这样的非线性器件的仿真会更复杂。可能任何人都可以轻松地创建电阻I-V特性的计算公式,而二极管正向特性的公式恐怕就没有那么简单了。在下面的示例中,使用SPICE仿真中众所周知的牛顿法,介绍一种通过不断迭代来获得负载线和非线性负载(在这里为二极管)的交点—工作点的近似解的方法。这种器件模型的特性有时是不连续的,在具有变曲点等较复杂的特性情况下,有时会出现如右图所示的“不应该出现的”不收敛的结果。 收敛性和稳定性较差时的处理方法 收敛性和稳定性较差时,有几种处理方法。不同的模拟器其处理方法也不同,下面的方法请理解为其中一个示例。模拟器的设置项目中,有收敛性和稳定性相关的项目,试着更改这些项目。在本例中,算法有三个选项,我们将尝试更改现有的选项。另外,也将尝试更改精度和误差等收敛条件。 ①尝试将算法更改为Gear    ・trapezoidal(梯形法):计算速度和精度高,但收敛性方面表现较差。    ・modified trap(梯形法改进版):改善了梯形法的收敛性。    ・Gear(预测校正法):容易收敛,但在计算速度和精度方面表现较差。 ②放宽收敛条件   ・Abstol:电流精度。图例为1pA以内。   ・Reltol:相对误差。图例为0.1%以内。   ・Chgtol:电荷精度。图例为10fC以内。   ・Vlottol:电压精度。图例为1uV以内。 当提高精度(降低值)时,计算速度会下降,但收敛性会改善。 ③设置Maximum Timestep。这一栏空白也可以执行仿真,但可能会使Timestep取值过大而出错。 ④当Tran(瞬态分析)的第一个DC点的收敛较差时,设置为“skip dc”可有效改善这个问题。 上述方法是可以在用户处通过更改模拟器的设置等,来规避收敛和稳定性问题时的方法。但其中也有可能是器件模型本身具有缺陷,在这种情况下,是很难在用户处解决仿真错误的。 SPICE模型的种类 SPICE模型分为“器件模型”和“子电路模型”两种。 器件模型基本上是二极管和MOSFET等元件的模型。子电路模型基本上是器件模型的组合,可以简单理解为电路状态的模型。另外,还有在电路上进行热计算的特殊模型。 SPICE的器件模型 表示晶体管和二极管等各模型电气特性的公式是规定好的,器件模型是表示该公式所用系数(参数)的。 SPICE的子电路模型 器件模型、电源及公式等相结合,组成电路的模型。模型中包含电路连接信息和器件模型等。 下面是上图的“模型内部的电路连接”部分的详情。由实例名、连接引脚及模型名组成。 来源:techclass.rohm
  • 热度 2
    2019-10-6 20:58
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