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 4

ghost666 29 Cze 2018 16:36 633 0
  • W poprzedniej części cyklu analizowaliśmy szybkość narastania napięcia na wyjściach w modelu SPICE wzmacniacza operacyjnego. W wcześniejszych częściach analizowaliśmy współczynnik odrzucenia wpływu sygnału współbieżnego (CMRR) oraz offset napięciowy na wejściu układu.

    W poniższej, czwartej części, pochylimy się nad zagadnieniem sprawdzenia użyteczności modeli SPICE wzmacniaczy operacyjnych do testowania ich stabilności. Jeśli w naszym układzie pojawiają się oznaki braku stabilności - przeregulowanie, niegasnące oscylacje itp - to debugowanie takiej sytuacji może okazać się na prawdę złożone i trudne. Na szczęście mamy oprogramowanie SPICE, które pozwala nam zawczasu sprawdzić, czy napotkamy na tego rodzaju problemy czy nie. Oczywiście nasze symulacje mogą być tylko tak dobre, jak dobry jest nasz model układu.

    Istnieje wiele różnych metod kompensowania stabilności układu, ale omawianie strategii radzenia sobie z tym problemem istotnie wykracza poza zakres tego artykułu. Skupimy się tutaj jedynie na analizie modelu SPICE, mającej na celu potwierdzenie czy nadaje się on do analizowania stabilności realnego wzmacniacza operacyjnego. Jeśli interesuje Was samo zagadnienie stabilności i jej kompensacji, to więcej informacji znaleźć można chociażby tutaj.

    Impedancja wyjściowa w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego

    Najbardziej krytycznym parametrem, jaki musimy sprawdzić, gdy przystępujemy do analizy dokładności modelu op-ampa jest impedancja wyjściowa w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego - Zo. Najłatwiej wyobrazić sobie ten parametr jako impedancję dla małych sygnałów, która jest pomiędzy stopniem wzmocnienia w otwartej pętli (Aol) i pinem wyjściowym. Impedancja ta oddziałuje z Aol i sprzężeniem zwrotnym, aby finalnie dać odpowiedź zmiennoprądową układu. Na rysunku 1 zaprezentowano uproszczony schemat obrazujący Zo w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego.

    Ufaj ale sprawdzaj - modele SPICE - część 4
    Rys.1. Uproszczony model wzmacniacza operacyjnego.


    Jeśli producent wzmacniacza operacyjnego, dostarczający model SPICE nie odda dokładnie Zo w tym modelu, to całe zachowanie zmiennoprądowe układy będzie niepoprawne i nie będzie można wykorzystać go do analizy Zo. Na szczęście łatwo jest zweryfikować jego poprawność i porównać uzyskane dane z kartą katalogową. Na rysunku 2.





    Ufaj ale sprawdzaj - modele SPICE - część 4
    Rys.2. Układ testowy do pomiaru impedancji w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego.


    W układzie pokazanym powyżej, indukcyjność L1 tworzy stałoprądową pętlę sprzężenia zwrotnego, zapewniając jednocześnie, iż układ pracuje z zmienną pętlą sprzężenia zwrotnego dla sygnałów AC. Dodatkowo, kondensator C1 zwiera wyjście odwracające op-ampa do masy dla sygnałów zmiennych, co sprawia, ze pin ten nie będzie pływał.

    W układzie znajduje się źródło prądu AC - I_TEST, które steruje wyjściem wzmacniacza operacyjnego. Mierząc napięcie na wyjściu op-ampa możemy oszacować impedancję wyjściową korzystając z prawa Ohma.

    Aby wykreślić Zo mierzymy funkcję przejścia AC w interesującym nas zakresie informacji i wykreślamy napięcie wyjściowe Vout. Warto pamiętać, że symulator domyślnie pokazuje wyniki w decybelach. Jeśli wykreślimy wynik w skali logarytmicznej, to Vout będzie ekwiwalentem omów. Przetestujmy zatem w symulacji model SPICE układu OPA202, aby sprawdzić czy dostarczony przez Texas Instruments model zgadza się z danymi, jakie zawarte są w karcie katalogowej.

    Ufaj ale sprawdzaj - modele SPICE - część 4
    Rys.3. Wyniki pomiaru Zo dla OPA202: dane z karty katalogowej (niebieska linia) i symulacja w SPICE (czerwona linia).


    W tym przypadku wartość Zo tego op-ampa jest oddana przez model SPICE bardzo wiernie w porównaniu do karty katalogowej. Dodatkowo, jak widać na wykresie, impedancja jest bardzo płaska - źródło zachowuje charakter rezystancyjny do częstotliwości około 1 MHz. Jako że pomiar ten przekonuje nas, że wartość Zo jest poprawna, to możemy przystąpić do analizy odpowiedzi małosygnałowej op-ampa.

