一個(gè)電壓反饋放大器宏模型可以仿真共同效果，如瞬態(tài)響應(yīng)、頻率響應(yīng)、電壓噪聲和輸入/輸出壓擺率(slew rate)限制。接下來我們將以實(shí)例模型詳盡描述每個(gè)級(jí)和相關(guān)實(shí)際器件的行為。這里沒有提供完整的晶體管原理圖，客戶可以利用充分提取的3D器件模型進(jìn)行精確的仿真來開發(fā)宏模型。

　　第一個(gè)關(guān)于運(yùn)算放大器宏 模型的技術(shù)是由Boyle在1974年開發(fā)的，僅使用了兩個(gè)晶體管、幾個(gè)二極管和線性元件。[1]電阻、電容、電感器和電壓/電流控制源等線性元件的仿真 遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于有源元件(active element)，并可用來提供極點(diǎn)、零點(diǎn)和任意增益。采用DC模型，可以用一個(gè)電壓控制電壓源作放大器，同時(shí)可以增加電阻以更好地表示輸入和輸出阻抗。電容、電感、二極管和晶體管可以提供適當(dāng)?shù)慕涣黜憫?yīng)。欲了解更多關(guān)于仿真模型的開發(fā)信息，請(qǐng)參見參考文獻(xiàn)Alexander和Bowers[2]和[3]。他們的模型如本例后面所述。

　　ISL28133是一個(gè)采用電壓反饋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的零漂移運(yùn)算放大器。其增益帶寬積為400kHz，壓擺率為0.2V/微秒，電源電流為18μA。圖1顯示了一個(gè)五級(jí)模型，它代表了實(shí)際電路框圖。這些級(jí)包括輸入、增益、頻率整形、輸出和噪聲模塊。

　　圖1. ISL28133宏模型框圖

　　(圖字：輸入級(jí)，增益級(jí)，頻率整形級(jí)，輸出級(jí)，噪聲模塊)

　　輸入級(jí)

　　零漂移放大器的 輸入級(jí)如圖2所示。100μA的電流源“I2”饋送pmos輸入對(duì)。一般情況下，I2應(yīng)選擇低于靜態(tài)電流。請(qǐng)記住，ISL28133的典型電源電流 (RL=open)僅為18μA。然而，很小的I2(約10μA)將使輸入電壓噪聲過大而無法仿真。這將在后面的噪聲分析部分討論。選擇 I2=100μA，并使用I1進(jìn)行補(bǔ)償。Cin1和Cin2是輸入共模電容，Cdiff是差模輸入電容。

　　圖2. 輸入級(jí)

　　增益級(jí)

　　這一級(jí)可以執(zhí)行模型中的一些重要功能

　　1)本級(jí)設(shè)置該部分的DC增益。所有后續(xù)級(jí)均可提供增益。

　　2)可實(shí)現(xiàn)壓擺率限制。

　　3)在AC特性中增加主極點(diǎn)(dominant pole)。

　　4)將信號(hào)從以電源作為參考量的兩個(gè)電壓水平移位至一個(gè)以中點(diǎn)作為參考量的單電壓。

　　5)限制輸出。

　　參見圖3，Ga是電路(block)G1和G2的增益。Gb是電路G3和G4的增益。

改變V3和V4的值可以限制壓擺率。此外，R8/C1和R7/C2決定了這一模式的主極點(diǎn)。E1用來在Vcc和Vee的中間設(shè)置參考電平。

　　圖3. 增益級(jí)

　　頻率整形級(jí)

　　這里采用的“伸縮”頻率整形技術(shù)是常見的運(yùn)算放大器建模方法。它很容易增加更多的極點(diǎn)和零點(diǎn)。每個(gè)頻率整形電路可以提供增益。這個(gè)模型包含的零極對(duì)如圖4所示。

　　高階極點(diǎn)級(jí)G7/8、R13/14和C3/4如圖5所示。

　　圖4. 零極點(diǎn)對(duì)兒級(jí)

　　圖5. 高階極點(diǎn)級(jí)

