放大器建模為模擬濾波器可提高SPICE仿真速度

簡(jiǎn)介
放大器的仿真模型通常是利用電阻、電容、晶體管、二極管、獨(dú)立和非獨(dú)立的信號(hào)源以及其它模擬元件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。一種替代方法是使用放大器行為的二階近似（拉普拉斯轉(zhuǎn)換），這可加快仿真速度并將仿真代碼減少到三行。

然而，對(duì)于高帶寬放大器，采用s域傳遞函數(shù)的時(shí)域仿真可能非常慢，因?yàn)榉抡嫫鞅仨毷紫扔?jì)算逆變換，然后利用輸入信號(hào)對(duì)其進(jìn)行卷積。帶寬越高，則確定時(shí)域函數(shù)所需的采樣頻率也越高，這將導(dǎo)致卷積計(jì)算更加困難，進(jìn)而減慢時(shí)域仿真速度。

本文進(jìn)一步完善了上述方法，將二階近似合成為模擬濾波器，而不是 s域傳遞函數(shù)，從而大大提高時(shí)域仿真速度，特別是對(duì)于高帶寬放大器。

二階傳遞函數(shù)
放大器仿真模型的二階傳遞函數(shù)可以利用Sallen-Key濾波器拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)，它需要兩個(gè)電阻、兩個(gè)電容和一個(gè)壓控電流源；或者利用多反饋(MFB)濾波器拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)，它需要三個(gè)電阻、兩個(gè)電容和一個(gè)壓控電流源。這兩種拓?fù)浣o出的結(jié)果應(yīng)相同，但Sallen-Key拓?fù)涓子谠O(shè)計(jì)，而MFB拓?fù)鋭t具有更好的高頻響應(yīng)性能，可能更適合可編程增益放大器，因?yàn)樗菀浊袚Q到不同的電阻值。

首先，利用二階近似的標(biāo)準(zhǔn)形式為放大器的頻率和瞬態(tài)響應(yīng)建模：

圖1顯示了如何轉(zhuǎn)換到Sallen-Key和多反饋拓?fù)洹?/p>

圖1. 濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

放大器的自然無(wú)阻尼頻率ω_n等于濾波器的轉(zhuǎn)折頻率 ω_c，放大器的阻尼比ζ 則等于 ½乘以濾波器品質(zhì)因素Q 的倒數(shù)。對(duì)于雙極點(diǎn)濾波器， Q 表示極點(diǎn)到jω軸的徑向距離；Q 值越大，則說(shuō)明極點(diǎn)離 jω軸越近。對(duì)于放大器，阻尼比越大，則峰化越低。這些關(guān)系為 s域 (s = jω) 傳遞函數(shù)與模擬濾波器電路提供了有用的等效轉(zhuǎn)換途徑。

設(shè)計(jì)示例：5倍增益放大器
該設(shè)計(jì)主要包括三步：首先，測(cè)量放大器的過(guò)沖(M_p) 和建立時(shí)間 (t_s)。其次，利用這些測(cè)量結(jié)果計(jì)算放大器傳遞函數(shù)的二階近似。最后，將該傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為模擬濾波器拓?fù)湟援a(chǎn)生放大器的SPICE模型。

圖2. 5倍增益放大器

例如，利用Sallen-Key和MFB兩種拓?fù)浞抡嬉豢?倍增益放大器。從圖2可知，過(guò)沖(M_p) 約為22%，2%建立時(shí)間則約為2.18 μs。阻尼比ζ計(jì)算如下：

重排各項(xiàng)以求解ζ：

接下來(lái)，利用建立時(shí)間計(jì)算自然無(wú)阻尼頻率（單位為弧度/秒）。

對(duì)于階躍輸入，傳遞函數(shù)分母中的 s² 和 s 項(xiàng)（弧度/秒）通過(guò)下式計(jì)算：

和

單位增益?zhèn)鬟f函數(shù)即變?yōu)椋?/p>

將階躍函數(shù)乘以5便得到5倍增益放大器的最終傳遞函數(shù)：

下面的網(wǎng)絡(luò)列表模擬5倍增益放大器傳遞函數(shù)的拉普拉斯變換。轉(zhuǎn)換為濾波器拓?fù)渲埃詈眠\(yùn)行仿真以驗(yàn)證拉普拉斯變換，并根據(jù)需要延長(zhǎng)或縮短建立時(shí)間以調(diào)整帶寬。

***GAIN_OF_5 TRANSFER FUNCTION***

.SUBCKT SECOND_ORDER +IN –IN OUT

E1 OUT 0 LAPLACE {V(+IN) – V(–IN)} = {89.371E12 / (S^2 + 3.670E6*S + 17.874E12)}

.END

圖3所示為時(shí)域的仿真結(jié)果。圖4所示為頻域的仿真結(jié)果。

圖3. 5倍增益放大器：時(shí)域仿真結(jié)果

圖4. 5倍增益放大器：頻域仿真結(jié)果

脈沖響應(yīng)的峰化使得我們可以輕松保持恒定的阻尼比，同時(shí)可改變建立時(shí)間以調(diào)整帶寬。這將改變復(fù)數(shù)共軛極點(diǎn)對(duì)相對(duì)于實(shí)軸的角度，改變量等于阻尼比的反余弦值，如圖5所示?？s短建立時(shí)間會(huì)增加帶寬，延長(zhǎng)建立時(shí)間則會(huì)減少帶寬。只要阻尼比保持不變且僅調(diào)整建立時(shí)間，則峰化和增益不受影響，如圖6所示。

圖5. 5倍增益?zhèn)鬟f函數(shù)的復(fù)數(shù)共軛極點(diǎn)對(duì)

圖6. 建立時(shí)間調(diào)整與帶寬的關(guān)系

一旦傳遞函數(shù)與實(shí)際放大器的特性一致，就可以將其轉(zhuǎn)換為濾波器拓?fù)?。本例將使用Sallen-Key和MFB兩種拓?fù)洹?/p>

首先，利用單位增益Sallen-Key拓?fù)涞恼齽t形式將傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為電阻和電容值。

根據(jù) s項(xiàng)可以計(jì)算 C₁：

選擇易于獲得的電阻值，例如R₁ 和 R₂均為10 kΩ，然后計(jì)算 C₁。

利用轉(zhuǎn)折頻率的關(guān)系式求解C₂。

相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)列表如下文所示，Sallen-Key電路則如圖7所示。E1乘以階躍函數(shù)以獲得5倍增益。Ro提供2 Ω輸出阻抗。 G1 是增益為 120 dB的VCCS。 E2為差分輸入模塊。頻率與增益的仿真與采用拉普拉斯變換的仿真完全相同。

.SUBCKT SALLEN_KEY +IN –IN OUT

R1 1 4 10E3

R2 5 1 10E3

C2 5 0 10.27E–12

C1 2 1 54.5E–12

G1 0 2 5 2 1E6

E2 4 0 +IN –IN 1

E1 3 0 2 0 5

RO OUT 3 2

.END

圖7. 采用Sallen-Key濾波器的5倍增益放大器仿真電路

接下來(lái)，利用MFB拓?fù)涞臉?biāo)準(zhǔn)形式將傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為電阻和電容值。

從計(jì)算R₂開(kāi)始轉(zhuǎn)換。為此，可以將傳遞函數(shù)改寫為以下更為通用的形式：

設(shè)置 C₁ = 10 nF，然后選擇C₂ ，使得根號(hào)下的量為正數(shù)。為方便起見(jiàn)，選擇C₂ 為 10 pF。代入已知值 C₂ = 10 pF、 a₁ = 3.67E6、K = 5、 a₀ = 17.86E12 ，計(jì)算R₂值：

R₁ 的值很容易計(jì)算，等于 R₂/K = R₂/5 = 33。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)多項(xiàng)式系數(shù)可求解 R₃。代入a₀、R₂和 C₂ 的已知值可得：

最后，驗(yàn)證元件比是否正確，即代入a₀、R₂、 R₃、增益K和 C₂ (從s 項(xiàng)求得)的已知值時(shí)，C₁ 應(yīng)等于10 nF。

得出元件值后，再代入方程式中，驗(yàn)證多項(xiàng)式系數(shù)在數(shù)學(xué)上是否正確。利用電子表格計(jì)算器就能輕松完成這項(xiàng)工作。所示的元件值是可以用于最終SPICE模型的實(shí)際值。實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)確保最小電容值不低于10 pF。

5倍增益放大器的網(wