CC BY
75
Верификация скорости нарастания выходного напряжения макромодели операционного усилителя
Костенников С.И., Тумковский С.Р.
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» [email protected], [email protected]
Аннотация: Рассмотрено три варианта тестовых схем для верификации скорости нарастания выходного напряжения макромодели операционного усилителя (ОУ). Рассмотренные варианты проиллюстрированы на примере ¿Р/СЕ-макромоделей ОУ LMH6642 компании Texas Instruments и ОР37 компании Analog Devices.
Ключевые слова: операционный усилитель, макромодель, LTSpice, схемотехническое моделирование, верификация, скорость нарастания выходного напряжения.
1 Введение
Схемотехническое моделирование имеет, в настоящее время очень большое значение, поскольку позволяет существенно сократить время разработки, а, следовательно, уменьшить время выхода изделия на рынок. Стандартом для создания систем схемотехнического моделирования де-факто стала программа SPICE [Quarles и др., 1972], разработанная в Department of Electrical Engineering and Computer Sciences, University of California, Berkeley. К таким системам, в первую очередь, относятся: HSPICE (фирма MetaSoftware), ORCAD (Cadence Design Systems, Inc.), ISSPICE (Intusoft), MicroCap (Spectrum Software), Altium Designer (Altium), Dr. Spice и ViewSpice (Deutsch Research). Широкое использование SPICE ориентированного программного обеспечения для схемотехнического моделирования создало растущий спрос на модели электрических компонентов, таких как диоды, транзисторы, операционные усилители и др. Такие модели, или макромодели, должны, с одной стороны, адекватно описывать характеристики компонента, а, с другой, не привносить в моделирование слишком большую детализацию, которая не только увеличивает время расчета, но и может привести к проблемам сходимости. Отвечая на эту потребность ведущие фирмы, производители электрических компонентов стали обеспечивать весь спектр выпускаемых полупроводниковых продуктов моделями и публикацией их в сети Интернет на своих сайтах.
Одним из востребованных элементов в аналоговой схемотехнике является операционный усилитель.
Первый интегральный ОУ juA709 на биполярных транзисторах, созданный Бобом Видлар (Bob Widlar) стал широко доступным, в конце
Верификация скорости нарастания выходного напряжения
макромодели операционного усилителя_
1960-х годов, однако был быстро заменен /лА741, который имел лучшую производительность и являлся более стабильным и простым в использовании. Многие производители электроники до сих пор производят различные модификации этого классического ОУ, которые узнаваемы по тому, что в маркировке содержат число "741". В последствии были разработаны ОУ с лучшими характеристиками на основе полевых транзисторах (FET), которые, в свою очередь, были заменены ОУ, выполненными на МОП (MOSFET) транзисторах [Wikipedia, 2015].
Основным преимуществом операционных усилителей в аналоговой схемотехнике является то, что добавление небольшого количества внешних компонентов, позволяет создать большое разнообразие схем функциональных узлов для решения задач обработки сигналов.
Еще несколько лет назад, ЯР/СЕ-макромодели ОУ плохо коррелировали с реальностью. Понимая это в 1995 году в рамках альянса компаний Electronic Industry Alliance (EIA) был создан совет по макромоделям {Compact Model Council% в который вошли компании: AMD, Analog Devices, Avanti, BTA Technology, Cadence Design System, Conexant System, Hewlett Packard, Hitachi, Motorola, IBM, Intel, Lucent Technology, NEC, Philips System, Texas Instruments и др. Задачей совета является стандартизация и решение проблем качества моделей [Зимин, 2009].
В настоящее время, SPICE - макромодели ОУ, в большинстве случаев, адекватно описывают реальные приборы. Однако, чтобы гарантировать, что ОУ соответствует заявленным для него характеристикам, проверка каждой новой макромодели ОУ перед ее использованием, является актуальной задачей.