　　噪聲仿真

　　ISL28133的輸入電流噪聲非常小(約70)，所以在這個(gè)模型中可以忽略不計(jì)。MOSFET的電壓噪聲可以用以下公式仿真：

       ID是漏電流。高偏置電流需要低電壓噪聲。 在輸入級(jí)，尾電流設(shè)置得足夠高，以產(chǎn)生可以忽略的輸入電壓噪聲。在增加噪聲源之前，該模型將提供低于數(shù)據(jù)表中的規(guī)格或典型性能噪聲曲線的噪聲。圖6的噪聲 電壓模塊可通過使用一個(gè)偏置二極管-電阻器串聯(lián)組合的0.1V電壓源生成1/f和白噪聲。白噪聲是由熱噪聲電流產(chǎn)生的。

　　因此，給定噪聲電壓譜密度的所需電阻值為

　　該斬波穩(wěn)定放大器設(shè)計(jì)可大大減少1/f噪聲。1/f噪聲(閃爍噪聲，flicker noise)指的是出現(xiàn)的與頻率成反比的功率譜密度噪聲。更為普遍的是，具有譜密度()的噪聲也稱為1/f噪聲。通常情況下，其中的穿越白噪聲曲線的頻率閃爍噪聲曲線被定義為拐角頻率(corner frequency)。少量的閃爍噪聲仍然可在SPICE二極管模型內(nèi)進(jìn)行建模，參見圖6。

　　圖6. 噪聲電壓模塊

　　輸出級(jí)

　　在頻率整形級(jí)之后，信號(hào)出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)VV5，它以兩個(gè)電源軌的中點(diǎn)作為參考量。每個(gè)受控源可以產(chǎn)生足夠的電流，以支持其并聯(lián)電阻兩端所需的電壓 降。R15和R16等于開環(huán)輸出電阻的兩倍，所以它們的并聯(lián)組合可提供正確的Zout。D5-D8和G9/10被用來迫使電流從正電壓軌 (positive rail)流向負(fù)電壓軌(negative rail)，以糾正實(shí)際電流流入或流出。

圖7. 輸出級(jí)

　　仿真結(jié)果

　　以下列出了某些SPICE仿真結(jié)果與來自手冊(cè)的典型性能曲線的比較(見右邊來自手冊(cè)的圖)。

圖8. 增益、頻率與CL的對(duì)比

　　(圖字：標(biāo)準(zhǔn)增益(dB)，頻率(Hz))

　　圖8是增益、頻率與負(fù)載電容的對(duì)比。它不是很準(zhǔn)確，因?yàn)殡娐钒迳系募纳娙輿]有列在模型中。其誤差小于5%。

圖9. 頻率響應(yīng)與閉環(huán)增益對(duì)比

　　(圖字：增益(dB)，頻率(Hz))

　　圖9是具有不同增益的閉環(huán)增益頻率響應(yīng)。在增益=100時(shí)，帶寬為3.94kHz，誤差小于5%。在低增益條件下，由于零極點(diǎn)對(duì)的緣故帶寬擴(kuò)大。

　圖10. 大信號(hào)階躍響應(yīng)(4V)

　　(圖字：大信號(hào)(V)，時(shí)間(μs))

　　圖10是大信號(hào)階躍響應(yīng)。仿真的壓擺率為0.198V/μs，誤差為1%。

結(jié)論

　　電壓反饋放大器全 面的SPICE宏模型包括諸如傳輸響應(yīng)(transfer response)、準(zhǔn)確的AC響應(yīng)，DC偏移和電壓噪聲的影響。它很容易增加更多的功能，如共模抑制比(CMRR)、電源抑制比(PSRR)、輸入電流 噪聲等等。此外，它還可以方便地改變模型的參數(shù)，以適應(yīng)其他的電壓反饋放大器。幾款I(lǐng)ntersil的電壓反饋放大器采用了相同的模式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　ISL28133宏模型網(wǎng)表

　　* ISL28133宏模型

　　* B版本，2009年7月

　　* 該模型可仿真AC特性、電壓噪聲、瞬態(tài)響應(yīng)

