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在线放大器参数评估工具加快放大器选择过程

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作者:Bill Chestnut,Travis Harkness


使用运算放大器设计电路很难建立一种程式化模式,除了偶尔使用误差预算。虽然模拟系统设计工程师对运算放大器有专门的考虑,但他们都是依靠经验判定哪些参数最终会导致问题。放大器的任务范围从简单的将信号源与负载隔离,到获取增益、移动直流电平、加大负载电流。一旦确定了电路的需求,设计工程师就开始计算满足这些任务要求的放大器参数。大多数计算都很简单,即使对新手而言,计算运算放大器必须提供的电流值和需要的余量也十分简单,但是还有其它很多参数会影响电路的性能。例如全功率带宽、转换速率、输入失调电压、偏置电流、失调电流、开环增益、共模抑制比(CMRR)以及允许的输入差分电压仅是其中几个参数。

由于很大程度上是依赖经验发现影响性能的参数,所以对新系统采用程式化标准设计容易产生误差。例如,我们考虑从一个很窄的频率带宽变成一个很宽的频率带宽的设计。放大器不仅必须用全功率带宽和转换速率来支持这个很宽的频率带宽,而且开环增益会随着频率的增大而减小,这就要考虑在不同频率点的增益需要满足电路的要求。尽管在低频窄带条件下没有问题,但是对于高频宽带应用由于带宽的增加,增益误差也会随之增大。许多工程师在初次宽带设计时都会忽略这项误差。

许多人可能会反对使用SPICE来做仿真以及检查这种误差。虽然使用SPICE是一种很好的尝试,但是SPICE并不能包罗万象。在这种情况下,细心的工程师会使用交流(AC)分析方法并观察增益误差在频率端点处的差异。但这要在完成参数搜索、参考产品技术资料和模型下载之后进行。如果参数限制是转换速率,那么目视检测普通的瞬态分析曲线在最初启动时根本无法检查出来。另外,SPICE依赖于精确模型的有效性,如果转换速率或主极点的模型不够精确,那么要正确分析这些例子可能仍有困难,或者不可能做到。Boyle宏观模型和甚至更先进的建模方法通常也有难处,因为要获得所有参数的精确行为模型都会很困难,当然这可能有点离题了。使用SPICE还存在其它一些严重的缺点。不是所有版本的SPICE都是通用的,因此该模型可能需要用户调整,特别是处理多项式语句。另外,仿真的收敛也是一个问题,因为它会导致一些无法预计的误差。SPICE不提供由参数引起问题的提示。

发现典型设计方法的潜在缺陷和耗费时间问题之后,则需要一种设计工具能够在深入设计之前找到问题并且能加速设计。ADI公司(Analog Devices, Inc., 简称ADI)最近开发的在线仿真工具恰好可满足这一需求。他们的放大器参数评估工具(见图1)允许电路设计工程师配置电路和信号源,选择放大器并且评估该放大器在该电路中的性能。图2a示出的电路波形只是说明转换速率限制的初始情况。就像在SPICE中一样,临界转换速率限制无法用目视检测到。然而,该设计工具中的交互消息示出了每一个标志条件的有用信息,包括它们为何发生和如何修复它们。(图2b所示的是转换速率限制情况下的提示信息,正常情况下不提示)。该设计工具允许分别加上或者去除由于放大器有限的开环增益而产生的直流误差和增益误差,还使用户能容易地检查出误差原因。当错误原因未在系统中但会导致严重后果时(大于1%满量程输出信号),对话框中会出现提示信息以帮助用户避免疏漏。

图1. 设计工具:放大器参数评估工具
图1. 设计工具:放大器参数评估工具

图2. 转换速率限制的初始情况下(a)信号波形和(b)提示信息
图2. 转换速率限制的初始情况下(a)信号波形和(b)提示信息

那么设计工具是如何工作和如何建模呢?通过执行服务器端数学代码模型,美国国家仪器(NI)公司的LabVIEWTM工具显然能计算出该电路的响应。电路设计工程师只要使用标准网络浏览器就能安装该设计工具并且浏览其数学计算结果。设计工具根据每个放大器及其电路配置的参量数据指示削波、电源限制、共模电压和差分电压限制、最小的稳定闭环增益、最大的输出电流额定值、带宽限制、电容负载驱动能力和转换速率限制。该设计工具利用另外的参数可评估失调电压引起的直流误差、偏置电流、失调电流、共模抑制比(CMRR)和电源抑制比(PSRR),并且指出由于放大器开环增益响应和有限输入阻抗造成的增益误差。

巧妙地利用该设计工具可以提供设计过程中的一些其它捷径。通过排除增益误差,余量或转换速率受限制的放大器能够很快的被筛出。有效的方法不是通过调整放大器增益以补偿这种影响,而是考虑放大器的限制。排除增益误差可以筛选出达到要求的输出信号范围的放大器,然后仅对其增益进行调整。直流误差以全正误差和全负误差出现,在这种情况下观察相对电源两端的摆幅余量是否足够大。仪表板用户接口能很方便地打印出该电路的快照和用于文档设计的任何相关的问题。

ADI公司的设计工具还有一些其它的独特优点。配置电路后,可以使用搜索引擎“推荐放大器”来为您需求的电路找到最匹配的运算放大器。另外,“推荐放大器”反馈所有的用该设计工具建模的放大器的状态,并将合适的放大器列在表的顶端。这一功能允许工程师快速查看他库存的所有放大器的状态,加速解决故障诊断和制造原型。实际上,该设计工具的用户不必总是按常规方法搜索放大器。用户可以设计成非单运算放大器的电路;“推荐放大器”能很快地找出最佳选择,然后设计工程师根据参考产品技术资料、仿真和制造原型能够找到最合适的放大器。

另一项工具“选择向导”,帮助新手配置电路和选择器件。通过简单的选择放大器反相端或同相端,设置其输入和输出范围,指示最大频率,选择向导可配置电路并且提供运算放大器推荐。选择向导是一种单步式帮助,用来确定根据输入输出范围设置电平移动和输入信号增益所有所需的无源元件。

无论是新手还是专家为了设计电路或者提供快速检查,采用ADI公司的放大器参数评估工具都能加快其放大器选择过程,并且为采用该放大器从事电路设计的工程师增强了信心。

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