序论
许多比较老的线性器件,尤其是运算放大器,简称“运放”,都没有spice宏模型。即使有,通常使用的也是博伊尔(boyle)宏模型,该模型以今天的标准来看准确度并不高,即使提供给用户也不能很好地代表实际器件。
这种基于晶体管的方法使用相对简单的方程式 —— 工程师可对这些方程式进行相应的修改,以满足各种放大器设计流程的需要。我们的理念是用来自产品说明书的几个参数来创建spice(tina-ti™)宏模型,不管输入或输出拓扑结构如何。该技术基于这样的假设:大多数运算放大器都有一个远远超出单位增益带宽的次极。
一般而言,工程师需要以下参数:电源电压、开环增益与负载、单位增益带宽、压摆率、输入共模范围、共模抑制比(cmrr)、电源抑制比(psrr)、vos、ios、ib、开环输出阻抗、相位裕度、宽带噪声与1/f噪声、电源电流以及短路电流。对于轨至轨输出,工程师将需要输出饱和电压(输入输出电压差)以及汇点和源点电流。此外,还需要明确规定负载电阻rl。
以不同颜色突出显示的方程式是工程师需插入到网表中的方程式。蓝色方程式是为了方便工程师自己进行观察;红色方程式则是网表末尾的模型参数中可能需要的。
图1展示了双极性输入和互补金属氧化物半导体(cmos)输出级的拓扑结构。
图1:非轨至轨双极性输入和cmos输出运放的三级拓扑结构
输入级
输入级包括:一个差分对(q1/q2);电流i1、d1和v1 —— 它们可将共模设置为高电平;rc1和rc2;可设置次极的c1;作为发射极负反馈的re1和re2;eos —— 一个非反相输入串联的压控电压源。该电压源有好几个组成部分。第一个代表输入偏移电压;第二个与共模抑制比(cmrr)有关联;第三个与电源抑制比(psrr)有关联,等等。
ios是一个电流源,它代表运放的输入偏移电流。
中间级包括:一个压控电流源g1,与r1的一个任意值相对应;d3/v3 —— 可设置较高的电压钳位;适用于较低电压钳位的d4/v4;evp和evn —— 它们可分别作为d3/v3和d4/v4的电源。eref是一个压控电压源,可用来生成宏模型的参考节点。最后,用cf和rz设定一个极点/零点,旨在帮助获得恰当的相位裕度。
输出级是由两个压控电压源与两个晶体管并联组成的。
下一个步骤是为网表推导出必要的方程式,以便开发宏模型。
首先确定i1 —— 来自输入差分对的尾电流。该值可根据所采用的工艺技术而变化。虽然理想情况下工程师可请求从集成电路(ic)设计人员那里获得它,但工程师并非一直拥有这样的选择权;因此,最好将它设置为100μa和1ma之间的任意数。
请将尔利电压va设置为130,将is设置为1e-16。beta表示为bf1,等于i1/2*ib,其中ib是来自产品说明书的输入偏置电流值。
如果使用5v的电源,接下来请采用v1 = vs-vcm将共模设置为高电平。电压轨提供了1v的共模上限电压,所以请将v1设置为1v。
集电极电阻器rc1和rc2经设置等于0.2(vrc)乘以2再除以i1。
就发射极负反馈电阻器re1和re2而言:
re1 = re2 =(bf1*rc1-rπ*avinput) (1)
其中
rπ = [(bf1*vt*2)/i1],而avinput = aol*1000/(avout*avmiddle) (2)
请注意:vt = kt/q,其中k是波尔兹曼常数(1.38e-23);t是环境温度,以开尔文(k)为单位;q是一个电子的电荷量(1.6e-19)。在300ºk时,vt = 25.9或26mv。
输入级的最后一个步骤是探究跨输入差分对的电容器c1:
c1 =(1/2*rc1*p1),其中p1=90-?m-fz (3)
在该方程式中,?m是来自产品说明书的相位裕度;fz是来自rz的迟滞分摊量(中间级里的零点),且fz = atan(gbp/fz)(以度数来表示)。
请注意:gbp是运放的单位增益带宽,而fz是在中间级里计算出的零点。
让我们来总结一下我们到此为止所拥有的关于双极性输入级的信息:
网表(宏模型)所需的值:
i1 = 100e-6
va = 130
is = 1e-16
bf1 = i1/2*ib
v1 = vs-vcm,高电平
rc1 = rc2 = 2*vrc/i1
可选:re1 = re2 =(bf1*rc1-rπ*avinput)
c1 =(1/2*rc1*p1),其中p1 = 90-?m-fz
以下是网表的样子:
* 器件引脚配置顺序 +in -in v+ v- out
* 器件引脚编号 1 3 5 2 4
* 节点分配
* 非反相输入
* | 反相输入
* | | 正电源
* | | | 负电源
* | | | | 输出
* | | | | |
* | | | | |
.subckt mock 1 2 99 50 45
*