　　* 連接： +輸入

　　* | -輸入

　　* | | +電源電壓

　　* | | | -電源電壓

　　* | | | | 輸出

　　* | | | | |

　　.subckt ISL28133 3 2 7 4 6

　　*Input Stage

　　C_Cin1 8 0 1.12p

　　C_Cin2 2 0 1.12p

　　C_Cd 8 2 1.6p

　　R_R1 9 10 10

　　R_R2 10 11 10

　　R_R3 4 12 100

　　R_R4 4 13 100

　　M_M1 12 8 9 9 pmosisil

　　+ L=50u

　　+ W=50u

　　M_M2 13 2 11 11 pmosisil

　　+ L=50u

　　+ W=50u

　　I_I1 4 7 DC 92uA

　　I_I2 7 10 DC 100uA

　　*Gain stage

　　G_G1 4 VV2 13 12 0.0002

　　G_G2 7 VV2 13 12 0.0002

　　R_R5 4 VV2 1.3Meg

　　R_R6 VV2 7 1.3Meg

　　D_D1 4 14 DX

　　D_D2 15 7 DX

　　V_V3 VV2 14 0.7Vdc

　　V_V4 15 VV2 0.7Vdc

　　*SR limit first pole

　　G_G3 4 VV3 VV2 16 1

　　G_G4 7 VV3 VV2 16 1

　　R_R7 4 VV3 1meg

　　R_R8 VV3 7 1meg

　　C_C1 VV3 7 12u

　　C_C2 4 VV3 12u

　　D_D3 4 17 DX

　　D_D4 18 7 DX

　　V_V5 VV3 17 0.7Vdc

　　V_V6 18 VV3 0.7Vdc

　　*Zero/Pole

　　E_E1 16 4 7 4 0.5

　　G_G5 4 VV4 VV3 16 0.000001

　　G_G6 7 VV4 VV3 16 0.000001

　　L_L1 20 7 0.3H

　　R_R12 20 7 2.5meg

　　R_R11 VV4 20 1meg

　　L_L2 4 19 0.3H

　　R_R9 4 19 2.5meg

　　R_R10 19 VV4 1meg

　　*Pole

G_G7 4 VV5 VV4 16 0.000001

　　G_G8 7 VV5 VV4 16 0.000001

　　C_C3 VV5 7 0.12p

　　C_C4 4 VV5 0.12p

　　R_R13 4 VV5 1meg

　　R_R14 VV5 7 1meg

　　*Output Stage

　　G_G9 21 4 6 VV5 0.0000125

　　G_G10 22 4 VV5 6 0.0000125

　　D_D5 4 21 DY

　　D_D6 4 22 DY

　　D_D7 7 21 DX

　　D_D8 7 22 DX

　　R_R15 4 6 8k

　　R_R16 6 7 8k

　　G_G11 6 4 VV5 4 -0.000125

　　G_G12 7 6 7 VV5 -0.000125

　　*Voltage Noise

　　D_DN1 102 101 DN

　　D_DN2 104 103 DN

　　R_R21 0 101 120k

　　R_R22 0 103 120k

　　E_EN 8 3 101 103 1

　　V_V15 102 0 0.1Vdc

　　V_V16 104 0 0.1Vdc

　　.model pmosisil pmos (kp=16e-3 vto=10m)

　　.model DN D(KF=6.4E-16 AF=1)

　　.MODEL DX D(IS=1E-18 Rs=1)

　　.MODEL DY D(IS=1E-15 BV=50 Rs=1)

　　.ends ISL28133

　　參考文獻(xiàn)

　　1. BOYLE，G.R.，“集成電路運(yùn)算放大器的宏建?！?，IEEE J. 1974, SC-9。

　　2. Derek Bowers、Mark Alexander、Joe Buxton，“‘電流反饋’運(yùn)算放大器的綜合仿真宏模型”，IEEE學(xué)報(bào)，137卷，1990年4月，137-145頁(yè)。

　　3. Mark Alexander、Derek Bowers，“符合AN-138 SPICE的運(yùn)算放大器宏模型”，ADI公司，應(yīng)用筆記138。

　　4. “用于‘電流反饋’放大器的全面SPICE宏模型AN-840的開發(fā)”，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司，應(yīng)用筆記840。