全面、快速的運算放大器SPICE模型

運算放大器 （op amps） 是現代電子產(chǎn)品的基石，因其多功能性和精度而備受推崇。它們體現了反饋設計的優(yōu)雅，激勵了一代又一代的工程師探索模擬電路的復雜性。

長(cháng)期以來(lái)，像 SPICE 這樣的仿真工具對于可視化和優(yōu)化電路行為來(lái)說(shuō)是必不可少的。然而，在應用電路中仿真運算放大器時(shí)，出現了一個(gè)明顯的諷刺意味。雖然 SPICE 是晶體管級設計的首選工具，但它在更廣泛的電路應用中對運算放大器進(jìn)行建模的實(shí)用性還有很多不足之處。

本文探討了運算放大器建模的挑戰、傳統方法的局限性，以及 Qorvo 如何提供創(chuàng )新解決方案。

SPICE 仿真的諷刺

SPICE 擅長(cháng)晶體管級建模，提供對單個(gè)組件行為的詳細見(jiàn)解。然而，它的輝煌也是它的致命弱點(diǎn)。IC 設計人員精心設計運算放大器，使其性能盡可能接近理想，從而最大限度地減少晶體管級限制的影響。這種理想化往往掩蓋了運算放大器固有的復雜性，導致了一個(gè)特殊的挑戰：沒(méi)有任何原生 SPICE 元件可以準確復制運算放大器的實(shí)際行為。

1. 依賴(lài)于計算密集型的晶體管級模型。

2. 使用過(guò)于簡(jiǎn)化的行為模型，這些模型無(wú)法捕捉到關(guān)鍵的細微差別。

這兩種選擇都不能充分滿(mǎn)足工程師設計應用級電路的需求。

行業(yè)實(shí)踐：準確性的妥協(xié)

運算放大器建模難題超越了技術(shù)限制，涵蓋了行業(yè)實(shí)踐。制造商陷入了困境?？蛻?hù)需要突出特定運算放大器獨特性能特征的型號，例如較低的失調電壓或出色的電源抑制比 （PSRR）。但是，大多數制造商缺乏內部專(zhuān)業(yè)知識來(lái)創(chuàng )建詳細、準確的模型。相反，他們通常依賴(lài)于開(kāi)發(fā)通用模板的第三方顧問(wèn)。

這些模板優(yōu)先考慮不同 SPICE 平臺之間的兼容性，僅使用基本的 SPICE 基元來(lái)避免特定于仿真器的問(wèn)題。雖然這種方法確保了廣泛的可用性，但它犧牲了保真度，并且經(jīng)常導致模型難以在更大的電路中求解。

例如，模型可能會(huì )人為地施加系統偏移電壓或過(guò)度簡(jiǎn)化 PSRR，從而導致設計偏離實(shí)際性能。在多運算放大器電路中，這些不準確性會(huì )加劇，從而產(chǎn)生一連串的誤差。

解決 Design-Flow 失誤

另一個(gè)問(wèn)題源于對設計流程的誤解。一些制造商在仿真中直接強調對輸入共模范圍或擊穿電壓等功能進(jìn)行建模。雖然這些參數很重要，但包含這些參數通常會(huì )使設計過(guò)程復雜化。

更有效的方法包括在沒(méi)有這些約束的情況下進(jìn)行仿真，然后審計結果以確保符合設計限制。此策略反映了分析擊穿電壓的最佳實(shí)踐，其中工程師允許電壓超過(guò)仿真中的限制，以識別潛在問(wèn)題，而不會(huì )過(guò)早地調用故障機制。

缺乏有凝聚力的設計流程通常會(huì )導致制造商和工程師之間產(chǎn)生摩擦。應用程序工程師可能會(huì )假設缺乏專(zhuān)業(yè)知識，從而忽略客戶(hù)的擔憂(yōu)。然而，這種觀(guān)點(diǎn)忽視了工程師在設計實(shí)際產(chǎn)品時(shí)面臨的現實(shí)情況，其中多重約束和競爭壓力需要實(shí)用、可靠的工具。

運算放大器建模的突破

Qorvo 通過(guò)一種新穎的方法解決了這些挑戰：引入專(zhuān)為運算放大器建模而設計的原生電路元件。這項創(chuàng )新的核心是一個(gè)跨導元件，其行為類(lèi)似于現實(shí)世界的運算放大器輸出級。與傳統的 SPICE 元件不同，這種跨導從電源軌提供電流，并在輸出接近電源限制時(shí)轉換為電阻狀態(tài)，模仿軌到軌輸出 （RRO） 級的行為。

