運(yùn)算放大器電路魅力無(wú)窮。采用運(yùn)算放大器構(gòu)建優(yōu)雅的反饋應(yīng)用，是吸引我投身電子設(shè)計(jì)行業(yè)的初衷。仿真作為一種直觀展示電路性能的方式，是研究反饋思路和培養(yǎng)運(yùn)算放大器電路直覺(jué)的理想工具。

然而，運(yùn)算放大器電路的仿真卻也帶來(lái)令人痛心的諷刺：盡管IC設(shè)計(jì)工程師在運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)中幾乎不可避免地要用到SPICE，但在一些更大的應(yīng)用電路中，使用SPICE來(lái)仿真最終的運(yùn)算放大器卻十分困難；或者至少比我想象的困難得多。本文旨在解決這一問(wèn)題，希望能夠?yàn)檫\(yùn)算放大器建模提供一個(gè)一勞永逸的解決方案。

問(wèn)題的關(guān)鍵在于：SPICE在晶體管級(jí)別的仿真方面表現(xiàn)出色；然而，IC設(shè)計(jì)工程師要盡一切可能，讓人難以分辨運(yùn)算放大器中是否存在晶體管。他們希望您能夠使用運(yùn)算放大器手冊(cè)為設(shè)計(jì)提供參考，并且不會(huì)因?yàn)榫w管的限制而偏離理想的運(yùn)算放大器性能。而當(dāng)您意識(shí)到SPICE中沒(méi)有任何原生電路元件的性能與運(yùn)算放大器相似時(shí)，這種諷刺意味就更加明顯。搭建一個(gè)模擬運(yùn)算放大器的模型困難重重，要么可能比原始的晶體管級(jí)別模型實(shí)現(xiàn)更難求解，要么會(huì)因過(guò)于簡(jiǎn)化而失去實(shí)用價(jià)值；這是一個(gè)技術(shù)難題。并且，IC制造商并沒(méi)有理由了解如何在應(yīng)用層面對(duì)運(yùn)算放大器建?！?yàn)檫@根本不是運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)過(guò)程的一部分。這就使制造商陷入了尷尬的境地。他們的客戶要求獲得適用于電路設(shè)計(jì)的模型，但制造商通常不具備必要的建模專(zhuān)業(yè)知識(shí)。此外，各方利益的沖突也使得情況進(jìn)一步復(fù)雜。制造商希望突出展示其運(yùn)算放大器產(chǎn)品的差異化優(yōu)勢(shì)，如更低的偏移和更高的電源抑制比（PSRR）。然而，他們?cè)谶M(jìn)行這種展示時(shí)，并未考慮到設(shè)計(jì)流程是否能實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)計(jì)。

由于運(yùn)算放大器制造商缺乏建模方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，他們通常選擇與具有專(zhuān)門(mén)側(cè)重點(diǎn)的建模咨詢承包商合作。承包商傾向于重復(fù)利用他們的專(zhuān)有模板電路，并僅根據(jù)主極點(diǎn)、相位裕度、輸出電壓范圍等關(guān)鍵要素進(jìn)行調(diào)整。該模板采用稱為“contraptous”的方法，只使用最簡(jiǎn)單和最常見(jiàn)的SPICE基本組件來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種方法對(duì)咨詢師而言頗為有利，因?yàn)槠洳槐貫椴煌腎C制造客戶定制不同的模型；同時(shí)這些模型也經(jīng)得起委員會(huì)的審查，因?yàn)樗鼈冎皇褂盟蠸PICE程序共有的功能。然而，此類(lèi)模型的模板通常是在對(duì)SPICE求解器工作原理缺乏詳細(xì)了解的情況下編寫(xiě)的，這導(dǎo)致模型在從一個(gè)仿真環(huán)境遷移到另一個(gè)仿真環(huán)境時(shí)，無(wú)論如何都需要進(jìn)行再次調(diào)整。顯然，這種基于現(xiàn)有技術(shù)最低共同點(diǎn)的解決方案并非最佳實(shí)踐。

