4.2. Методика автоматизированного анализа макромоделей операционных усилителей
Математические модели операционных усилителей (ОУ) в отличие от встроенных моделей диодов и транзисторов представлены в виде макромоделей (подцепей), которые описываются на входном языке программы PSpice. В стандартной макромодели ОУ исключены все транзисторы, кроме двух транзисторов входного дифференциального каскада, что повышает скорость моделирования за счёт некоторого снижения точности. Параметры этих макромоделей рассчитываются в соответствии с паспортными данными операционного усилителя.
Для расчёта амплитудно-частотной характеристики (АЧХ)операционного усилителя без обратной связи (ОС)
и определения максимального значения коэффициента усиления операционного усилителя (ОУ) используется схема, изображённая на рис. 4.10. Коэффициент усиления (К) равен отношению выходного напряжения к входному напряжению при отсутствии ОС.
Рис. 4.10. Схема для расчёта АЧХ ОУ
Неинвертирующий вход ОУ (+) соединен с узлом 0 цепи. Источники V2 и V3 обеспечивают питание ОУ двухполярным напряжением. Для удобства размещения на схеме, подключение источников V2, V3 к ОУ осуществлено с помощью компонента «bubble» (клемма). Для каждого добавленного компонента «bubble», следует вызвать панель установки атрибутов и в строке «label» указать, к какой шине (Vcc, Vee) осуществляется его подключение. Резистор R1 является нагрузкой ОУ. Источнику напряжения переменного тока V1 присвоены следующие параметры: амплитуда 0,1В, частота 1кГц. Узлы, в которых необходимо выполнить расчет напряжений, обозначены метками in и out.
При вводе этой схемы использовались компоненты следующих библиотек:
analog.slb – пассивные компоненты (R);
opamp.slb – операционный усилитель (U1);
port.slb – узел с нулевым потенциалом, коммутационная клемма (AGND, buble);
source.slb – источник постоянного напряжения, источник синусоидального напряжения (VDC, VSIN). Коэффициент усиления ОУ для данной схемы определяется выражением
Расчёт амплитудно-частотных характеристик назначается в конфигурационном окне Analysis Setup. Выбирается раздел AC Sweep и в нём задаются параметры директивы: диапазон частот (Sweep Parameters) – 1Гц -10МГц; шаг по оси X (AC Sweep Type) – декадный; количество точек в декаде – 101. пример задания на моделирование приведён на рис. 4.11.
Для получения графика зависимости коэффициента усиления от частоты необходимо выполнить команду Add Trace (добавить график), вызываемую из меню Trace (график).В появившемся окне Add Traces в строке Trace Expression (выражение графика) следует ввести: «V(out) / V(in)».
Рис. 4.11. Задание на расчёт АЧХ
Ввод возможен как с клавиатуры, так и с использованием списков рассчитываемых переменных (Simulation Output Variables) и функций (Function or Macros).Результат расчета представлен на рис. 4.12. Для упрощения определения значений коэффициента усиления по графикам следует воспользоваться инструментом Toggle cursor (курсор значений), вызываемым из меню Trace – Cursor по команде Display (показывать). Перемещение курсора выполняется нажатиями клавиш «←» (влево), «→» (вправо), а так же с помощью группы команд, вызываемых из меню Trace – Cursor: peak – пик; trough – впадина; slope – перегиб; min – минимум; max – максимум. Текущие значения отображаются в окне Probe Cursor (исследующий курсор). Нанесение числовых значений измеряемых величин на график выполняется с помощью инструмента Mark (маркировка), вызываемого из меню Plot – Label.
Частота единичного усиления – это частота, на которой модуль коэффициента усиления равен единице (К = 1).
Для определения частоты единичного усиления на графике АЧХ определяется значение частоты, на которой модуль коэффициента усиления равен единице. Для этого необходимо установить курсор на отметке К = 1.0000.
Рис. 4.12. Зависимость коэффициента усиленияоперационного усилителя от частоты
Уточнить полученный результат возможно применением логарифмической шкалы коэффициента усиления. Для этого следует вызвать команду Axis Settings (установки осей) из меню Plot (график). В открывшемся окне выбрать вкладку Y указать Log. При этом в поле Data Range (диапазон данных) следует изменить значения так,чтобы они соответствовали логарифмической размерности (нижнее значение не равно нулю), в противном случае программа выдаст сообщение об ошибке.
Рис. 4.13. Определение частоты единичного усиления ОУ
Как видно из рис. 4.13., результат стал более наглядным.
Фазо-частотная характеристика (ФЧХ) показывает насколько выходной сигнал операционного усилителя отстает по фазе от входного. Значение частоты первого полюса (fc1) соответствует сдвигу фазы, вносимому ОУ на -45°, а значение частоты второго полюса (fc2) – соответственного на -90°.
Расчёт ФЧХ операционного усилителяи определение значения частот первого и второго полюсов производится в следующем порядке:
По команде Delete All Trace (удаление всех графиков) очистить рабочую область программы отображения и обработки результатов Probe. Выполнить команду Add Trace. В появившемся окне Add Traces в строке Trace Expression следует ввести с клавиатуры: «P(V(out)) - 180» (Значение фазы в узле out).
Рис. 4.14. Фазо-частотная характеристика ОУ
Вызвать курсор и определить значения частот при углах сдвига фазы -45° и -90°.
Результат расчета представлены на рис. 4. 14.
Определение коэффициента ослабления синфазных сигналов (Ко син) осуществляется по схеме, изображенной на рис. 4.15.Коэффициент ослабления (подавления) синфазного входного сигнала равен отношению приращения синфазных входных напряжений, вызывающих одно и то же приращение выходного напряжения, к входному напряжению.
Рис. 4.15. Схема измерения коэффициента ослабления синфазного входного напряжения
Коэффициент ослабления синфазных сигналов характеризует качество ОУ, у интегральных ОУ этот параметр имеет значения 60 - 120дБ.
В данном случае Ко снопределяется выражением
Учитывая R1 иR4, получаем
После ввода задания и запуска его на моделирование следует выполнить команду AddTrace. В появившемся окнеAddTracesв строкеTraceExpressionследует ввести выраженное в децибелах значение Косин«DB(1001*V(in)/ V(out))»
Вызвать курсор и определить значение Ко синна частоте 1Гц.
Результат расчета представлен на рис. 4.16.
Рис. 4.16. Зависимость коэффициента ослабления синфазных входных напряжений от частоты