Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
IGE-XAOIGE-XAO
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Ufaj, ale sprawdzaj - modele SPICE - część 1

ghost666 28 Sty 2018 01:16 2436 0
  • Symulacje SPICE to niezmiernie przydatne narzędzie, które wykorzystywane jest chętnie przez inżynierów projektujących układy analogowe do testowania swoich projektów, zanim w ogóle przystąpią oni do ich realizacji. Projektanci Ci pokładają niezwykle duże zaufanie w dostarczane im modele SPICE układów elektronicznych i modelowane w ten sposób zachowanie projektowanych przez nich elementów. Jednakże - czy kiedykolwiek zadali sobie oni pytanie na ile zgodne z prawdą są używane przez nich modele SPICE? Na ile zbieżny jest model ich ulubionego wzmacniacza operacyjnego (op-ampa) z realnym, fizycznym elementem czy danymi zawartymi w karcie katalogowej?

    Jak często pokazuje praktyka wiele firm udostępnia modele SPICE swoich układów, które są uproszczone lub po prostu dokładne, przez co na przykład impedancja wyjściowa w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego (Zout) różni się w modelu i w karcie katalogowej. Róznice taką pokazano na rysunku 1. W tym przypadku dosyć łatwo jest sprawdzić co się nam obiecuje (w karcie katalogowej) i co się nam podaje w modelu SPICE. Tak diametralne różnice mają poważne implikacje w naszym projekcie, co przełożyć może się na niemiłe niespodzianki z układem, gdy tylko go zbudujemy i zaniesiemy di laboratorium pomiarowego.

    Ufaj, ale sprawdzaj - modele SPICE - część 1
    Rys.1. Porównanie impedancji Zout w symulacji SPICE i karcie katalogowej.


    Firma Texas Instruments chwali się posiadaniem jednych z najdokładniejszych modeli SPICE swoich elementów w całym przemyśle. Możemy im oczywiście ufać, ale nadal warto sprawdzać ich poprawność. W ten sposób powinniśmy postępować z każdym modelem, jaki dostarcza nam producent - "ufaj, ale sprawdzaj", jak mówi pewne radzieckie porzekadło.

    W rozpoczynającej się właśnie serii artykułów przyjrzymy się różnym układom, które pozwalają na sprawdzanie najważniejszych parametrów modeli SPICE wzmacniaczy operacyjnych. Zacznijmy od odrzucenia wpływu sygnału współbieżnego na wyjście (CMRR).

    CMRR definiuje się formalnie jako stosunek wzmocnienia dla sygnału współbieżnego i wzmocnienia układu dla sygnału różnicowego. Praktycznie rzecz biorąc, CMRR mówi nam o tym, jak duży offset napięciowy generuje się na wejściu wzmacniacza operacyjnego wraz ze zmianą napięcia współbieżnego na jego wejściach. Chcemy, aby układ miał wysokie CMRR, gdyż przekłada się to na niższy offset napięciowy na wyjściu op-ampa.

    CMRR zmienia się w funkcji częstotliwości, więc w kartach katalogowych wzmacniaczy operacyjnych znajdziemy całe widma CMRR dlka szerokiego zakresu częstotliwości, trak jak pokazano ro na rysunku 2 dla wzmacniacza OPA2187. Jeśli chcemy posłuchać więcej o samym współczynniku CMRR, to na przykład obejrzyjmy to wideo albo zajrzyjmy do jednego z postów na Elektrodzie, poświęconych temu współczynnikowi - część 1, część 2.

    Ufaj, ale sprawdzaj - modele SPICE - część 1
    Rys.2. CMRR w funkcji częstotliwości dla OPA2187.


    Jeśli chodzi o metody pomiaru CMRR dla modelu SPICE wzmacniacza operacyjnego istnieją w zasadzie dwie metody. Obie opracowane zostały przez Zaka Kaye, który pracuje jako inżynier układów analogowych w Texas Instrumens.

    Metoda zmodyfikowanego wzmacniacza różnicowego

    Pierwsza z opisanych tutaj metod opiera się o zmodyfikowany układ klasycznego wzmacniacza różnicowego. Schemat układu w tej metodzie zaprezentowano na rysunku 3. Badać będziemy CMRR dla układu OPA2187 - nowego wzmacniacza o wysokim współczynniku odrzucenia sygnału współbieżnego ze stajni Texas Instruments.

    Ufaj, ale sprawdzaj - modele SPICE - część 1
    Rys.3. Układ testowy dla CMRR (zmodyfikowany wzmacniacz różnicowy).