這些相互競(jìng)爭(zhēng)的方法導(dǎo)致了復(fù)雜的運(yùn)算放大器模型；此類(lèi)模型既不正確，又難以在大型電路中求解。首先，讓我們來(lái)探討其不正確的原因。以偏移電壓為例；制造商期待模型能夠展示其運(yùn)算放大器在偏移電壓和偏置電流方面優(yōu)于其它公司的產(chǎn)品，并希望模型能夠展示一個(gè)典型的偏移值。但實(shí)際上，IC設(shè)計(jì)人員作為有責(zé)任心的專(zhuān)業(yè)人士，會(huì)盡可能地消除偏移。在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，有些器件會(huì)有正偏移，有些具有負(fù)偏移。除非產(chǎn)品設(shè)計(jì)本身存在錯(cuò)誤，否則不會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)性偏移。但是，制造商為了強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品差異化，會(huì)要求模型顯示系統(tǒng)偏移電壓。對(duì)于這種僅僅為了突出差異化而建立的模型，問(wèn)題在于，如果優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)需要運(yùn)算放大器來(lái)調(diào)節(jié)，那么得到的優(yōu)化點(diǎn)并不正確；并且以模型的偏移電壓為中心還會(huì)導(dǎo)致最壞情況下的誤差加倍。您完全可以跳過(guò)仿真，直接參考運(yùn)算放大器手冊(cè)中的設(shè)計(jì)方法，選擇成本更低的運(yùn)算放大器，并獲得更佳的電路性能。這個(gè)問(wèn)題還延伸到運(yùn)算放大器建模的其它方面。例如PSRR。IC設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中也盡可能地將其消除。有時(shí)，其幅度可能是已知的（至少?gòu)膶?duì)數(shù)尺度可以看出），但相位信息卻未知。我從未見(jiàn)過(guò)將PSRR表示為復(fù)數(shù)的數(shù)據(jù)表。偏移和PSRR不以真實(shí)平均值為中心的錯(cuò)誤，對(duì)于使用多個(gè)運(yùn)算放大器的電路來(lái)說(shuō)尤為嚴(yán)重。我無(wú)法想象擁有多個(gè)具備相同偏移和PSRR的運(yùn)算放大器是多么奢侈。

從更深層次上講，這些方法之所以會(huì)導(dǎo)致運(yùn)算放大器建模出現(xiàn)如此嚴(yán)重的問(wèn)題，是因?yàn)檫@些模型通常得不到熟悉仿真設(shè)計(jì)流程人員的支持。IC制造商的應(yīng)用工程師抱怨，客戶不會(huì)觀察輸入共模范圍之類(lèi)的參數(shù)，卻要求對(duì)其“建?！?。然而，就設(shè)計(jì)流程而言，如果在沒(méi)有模擬輸入共模范圍的情況下進(jìn)行仿真，然后在電路運(yùn)行過(guò)程中檢查是否超出輸入共模范圍，通常更為合理。這與擊穿電壓的處理方式類(lèi)似；除非設(shè)備屬于雪崩級(jí)（即在部署時(shí)會(huì)安全擊穿），否則最好不要在仿真中包含擊穿電壓，而是讓電壓自由變化，并讓仿真設(shè)備承受一切可能的問(wèn)題。待仿真完成后再審核結(jié)果，以查看是否有超過(guò)額定電壓的情況。否則，就很難知道是否發(fā)生了擊穿；設(shè)計(jì)流程甚至可能會(huì)產(chǎn)生一個(gè)在某些器件燒毀冒煙后才起作用的設(shè)計(jì)。

