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

Ufaj, ale sprawdzaj - modele SPICE - część 3

ghost666 02 Lut 2018 20:44 1221 2
  • W poprzednich częściach artykułu pokazaliśmy, jak sprawdzać modele SPICE pod względem współczynnika odrzucenia wpływu sygnału współbieżnego (CMRR) oraz offsetu napięciowego na wejściu układu. W trzeciej części cyklu skupimy się na szybkości narastania napięcia na wyjściu układu oraz wpływowi diod zabezpieczających wejście na zachowanie wzmacniacza operacyjnego.

    Szybkość narastania

    Szybkość narastania definiuje się jako szybkość zmiany napięcia na wyjściu wzmacniacza operacyjnego na jednostkę czasu. Typowo wartość tego parametru podaje się w woltach na mikrosekundę - V/µs. Praca w tych warunkach nie jest dla op-ampa liniowa, więc zasadniczo przy maksymalnych szybkościach narastania mamy do czynienia pracą w nieliniowym reżimie układu - z zakłóceniem. Zakłócenie to ma miejsce w systemie tak długo, jak długo różnica napięć na wejściach op-ampa nie jest zerowa, kiedy to układ wraca do pracy w swoim liniowym zakresie. Więcej informacji na temat szybkości narastania wyjścia we wzmacniaczach operacyjnych znaleźć można tutaj.

    Jednym z sposobów, w jakie wprowadzić układ można w ten nieliniowy stan, jest podanie na wejście skoku jednostkowego o amplitudzie powyżej 100 mV. Jednakże ograniczenia wynikające z skończonej szybkości narastania napięcia na wyjściu układu obserwować też można na sygnałach o dużej amplitudzie i wysokiej częstotliwości. W przypadku aplikacji np. audio objawia się to przycinaniem sygnałów sinuosoidalnych do trójkątnych, jak pokazano na rysunku 1. Zmiany tego rodzaju są nie tylko widoczne w oscylogramie, ale także słyszalne dla odbiorcy.

    Ufaj, ale sprawdzaj - modele SPICE - część 3
    Rys.1. Przycinanie sygnału sinusoidalnego do trójkątnego powodowane ograniczeniem szybkości narastania napięcia na wyjściu układu


    Przy używaniu symulatorów SPICE w aplikacjach audio często spotyka się skoki jednostkowe lub sygnały o dużej amplitudzie, na przykład za multiplekserem. Dlatego też w tych, jak i w innych aplikacjach warto testować modele SPICE pod względem szybkości narastania napięcia wyjściowego. Na rysunku 2 zaprezentowano układ pomiarowy do tej wartości.

    Ufaj, ale sprawdzaj - modele SPICE - część 3




    Rys.2. Układy testowy do szybkości narastania napięcia wyjściowego w symulatorze SPICE


    W przedstawionym powyżej układzie wzmacniacz skonfigurowany jest do pracy jako bufor o wzmocnieniu równym jeden. Na jego wejście nieodwracające podawany jest skok jednostkowy. Amplituda tego skoku dopasowana jest do parametrów op-ampa, jakie znaleźć możemy w jego karcie katalogowej. Chodzi o to, żeby napięcie skoku było większe niż próg przejścia w reżim nieliniowy układu.

    Prześledźmy to na przykładzie układu OPA196 od Texas Instruments. To nowy precyzyjny op-amp z rodziny e-Trim. Karta katalogowa specyfikuje, że skok jednostkowy o amplitudzie 10 V pozwala na wejście w reżim nieliniowości. Taki właśnie skok jednostkowy przyłożony zostanie do modelowanego układu.

    Aby wyznaczyć napięcie narastania analizujemy część krzywej krzywej od 10% sygnału wyjściowego do 90% sygnału maksymalnego, dokładnie tak jak pokazano na rysunku 3.

    Ufaj, ale sprawdzaj - modele SPICE - część 3
    Rys.3. Wynik testu szybkości narastania napięcia na OPA196.


    Równania od 1 do 3 pozwalają nam w prosty sposób obliczyć szybkość narastania napięcia dla OPA196:

    $$SR = \frac {\delta V} {\delta t}$$ (1)
    $$ SR = (4 V - (-4 V)) / (3,73 \mu s - 2,99 \mu s)$$ (2)
    $$ SR = \frac {8 V} {1,07 \mu s} = 7,5 \frac {V} {\mu s }$$ (3)

    gdzie ΔV jest zmianą napięcia w czasie Δt, która jest zmianą od 10% do 90% podczas narastania napięcia na wyjściu. W przypadku tego układu zmierzona wartość jest dokładnie taka sama jak w karcie katalogowej - 7,5 V/µs. Można ten sam pomiar powtórzyć dla skoku jednostkowego o -10 V, aby wyznaczyć szybkość opadania napięcia wyjściowego.