    Układ ten wykorzystuje zdolność symulatora SPICE do izolowania poszczególnych węzłów sieci dzięki sterowanym napięciowo źródłom napięciowym. Strategicznie umieszczone tego rodzaju źródła w układzie - na jego wejściu i wyjściu, izolują pętlę sprzężenia zwrotnego od wejściowej i wyjściowej impedancji op-ampa, co pozwala na lepsze 'wydobycie' charakterystyki CMRR dla układu. Po zestawieniu takie układu wystarczy wykreślić wykres dla zmiennej częstotliwości przebiegu AC w układzie i wyliczyć krzywą będącą stosunkiem napięcia Vcm do Vos. Na rysunku 4 pokazano wynik tych pomiarów w porównaniu do danych, jakie znajdziemy w karcie katalogowej układu OPA2187.

    Ufaj, ale sprawdzaj - modele SPICE - część 1
    Rys.4. Wyniki pomiaru z wykorzystaniem zmodyfikowanego wzmacniacza różnicowego i porównanie ich z danymi z karty katalogowej.


    Układ pozwolił na pomiar CMRR całkiem nieźle, jednakże symulacja odstaje trochę od danych katalogowych przy najwyższych częstotliwościach. Czy to wynika z niedokładności naszego modelu, czy też jakichś ograniczeń układu, który wykorzystujemy do jego testowania? aby to sprawdzić wykorzystajmy alternatywną metodę testowania modeli SPICE i porównajmy ich wyniki.

    Metoda otwartej pętli

    Druga metoda pomiarowa - do której schemat układu pokazano na rysunku 5 - oparta jest o otwartą pętlę sprzężenia zwrotnego. Ogromne indukcyjności zapewniają sprzężenie dla napięcia stałego, a rozpinają pętlę dla napięcia zmiennego, co umożliwia analizę zmiennoprądową op-ampa w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego. W układzie narysowano dwa osobne obwody - jeden dla wyznaczenia wzmocniena sygnału współbieżnego - Acm, a drugi dlka wyznaczenia wzmocnienia sygnału różnicowego - Adm.

    Ufaj, ale sprawdzaj - modele SPICE - część 1
    Rys.5. Układ do pomiaru CMRR w metodzie otwartej pętli sprzężenia.


    Aby wykreślić przebieg CMRR wystarczy przeliczyć funkcję przejścia AC i ewentualnie skorzystać z drobnego post-procesingu, by wykreślić stosunek wartości Adm do Acm. Na rysunku 6 widać rezultat tych pomiarów i obliczeń, dla takiej konfiguracji jak powyżej, porównany z katalogowymi danymi układu OPA2187.

    Ufaj, ale sprawdzaj - modele SPICE - część 1
    Rys.6. Wyniki pomiaru CMRR metodą otwartej pętli sprzężenia.


    Jak widać w przedstawionej powyżej metodzie wyniki są bardzo zgodne z wynikami doświadczalnymi z karty katalogowej - wszystko dzięki temu, że w takiej konfiguracji uzyskujemy idealną izolację wzmocnienia współbieżnego i różnicowego we wzmacniaczu operacyjnym. Metoda ta jest rekomendowana do wykorzystania za każdym razem gdy tylko się da.

    Pomiar CMRR dla INA1650

    Na samym końcu spójrzmy w jaki prosty sposób zmierzyć można CMRR dla układu INA1650. Jest to nowy w ofercie TI odbiornik audio o wysokim stopniu odrzuceniu sygnału współbieżnego. Z uwagi na bardzo wysoko zintegrowaną konstrukcję układu INA1650, można bez problemu podłączyć oba wejścia modelu do tego samego źródła sygnału zmiennego i wyliczyć funkcję przejścia AC. Po odwróceniu wyjścia dostajemy od razu widmo CMRR, tak jak pokazano to na rysunkach 7 i 8.

    Ufaj, ale sprawdzaj - modele SPICE - część 1
    Rys.7. Układ testowy do pomiaru CMRR dla układu INA1650.

    Ufaj, ale sprawdzaj - modele SPICE - część 1
    Rys.8. Wyniki pomiaru CMRR dla układu INA1650


    Mam nadzieję, że przebrnęliście przez pierwszą część artykułów z cyklu "ufaj, ale sprawdzaj" dotyczących modeli SPICE. W drugiej części przyjrzymy się jak mierzyć w programach SPICE impedancyję wyjścia i odpowiedź małosygnałową, aby ocenić stabilność układu.

    Źródło: http://e2e.ti.com/blogs_/b/analogwire/archive/2017/07/27/trust-but-verify-spice-model-accuracy-part-1-common-mode-rejection-ratio-cmrr

    Fajne! Ranking DIY
    Darmowe szkolenie: Ethernet w przemyśle dziś i jutro. Zarejestruj się za darmo.
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 9778 postów o ocenie 7964, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • IGE-XAOIGE-XAO