上述段落包含了一個(gè)爭(zhēng)議點(diǎn)：IC制造商的應(yīng)用工程師可能會(huì)輕視客戶的設(shè)計(jì)能力。這也是人之常情，因?yàn)橐粋€(gè)只負(fù)責(zé)支持自己IC項(xiàng)目的人，自然很容易對(duì)那些不太熟悉這些IC的用戶評(píng)頭論足。但在某種程度上，我們必須認(rèn)識(shí)到，這些IC制造商的應(yīng)用工程師并不會(huì)像他們的客戶那樣購(gòu)買(mǎi)大量在公開(kāi)市場(chǎng)流通且必須在競(jìng)爭(zhēng)中生存下來(lái)的元器件。出于這個(gè)原因，從最終分析來(lái)看，我并不認(rèn)為客戶比自己更笨，甚至于我可能最終都找不到比我更笨的人了。我所編寫(xiě)的每一個(gè)仿真器都是為了讓人們感覺(jué)自己很聰明，讓他們能夠使用工具來(lái)培養(yǎng)對(duì)所設(shè)計(jì)電路的理解。

說(shuō)了這么多，讓我們回歸主題。為了簡(jiǎn)化運(yùn)算放大器建模，QSPICE包含了一個(gè)全新的原生電路元件。它作為一個(gè)跨導(dǎo)，從電源軌獲取電流（而不是神奇地作為自己的電源運(yùn)行）；當(dāng)輸出接近電源軌時(shí)，它會(huì)像滿足平方律關(guān)系的FET一樣轉(zhuǎn)換為電阻。其功能與軌至軌輸出（RRO）運(yùn)算放大器精心設(shè)計(jì)的互補(bǔ)接地源輸出級(jí)類(lèi)似。

內(nèi)部補(bǔ)償RRO運(yùn)算放大器的常見(jiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括一個(gè)從該輸出到內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的米勒倍增電容。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也是QSPICE中一個(gè)原生電路元件。本仿真演示了如何提取QSPICE RRO運(yùn)算放大器原生電路元件的開(kāi)環(huán)響應(yīng)：

R1的值是“1 AC 1T”。這意味著對(duì)于直流解決方案，它表現(xiàn)為1Ω的電阻；但從交流角度分析，它呈現(xiàn)為1e12Ω的電阻。相反，R2在直流解決方案中為1e12Ω的電阻，而從交流角度分析則成為1Ω的電阻。針對(duì)交流和直流使用不同阻值的功能源自HSPICE，并且常作為電壓跟隨器來(lái)用于求解偏置點(diǎn)，之后直接在開(kāi)環(huán)中進(jìn)行交流分析。實(shí)例參數(shù)Avol、GBW、Slew和Phi分別表示開(kāi)環(huán)電壓增益、增益帶寬、壓擺率和相位裕度。由于RRO具有高阻抗輸出，電壓增益基本上可達(dá)到無(wú)限大。這就是為什么需要引入?yún)?shù)Rload來(lái)指定用于測(cè)量開(kāi)環(huán)電壓增益的負(fù)載阻抗。

我們可使用簡(jiǎn)單推導(dǎo)的方程式來(lái)設(shè)置RRO運(yùn)算放大器設(shè)備。在波形窗口中，光標(biāo)設(shè)置為5MHz，但增益為1.4dB而非零，相移為58°而非60°。此時(shí)，我們可以調(diào)整實(shí)例參數(shù)GBW和Phi以匹配所需的運(yùn)算放大器。

RRO器件支持對(duì)完整運(yùn)算放大器進(jìn)行建模所需的所有參數(shù)：主極點(diǎn)、相位裕度、隨機(jī)噪聲、輸入電容（包括正常和共模電容）、電壓和電流輸出能力等。以下是實(shí)例參數(shù)的完整列表：

另外，沒(méi)錯(cuò)；您也可以直接為其設(shè)置一個(gè)偏移電壓作為實(shí)例參數(shù)，以確定器件精度和散射的影響。

接下來(lái)讓我來(lái)解釋一下輸入電容，即CAPINCM和CAPINNM。CAPINCM表示當(dāng)兩個(gè)輸入同時(shí)驅(qū)動(dòng)時(shí)的電容，而CAPINNM是差分驅(qū)動(dòng)時(shí)的電容。這并不是輸入端之間的電容，而是在正常模式穩(wěn)定性分析中需要關(guān)注的電容。值得注意的是，一些IC制造商會(huì)錯(cuò)誤地將數(shù)據(jù)表中引腳對(duì)引腳的電容列為正常模式電容。