Поэтому разработчику полезно иметь набор схем, позволяющих проводить верификацию основных параметров макромоделей и на этой основе оценивать их адекватность [Тумковский, 2004].
К числу основных параметров, определяющих динамические свойства ОУ относится скорость нарастания выходного напряжения.
2 Цель и постановка задачи
Целью настоящей работы является повышение эффективности и качества процесса схемотехнического моделирования изделий радиоэлектроники за счет разработки и внедрения набора рекомендаций по применению тестовых схем для верификации скорости нарастания выходного напряжения операционных усилителей.
Для достижения цели в работе решаются следующие задачи: • на основе анализа литературных данных произведен отбор тестовых схем для верификации скорости нарастания выходного напряжения,
• проведена верификация скорости нарастания выходного напряжения макромодели ОУ ЬМ6642 путем моделирования тестовых схем с применением подсистемы ЬТЗргсе.
3 Теоретическая часть
В теории для определения скорости нарастания выходного напряжения ЯЛ в качестве входного воздействия используется входной сигнал в виде ступеньки (рис. 1).
Рис. 1. Теоретическая интерпретация скорости нарастания выходного напряжения
А сама скорость нарастания выходного напряжения определяется как производная выходного напряжения по времени.
Уо - выходное напряжение ОУ.
Наименьшая скорость нарастания выходного напряжения получается при единичном усилении, поэтому это значение и приводят в справочных данных.
При воздействии синусоидального сигнала на входе ОУ имеем:
Скорость нарастания выходного напряжения имеет вид:
сIV
= —^ = соъ(2ф).
дх
С конечным значением скорости нарастания связано также уменьшение амплитуды выходного напряжения усилителя с ростом частоты входного сигнала (рис. 2).
г. 1. 1
О; о. о. -о.
0. 1 -
1. 2.
Рис. 2. Влияние скорости нарастания выходного напряжения на амплитуду и форму выходного напряжения
Верификация скорости нарастания выходного напряжения
макромодели операционного усилителя_
4 Экспериментальная часть
Для проведения верификации скорости нарастания выходного напряжения макромоделей ОУ применим свободно распространяемую подсистему LTSpice [Linear Technology]. Одним из достоинств LTSpice является то, что она позволяет легко адаптировать SPICE модели различных производителей [Володин, 2010].
В Российской федерации метод измерения скорости нарастания выходного напряжения установлен ГОСТ 23089.10-83 и основан на определении отношения разности напряжений на фронте импульса между уровнями 0.1 и 0.9 выходного напряжения ОУ к времени его нарастания.
Однако, как показывает практика, разные авторы и разные производители ОУ применяют различные методики определения указанного параметра [Лозицкий С., 2006]. Так, например, компания Texas Instruments предлагает в качестве тестовой схему на рис. За [Texas Instruments, 2013], авторы портала edrcuit Center [eCircuit Center, 2015] предлагают схему, представленную на рис. 36.
R2
а) б)
Рис. 3. Схема для расчета скорости нарастания выходного напряжения
При этом, в первом случае, на вход схемы подается сигнал в виде серии импульсов, а с выхода схемы (в точке out) снимается производная выходного напряжения по времени, равная, как было показано выше, значению скорости нарастания выходного напряжения (рис. 4а).
2IIUMV/S
Огти IGns j-u'nc 48ns G4ns 80 ns
a)
6)
Рис. 4. Скорость нарастания выходного напряжения: а) по схеме рис. За, б) по схеме
рис. 36
Во втором случае, на вход схемы подается сигнал - ступенька, а с выхода (в точке oui) снимается выходное напряжение (рис. 46), а скорость нарастания выходного напряжения просто рассчитывается как отношение приращения выходного напряжения ко времени. Из графика (рис. 46) видно, что выходное напряжение за 30нс нарастает до 4.5В, что соответствует £Д=150В/мкс.