探索運算放大器

運算放大器經(jīng)常被誤解，但它是許多模擬設計的基礎。

此外，采用原生米勒倍增電容元件可復制內部補償運算放大器中通常占主導地位的極點(diǎn)補償。這些 特性 簡(jiǎn)化了開(kāi)環(huán)響應特性的提取，例如增益帶寬和相位裕量。工程師可以輕松調整偏移電壓、PSRR 和轉換速率等實(shí)例參數，并定制模型以匹配特定的運算放大器設計。

模型節點(diǎn)數量減少 20 到 75 倍

這一運算放大器建模突破的最顯著(zhù)優(yōu)勢之一是其計算效率。傳統運算放大器模型的內部節點(diǎn)數量可能從 40 到 150 個(gè)不等，從而顯著(zhù)增加了仿真時(shí)間。

相比之下，Qorvo 的 QSPICE RRO 運算放大器器件只有兩個(gè)內部節點(diǎn)，大大減輕了計算負擔。在涉及多個(gè)運算放大器的復雜電路中，或者在模擬運算放大器與其他系統元件之間的交互時(shí)，這種效率變得非常有價(jià)值。

另一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢是透明度。這些簡(jiǎn)化的原生模型明確了包含和不包含的內容，使工程師能夠理解和信任他們的仿真。例如，工程師可以直接指定共模和差分場(chǎng)景的輸入電容，從而實(shí)現準確的穩定性分析。這種清晰度有助于消除猜測，并促進(jìn)對電路行為的更深入理解。

溫度依賴(lài)性：一個(gè)隱藏的因素

溫度依賴(lài)性是運算放大器性能的一個(gè)關(guān)鍵但經(jīng)常被忽視的方面。傳統模型很少考慮增益帶寬 （GBW） 等參數如何隨溫度變化，盡管這可能會(huì )對電路性能產(chǎn)生重大影響。QSPICE 使工程師能夠將溫度系數直接合并到模型中，從而幫助解決這一差距。

例如，在信號調節應用中，GBW 的溫度依賴(lài)性可能會(huì )引入遠遠超過(guò)無(wú)源元件變化引起的誤差。溫度系數為 25 ppm/°C 的典型電阻器在很寬的溫度范圍內可能會(huì )產(chǎn)生 0.2% 的誤差。相比之下，在相同條件下，運算放大器增益的溫度感應誤差可能超過(guò) 3%。

新的建模平臺使工程師能夠準確模擬這些影響，為極端溫度是常態(tài)的石油勘探等應用提供至關(guān)重要的見(jiàn)解。

實(shí)際應用和影響

Qorvo 的運算放大器建模方法不僅僅是理論上的，而且在各個(gè)行業(yè)都有實(shí)際意義?？紤]在惡劣環(huán)境中部署數據采集系統，例如北極勘探或沙漠作業(yè)。傳統的仿真工具很難預測這種條件下的性能，因為它們無(wú)法準確模擬溫度依賴(lài)性。借助這種新方法，工程師可以仿真整個(gè)系統，考慮運算放大器參數和環(huán)境因素之間的相互作用，確保在極端條件下可靠運行。

另一個(gè)例子是多運算放大器系統，例如音頻放大器或精密測量設備。能夠對隨機噪聲、PSRR 和失調電壓進(jìn)行高保真建模，使工程師能夠優(yōu)化性能和成本設計。通過(guò)消除傳統模型中固有的不準確性，它可以幫助工程師避免過(guò)度設計電路或選擇不必要的昂貴元件。

改變模擬環(huán)境

本文討論的運算放大器原生 SPICE 建模的創(chuàng )新方法優(yōu)雅而實(shí)用地解決了模擬和混合信號設計人員長(cháng)期面臨的挑戰。通過(guò)引入為運算放大器仿真量身定制的原生電路元件，它彌合了晶體管級精度和應用級可用性之間的差距。其結果是一個(gè)工具，使工程師能夠自信地進(jìn)行設計，利用準確、透明和高效的模型將他們的想法變?yōu)楝F實(shí)。

通過(guò)簡(jiǎn)化運算放大器建模的復雜性，Qorvo 的運算放大器建模方法簡(jiǎn)化了設計流程并促進(jìn)了創(chuàng )新，使工程師能夠突破模擬電路的界限。

無(wú)論是開(kāi)發(fā)下一代消費電子產(chǎn)品、工業(yè)自動(dòng)化系統還是尖端科學(xué)儀器，該技術(shù)都是第一個(gè)為可靠、高性能運算放大器設計奠定基礎的技術(shù)，使測試臺更接近現實(shí)。