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(多图) 为低噪声小功率精密放大器建立准确的Spice模型

Don LaFontaine?? Intersil公司?? 2011年05月30日 ?? 收藏0

  系统工程师们需要所有类型IC的准确模型,他们需要用Spice模型来运行复杂的电路仿真。早期的Spice模型几乎没有什么非线性元件,需要以准确性为代价而获得尽量少的仿真时间,而新方法增加了非线性元件的数量,并改进了准确性。对于小功率低噪声运算放大器,可以建立一种多级的模型。模型采用了Analog Devices公司的工作成果(参考文献1),需要对小功率低噪声精密放大器的建模作一些架构上的改变。模型架构上要通过八级来处理输入信号。用一个手持计算器就可以简单地算出八级的一些参数。要理解建模过程,必须有使用Spice的经验。

  虽然较高速放大器有多个极点和零点,但本模型是针对单极的10 MHz放大器。它可以仿真放大器的主要AC与DC参数。该模型包含的AC参数有:闪烁噪声和平带噪声、转换速率、CMRR(共模抑制比)、增益和相位。DC参数有VOS(输入偏移电压)、IOS(输入偏移电流)、静态电流,以及输出电压摆幅。模型采用的是25°C典型参数(参考文献2)。输入级的模型愈接近实际放大器,则结果就会愈准确。对输入级晶体管或MOSFET采用一些工艺参数,可以实现放大器性能的准确AC表述。此模

型的架构可以对采用多电源的放大器建模。任何信号处理块中都没有参考地。经过差分至单端的转换后,所有内部产生的结点电压都参考到电源的中点,这非常像一个放大器的真实运行情况。

  八个级联级

  模型的电路逻辑图包含八个功能块(图1)。唯一看起来像放大器的电路是输入级(见表1)。所有其它级都通过压控电流源或压控电压源来处理输入信号。这些级还可能包含二极管、直流电源、电阻、电容以及电感。

图1 ,这个spice模型有八级

  电压噪声级产生闪烁与平带噪声。要产生一个仅为4nV/√H2的平带噪声,要将所有二极管和晶体管的模型参数kf与af分别设为0和1。为了将模型的噪声背景降低到一位数的纳伏水平,可能需要降低模型的Johnson噪声(参考文献3),方法是在可能的地方减小电阻值。

  减小电阻值以前,先计算出标准的电阻值,并完成所有的仿真调整。然后将电阻值减小到1Ω,就可以调整电压噪声级,并且重新计算跨导,以及各级的时间常数,以保持相同的传递函数。通常可以将电阻R5、R6、R9、R10、R1和R12设为1Ω。如果要建模的放大器有数百纳伏的输入信号,则不需要降低Johnson噪声。初始噪声仿真会告诉你是否需要这一步骤。一旦将模型的平带噪声设为低于放大器的噪声背景,就可以调节DN、R17和V5,改变闪烁噪声与平带噪声。

  所选运放的输入级包含有五只双极晶体管,用于实际IC结构的建模。对于采用NMOS或PMOS级的运算放大器(见附文1,“典型输入级”)。输入级包含一个模型的电流源IOS,一个模型的电压源VOS,以及一个压控电压源。R1和R2 决定了器件的CMRR。

  第一增益级将输入级与第一增益级的联合增益设为1,这简化了对第二增益级中转换速率限制元件的计算工作。二极管D2至D5以及V1至V4用于输出电压摆幅的箝位。增加V1至V4的值将减小最大输出电压摆幅。通过调节V1和V3可以控制最大输出电压摆幅VOH,而最小输出电压摆幅VOL受控于V2和V4。限压必须出现在开环增益级;否则,后面的结点就会试图模拟大信号(数百千伏)的生成。

  第二增益级设定开环电压增益、带宽以及放大器的转换速率,方法是调节跨导块G3和G4,以及元件R7、R8、C2和C3。

  中位电源参考级包括两个等值电阻R9和R10。这些电阻用于生成一个中位基准电压。将这些电阻值设为1Ω,可以降低模型的Johnson电压噪声。流经这些电阻的大电流不会出现在仿真结果中,因为有电源隔离级。

  共模增益级包括两个压控电流源,它驱动两只等值电阻,两只电阻与一个连接到电源轨的电感串联(见附文2,“VCCS级工作原理”)。电感模拟了CMRR在较高输入频率时的滚降。控制电流源的是相对于中位电压的输入共模电压。输入级的电阻R1和R2产生共模电压。每个源的跨导都设为用相关电阻值除以DC时放大器CMRR后的倒数。电感为共模增益补充了一个Z平面零点,等效于为CMRR增加了一极。在对共模电压的调节和频率整形后,再用一个压控电压源EOS将其加回到输入级。

  电源隔离级包括两个压控电压源与一个电流源。这样就能用结点列表中的一项,设定放大器的总电流。它还能将内部电流与仿真器看到的外部电流隔离开来,使模型能够提供小功率低电压噪声放大器的正确静态电流。设计折中是不能用输出电流的电路。禁用这个电路后,模型就不用考虑负载电流了。

  输出级的工作并不明显。经过适当的频率整形后,放大器的输出信号表现为一个以G7与G8输入点处中位电源为基准的电压。跨导块G7与G8驱动两只等值电阻,电阻连接到电


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CMRR? VCCS级?

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