* 输入级
*
q1 3 7 5 pix
q2 4 2 6 pix
re1 5 8 4e3
re2 6 8 4e3
rc1 3 50 68.5
rc2 4 50 68.5
i1 99 8 100e-6
c1 3 4 8.44e-13
d1 99 9 dx
v1 9 8 0.9
eos 7 1 poly(5)(73,98)(22,98)(81,98)(80,98)(83,98)0.5e-3 11111
ios 1 2 1.1e-9
请注意:在eos项中的第一个常数是500μv的输入偏移电压最大值。
中间级
在这一部分,将r1任意设置为1mω。可按下列方程式计算出压控电流源g1:
g1 = r1*cf/(i1*rc1) (4)
请注意:rc1 = rc2。
现在需要确定cf,它被表示为:
cf = 1/2π* fdom*r1*(avout+1) (5)
其中fdom是主导极点,被表示为gbp/aol*sqrt(1+(aol^2/p1^2))。gbp是运放的单位增益带宽。
p1 = gbp/tan(90-?m-2)
fz = gm5+gm6/2π*cf
gm5 = sqrt(2*kp*w/l5*id)
gm6 = sqrt(2*kp*w/l6*id)
id = 1/2kp*(w/l5)*(vdc5-vt5)*2*(1+?*vs/2) (6)
其中kp是一个被称为跨导的工艺参数,切勿与gm相混淆。
请注意:gm5和gm6是不同的值,因为w/l5和w/l6是相互独立的,且与每个晶体管的电流增益β(β5和β6)有关联。
最后,按下列规定设置钳位二极管:
v3 = 0.7 + vs/2-v30max
v4 = 0.7 + vs/2 + v30min
其中vs是电源电压。
v30max = 2*isink*req-(vdc6-vt6) (7)
其中req是电流(汇点电流)为1ma时的输入输出电压差。
v30 min = 2*isource*req-(vdc5-vt5) (8)
在这种情况下,方程式(8)中的req等于vdo —— 此时电流(源点电流)为1ma。
我们将讨论vdc6-vt6和vdc5-vt5在输出级的计算。
中间级增益avmiddle的计算式为g1*r1*2。
以下是网表的样子:
增益级
g1 98 30(4,6)3.73e-03
r1 30 98 1.00e + 06
cf 30 31 8.1e-10
rz 45 31 3.91e + 02
v3 32 30 2.14e + 00
v4 30 33 2.08e + 00
d3 32 97 dx
d4 51 33 dx
轨至轨cmos输出级
如图1所示,输出级由p型和n型mos晶体管对组成。同样,就双极性设计而言,它也将有一个pnp型管和一个npn型管。
还存在两个压控电压源:用于pmos和nmos晶体管的eg1和eg2。
让我们从输出增益avout开始:
gm5*req+gm6*rleq
req = rds5*rl/rds5+rl (9)
其中rl是负载电阻,而rds5 = 1/?*id。
请注意:因为对两种晶体管来说?和id是相同的,所以nmos的req和pmos的req也是相同的(req = rds5*rl/rds5+rl)。
w/l5=β5/kp
β5=1/2*isource*req*2 (10)
其中req是电流(对pmos而言指源点电流;对nmos而言则指汇点电流)为1ma时的输入输出电压差。
对于nmos,让我们把方程式改写为:
rds5 = 1/?*id
w/l6 = β6/kp
β6 = 1/2*isink*req*2 (11)
就器件和工艺参数而言,您将需要下列信息:
?= 0.01
vto = 0.328
kp = 1e-5
对于轨至轨输出级,工程师将需要最大汇点电流和最大源点电流(由产品说明书或设计人员规定):
vdc5-vt5 = 1/(ro*β5+sqrt(β5*β6)) (12)
其中ro是开环输出阻抗。
vdc6-vt6 = vdc5-vt5*sqrt(β5/β6) (13)
网表中的输出级看起来应该是这样的:
* 输出级
m1 45 46 99 99 pox l = 1e-6 w = 3.20e-03
m2 45 47 50 50 nox l = 1e-6 w = 2.78e-03
eg1 99 46 poly(1)(98,30)3.684e-01 1
eg2 47 50 poly(1)(30,98)3.714e-01 1
*
在该模型的末尾以下面的方式列出了工艺和器件参数:
* 模型
*
.model pox pmos(level = 2,kp = 1.00e-05,vto = -0.328,lambda = 0.01,rd = 0)