QSPICE RRO運(yùn)算放大器器件解決了幾個(gè)問(wèn)題。其不僅讓每個(gè)人都能通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)值填寫(xiě)成為運(yùn)算放大器建模專(zhuān)家，還確保了建模和未建模的部分完全透明，讓您深入了解模型的運(yùn)作。當(dāng)然，除了強(qiáng)大的原生電路元件，QSPICE也支持快速、便捷地從第三方導(dǎo)入歷經(jīng)驗(yàn)證的各種模型，以幫助開(kāi)發(fā)者減少重復(fù)工作量、實(shí)現(xiàn)更豐富的仿真功能。歡迎小伙伴們點(diǎn)擊下方視頻了解~

對(duì)于一些人來(lái)說(shuō)，QSPICE RRO運(yùn)算放大器設(shè)備的高速運(yùn)算性能至關(guān)重要。求解電路所需的時(shí)間更多地取決于求解方程的數(shù)量，而非器件的數(shù)量。您可以通過(guò)在SPICE仿真中添加“.options acct”來(lái)確定求解電路所需的方程數(shù)量。因此，為計(jì)算運(yùn)算放大器模型中的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)數(shù)，可以在一個(gè)空白原理圖中放置一個(gè)模型實(shí)例，并將所有引腳接地。隨后，運(yùn)行任意仿真并檢查控制臺(tái)輸出；輸出應(yīng)顯示為“Circuit Equations： 2（電路方程：2）”，這意味著QSPICE的RRO運(yùn)算放大器器件包含兩個(gè)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)。相比之下，在通用工業(yè)運(yùn)算放大器模型上進(jìn)行的同樣測(cè)試，通常需要40到150個(gè)方程。如果您只仿真幾個(gè)運(yùn)算放大器，這些并不重要，但當(dāng)您將系統(tǒng)的其它部分用作運(yùn)算放大器電路的測(cè)試矢量時(shí)，它便變得重要起來(lái)。

QSPICE的RRO運(yùn)算放大器器件還讓您能夠研究電路在溫度條件變化下的性能，而一般供應(yīng)商提供的運(yùn)算放大器模型則無(wú)法做到這一點(diǎn)。使用簡(jiǎn)單的電阻反饋網(wǎng)絡(luò)時(shí)，相位偏移可能會(huì)先于幅度偏移發(fā)生，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集錯(cuò)誤。

本示例展示了如何在GBW中添加溫度相關(guān)性：

我只是將GBW的值設(shè)定為一個(gè)包含其溫度系數(shù)（tempco）的表達(dá)式。

在信號(hào)調(diào)理過(guò)程中，運(yùn)算放大器GBW的溫度相關(guān)性可能引發(fā)的誤差很容易超過(guò)無(wú)源元件因溫度相關(guān)性而產(chǎn)生的誤差。例如，指定25ppm/°C的電阻很簡(jiǎn)單；但假設(shè)我們選擇10ppm/°C，則在-40°C到150°C的溫度范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生0.2%的誤差。在這個(gè)仿真中我們可以看到，在假設(shè)20kHz的分析頻率下（這種頻率可能用于石油勘探等場(chǎng)景），幅值誤差為3.2%，相位誤差為8°。下圖為增益隨溫度變化的曲線圖，這里僅考慮了運(yùn)算放大器GBW溫度相關(guān)性的影響：

借助QSPICE的RRO運(yùn)算放大器器件，您可以設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并在石油勘探等應(yīng)用中預(yù)測(cè)其在井下或地表的性能，無(wú)論地點(diǎn)位于北極還是非洲。

審核編輯：黃飛