Еще одна методика определения скорости нарастания выходного напряжения заключается в следующем. На вход тестовой схемы (рис. 5а) подают синусоидальный сигнал увеличивая частоту до тех пор, пока выходное напряжение не станет треугольной формы.
а) б)
Рис. 5. а) тестовая схема, б) результаты моделирования
Далее, как и в первом случае, скорость нарастания выходного напряжения определяется как приращение выходного напряжения за соответствующее время. Из рис. 56 - £Я=134В/мкс.
Во всех трех случаях нами получены значения близкие к 1 ЗОВ/мкс, что соответствует моделируемому во всех трех случаях операционному усилителю LMH6642.
На рис. 6 представлены результаты моделирования тестовых схем с применением макромодели ОУ ОР37 компании Analog Devices.
и^э Юмэ аи^э |гО|Л5 160|ДЗ О.Омг 0.4|Д5 О.вцг 1.6|45 г.0ц5 О.Оцз 1.ПМ5 г-Оцг 3.0|Д5 4.0М5
а) б) в)
Рис. 6. Результаты моделирования ОУ ОР37
Из результатов, представленных на рисунках 66 и 6в можно однозначно определить скорость нарастания выходного напряжения, которая в первом случае равна 11 В/мкс, а, во-втором, - 15В/мкс, что
Верификация скорости нарастания выходного напряжения
макромодели операционного усилителя_
соответствует приведенному в технических условиях диапазону: 11 В/мкс -17В/мкс.
Результаты моделирования, представленные на рис. 6а, объясняются наличием высокочастотных синусоидальных колебаний небольшой амплитуды, наложенных на импульсное выходное напряжение. Их наличие существенно меняет картину производной выходного напряжения ОУ по времени и, соответственно, затрудняет верификацию скорости нарастания выходного напряжения.
5 Заключение
В заключении отметим, что для верификации одного параметра полезно иметь несколько тестовых схем, поскольку, предлагаемые даже фирмой производителем микросхем тестовые схемы, не всегда позволяют получить гарантированный результат.
При этом затраты времени и сил на проверку макромоделей и документирование результатов верификации являются однократными, а полученные результаты, многократно используются в повседневной деятельности.
Настоящее исследование осуществлено в рамках Программы фундаментальных исследований НИУ ВШЭ в 2015 году (ТЗ-92, Код БЭСТ Д. 132477).
Список литературы
[Quarles и др., 1972] Spice 3 User Manual by Т. Quarles, A.R. Newton, D.O. Pederson, A. Sangiovanni-Vincentelli Department of Electrical Engineering and Computer Sciences University of California Berkeley, Ca., 94720.
[Тумковский, 2004] Тумковский C.P. Идентификация параметров моделей элементов РЭС//Технологии электромагнитной совместимости, 2004, №4, с. 43-47. [eCircuit Center] eCircuit Center // URL: http://www, ecircuitcenter. сот/, (Дата обращения 09.01.2015).
[Linear Technology] URL: http://www.linear.eom/designtools/software/#LTspice, (Дата обращения 09.01.2015 г.)
[Володин, 2010] Володин В.Я. LTspice: компьютерное моделирование электронных схем. — СПб. БХВ-Петербург, 2010. — 400 с. — (Электроника) [Wikipedia, 2015] Wikipedia. Operational Amplifiers. Retrieved on April 20, 2006, from: http://en. wikipedia/org/wiki/Operational amplifier. 2015
[Зимин, 2009] Зимин Ю. Уровни представления интегральных операционных усилителей при схемотехническом моделировании// Компоненты и технологии. 2009. № 10
[Texas Instruments, 2013] Texas Instruments. Application Report. AN-1516 Pspice Universal Test Circuits. SNOA475D-November 2006-Revised April 2013 [Лозицкий С., 2006] Лозицкий С. Схемы, методики и сценарии тестирования SPICE совместимых макромоделей операционных усилителей. Современная электроника. 2006. №4.