.model nox nmos(level = 2,kp = 1.00e-05,vto = + 0.328,lambda = 0.01,rd = 0)
.model pix pnp(bf = 625,is = 1e-16,vaf = 130)
.model dx d(is = 1e-14,rs = 0.1)
.model dnoise d(is = 1e-14,rs = 0时,kf = 1.21e-10)
*
.ends mock
将cmrr和psrr添加到您的模型
添加cmrr和psrr就像具有压控电压源的电阻电容器(rc)网络那么简单(图2)。
图2. 可产生小信号cmrr、psrr和噪声(包括闪烁噪声)的简单电阻电容器(rc)网络
为模拟这些,我们需要的全部信息有:dc值、极点和零点位置,可在产品说明书的图中找到。
e1 =【10^ -(cmrr/20)*(零点/极点)】/2 (14)
就cmrr而言:
其中cmrr是dc值(以db为单位),零点和极点所用单位是hz。
r10 = 1/2*π*极点*c10 (15)
其中c10被任意设置为1μf(1e-6)。
r20 = 1/2*π*零点*c10 (16)
模型psrr与cmrr的方式相同。psrr增益项被表示为两项:
1. a = -vs*eps1(方程式11),其中vs是电源电压,而eps1 =【10^ -(cmrr/20)*(零点/极点)/2(方程式2)。在网表内,该表达式代表psrr网络中的“b”项。
2. “a”被用来抵消在指定电源电压下由“b”项引起的dc误差,并反馈到输入端的eos源。
正因如此,psrr在网表中这样表示:
eps1 21 98 poly(1)(99,50)a b
其中a和b均来源于上述的方程式1和方程式2。
根据网表,cmrr和psrr如下所示:
* cmrr网络
*
e1 72 98 ploy(2)(1,98)(2.98)0 5e-01 5e-01
r10 72 73 1.59e + 02
r20 73 98 1.59e-03
c10 72 73 1.00e-06
*
* psrr网络
*
eps1 21 98 ploy(1)(99,50)-1.2e-02 1
rps1 21 22 1.59e + 2
rps2 22 98 1.59e-3
cps1 21 22 1.00e-06
宽带噪声与1/f噪声
为了模拟噪音,工程师可以借助电流控制电压源(hn用于宽带噪声,hfn则用于1/f噪声或闪烁噪声)来创建一个单独的网络。首先,计算dnoise(在网表中)所需的器件参数。kf表示为:
kf = en^2*fc (17)
其中fc是1/f转角频率(来自产品说明书),而en是宽带噪声(来自产品说明书)。
hn被表示为:
sqrt(en^2-entotal^2-en^2) (18)
所有噪声源均应以nv/sqrthz为单位。
电流控制电压源具有两个项:a和b。
将“b”项设置成一个任意值1。“a”项等于“b”项除以1,000。这可跨闪烁噪声二极管从eos源处的反馈(作为dc误差)中消除dc偏置电压。
15nv/rt(hz)的电压噪声参考
*
vn1 80 98 0
rn1 80 98 16.45e-3
hn 81 98 vn1 15
rn2 81 98 1
*
* 闪烁噪声转角
*
dfn 82 98 dnoise
vfn 82 98 dc 0.6551
hfn 83 98 poly(1)vfn 1.00e-03 1.00e + 00
rfn 83 98 1
电源电流
工程师可借助压控电流源模拟电源电流。能用来对该电流进行设置的多项式表示为:
gsy 99 50 poly(1)(99,50)a b (19)
对“a”项进行设置,使其等于:
is - idq - i1 -(“b”*vs) (20)
其中is是电源电流;i1是尾电流(输入级);而vs是电源电压。
idq = kp*0.5*(w/l5)*vdc5*2*(1+?*vs/2) (21)
我们的理念是将输入对从内部电源驱至该模型,使它不为该模型汲取外部电流。“b”项仅仅是来自产品说明书的曲线is与vs的斜率。
* 内部电压参考
*
eref 98 0 poly(2)(99.0)(50,0)0 0.5 0.5
gsy 99 50 poly(1)(99,50)-11.2e-04 5.00e-07
evp 97 98(99,50)0.5
evn 51 98(50,99)0.5
结论
采用这种技术创建的宏模型能提供非常准确的结果,并使用参考部分提供的测试电路集合对该模型进行测试。还可基于产品说明书的参数调整公式,以便迅速改变该模型来满足工程师的需求。
作者: soufiane bendaoud
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