    Przeregulowanie wyjścia op-ampa

    Jednym z najprostszych sposobów, aby sprawdzić stabilność wzmacniacza operacyjnego (tak w symulacji jak i na warsztatowym stole) jest zmierzenie procentowego przesterowania wyjścia w odpowiedzi na skok jednostkowy lub przebieg prostokątny. Zakładając, że op-amp jest systemem drugiego rzędu to margines fazy (czyli stabilność), to pomiędzy procentowym przeregulowaniem wyjścia a marginesem fazy jest ścisła zależność matematyczna (poprzez współczynnik tłumienia oscylacji). Na rysunku 4 wykreślona jest tego rodzaju zależność dla przeregulowania w zakresie od 0% do 100%.

    Ufaj ale sprawdzaj - modele SPICE - część 4
    Rys. Zależność marginesu fazy of procentowego przeregulowania sygnału na wyjściu.


    Przeregulowanie wyjścia dla skoku jednostkowego testować można tak w układzie odwracającym jak i nieodwracającym. W tym artykule skupimy się jednakże na konfiguracji pokazanej na rysunku 5. Rezystancje RF i RI dobrano tak, by były na poziomie typowego obciążenia op-ampa - 2 kΩ, co daje wzmocnienie w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego równe -1 V/V. Kondensator CF kompensuje pojemności wejścia - współbieżną (C_CM) i różnicową (C_DIFF). Pojemność CL to pojemność obciążenia, którą ustawiamy na dosyć dużą wartość - 10 nF. Napięcie generowane przez Vin to napięcie wejściowe - przebieg prostokątny 5 mVpk o częstotliwości 10 kHz i wypełnieniu 50%. Dzięki temu mamy gwarancje, że na pewno nasz op-amp pozostaje w reżimie pracy liniowej.

    Ufaj ale sprawdzaj - modele SPICE - część 4
    Rys.5. Układ do testowania odpowiedzi impulsowej dla skoku jednostkowego; wzmocnienie -1 V/V.


    Wykorzystajmy opisany powyżej układ do zmierzenia przesterowania OPA202. Aby to zrobić uruchamiamy symulację SPICE (transient analysis - symulacja stanów przejściowych) na jeden okres sygnału, czyli 100 mikrosekund i wykreślamy napięcie Vin oraz -(Vout) - odwrócenie napięcia wyjściowego pomoże nam w analizie wyników, jako że układ to wzmacniacz odwracający - w ten sposób możemy bezpośrednio porównać oba przebiegi.

    Ufaj ale sprawdzaj - modele SPICE - część 4
    Rys.6. Przebieg sygnału na OPA202 podczas przesterowania. Wzmocnienie = -1 V/V, pojemność obciążenia CL = 10 nF.


    Równania 1 oraz 2 pozwalają wyliczyć nam przeregulowanie wyjścia, wyrażone procentowo (ϰ%):

    $$\kappa_{\%} = 100 \times \frac {V_{max} - V_{final}} {V_{step}}$$ (1)
    $$\kappa_{\%} = 100 \times \frac {7,11 mV - 5 mV} {10 mV} = 21,1%$$ (2)

    gdzie Vmax to maksymalne napięcie na wyjściu, Vfinal to ustabilizowane napięcie wyjścia, a Vstep to całkowite napięcie skoku.

    Jeśli spojrzymy teraz ponownie na wykres na rysunku 4 widzimy, że przeregulowanie na poziomie 21,1% przekłada się na margines fazy na poziomie 47°. Rekomendacje, dotyczące stabilności układu, mówią generalnie, iż aby ją zachować konieczny jest margines na poziomie 45° lub więcej. Wynika z tego, że nasz OPA202 będzie stabilnie działał z pojemności 10 nF na obciążeniu.

    Taką analizę przeprowadzić można dla innych pojemności obciążenia, aby sprawdzić czy otrzymana zależność zgadzać się będzie z specyfikacją OPA202 dotyczącą maksymalnej pojemności obciążenia sterowanego przez układ. Wyniki tych symulacji zaprezentowano na rysunku 7 wraz z danymi katalogowymi.

    Ufaj ale sprawdzaj - modele SPICE - część 4
    Rys.7. Wykres poziomu przesterowania w funkcji pojemności obciążenia - dane z karty katalogowej (niebieska krzywa) i modelu SPICE (czerwona krzywa).


    Przemiatając pojemnością obciążenia CL od 30 pF do 25 nF możemy porównać zależność tą z kartą katalogową. Widzimy, że dane zebrane z modelu SPICE dobrze pokrywają się z danymi katalogowymi, szczególnie dla większych pojemności. Oznacza to, że omawiane parametry wzmacniacza zostały dobrze oddane w karcie katalogowej, a to z kolei przekłada się na fakt, iż układy kompensacji stabilności sygnału opracowane i zasymulowane w SPICE będą również działały w realnym świecie.

    Źródło: https://e2e.ti.com/blogs_/b/analogwire/archive/2017/10/24/trust-but-verify-spice-model-accuracy-part-4-open-loop-output-impedance-and-small-signal-overshoot


    Fajne!