    Sprawdzanie działania diod zabezpieczających na wejściu

    W przypadku niektórych wzmacniaczy operacyjnych sprawdzanie ich modeli SPICE wymaga jednego dodatkowego kroku, z uwagi na obecnie na wejściu diody zabezpieczające wejście. Po przyłożeniu dużego skoku napięcia do wejścia takiego elementu diody te zaczną przewodzić pomiędzy wejściem odwracającym a nieodwracającym w niesymetryczny sposób. Rezultatem tego jest niepoprawny pomiar szybkości narastania napięcia na wyjściu układu. Na rysunku 4 pokazano wpływ tego zjawiska na pomiary dla układu OPA1678.

    Ufaj, ale sprawdzaj - modele SPICE - część 3
    Rys.4. Wyniki testów szybkości narastania napięcia na wyjściu bez ograniczenia prądu wejściowego dla OPA1678.


    Pokazany tutaj efekt nie był w ogóle widoczny dla poprzedniego układu - OPA196, głównie ze względu na to, że element ten jest częścią rodziny wzmacniaczy dedykowanych do zastosowania z multiplekserami. Ich projekt sprawia, że nie ma potrzeby korzystać w strukturze z diod zabezpieczających, a dzięki temu układ doskonale radzi sobie z dużymi skokami napięcia na wejściu. Podobnie zachowują się układy z tranzystorem polowym JFET na wejściu, takie jak OPA145.

    W przypadku układów takich jak OPA1678 konieczne jest ograniczenie prądu płynącego przez diody zabezpieczające. Można to zrealizować umieszczając opornik około 10 kΩ szeregowo z wyjściem lub w sprzężeniu zwrotnym, pomiędzy wyjściem a wejściem odwracającym układu. Na rysunku 5 zaprezentowano schemat tak zmodyfikowanego układu, a na rysunku 6 wyniki przeprowadzonych na nim symulacji.

    Ufaj, ale sprawdzaj - modele SPICE - część 3
    Rys.5. Schemat zmodyfikowanego układu do pomiaru szybkości narastania z ograniczeniem prądu wejściowego.

    Ufaj, ale sprawdzaj - modele SPICE - część 3
    Rys.6. Wyniki pomiarów szybkości narastania napięcia dla OPA1678 przeprowadzone w zmodyfikowanym układzie.


    Wykorzystując równanie 1 można ponownie wyliczyć szybkość narastania napięcia, tym razem dla OPA1678. Wyliczona wartość wynosi 8,9 V/µs - bardzo blisko katalogowych 9 V/µs.

    Alternatywą dla wykorzystywania rezystora ograniczającego prąd, jest skonfigurowanie wzmacniacza operacyjnego do pracy jako wzmacniacz odwracający. W takim wypadku rezystor wejściowy i w pętli sprzężenia zwrotnego ograniczają prąd.

    Źródło: http://e2e.ti.com/blogs_/b/analogwire/archive/2017/09/18/trust-but-verify-spice-model-accuracy-part-3-slew-rate-and-input-clamping-diodes


    Fajne!
  • #2 04 Lut 2018 14:33
    kulmar
    Poziom 25  

    ghost666 napisał:

    Szybkość narastania

    Szybkość narastania definiuje się jako szybkość zmiany napięcia na wyjściu wzmacniacza operacyjnego na jednostkę czasu. Typowo wartość tego parametru podaje się w woltach na mikrosekundę - V/µs. Praca w tych warunkach nie jest dla op-ampa liniowa, więc zasadniczo przy maksymalnych szybkościach narastania mamy do czynienia pracą w nieliniowych reżimie układu - z zakłóceniem. Zakłócenie to ma miejsce w systemie tak długo, jak długo różnica napięć na wejściach op-ampa nie jest zerowa, kiedy to układ wraca do pracy w swoim liniowym zakresie. Więcej informacji na temat szybkości narastania wyjścia we wzmacniaczach operacyjnych znaleźć można tutaj.
    [/url]



    Slew - rate określa maksymalną szybkość, z jaką wzmacniacz operacyjny może zmieniać napięcie na swoim wyjściu. Nie wdając się w szczegóły to ograniczenie wynika z faktu, że wydajność prądowa poszczególnych stopni wzmacniacza jest ograniczona, a występują tam pojemności, które trzeba przeładować.
    W związku z tym oprócz pasma przenoszenia wzmacniacza ważny jest ten współczynnik - bo im większa częstotliwość sygnału sinusoidalnego i jego AMPLITUDA tym bardziej zbliżamy się do ograniczenia wynikającego ze współczynnika Slew - rate. Liczy się takie rzeczy prosto, bo dla sygnału sinusoidalnego o znanej częstotliwości i amplitudzie znana jest MAKSYMALNA SZYBKOŚĆ NARASTANIA takiego sygnału. Podpowiem - liczy się w maksimum pochodnej. I tyle.

  • #3 07 Lut 2018 21:19
    Krzysiek16
    Poziom 24  

    ghost666 napisał:
    więc zasadniczo przy maksymalnych szybkościach narastania mamy do czynienia pracą w nieliniowych reżimie układu


    Co to, do diabła starego, znaczy? Czy tak trudno przetłumaczyć tekst ze zrozumieniem? :(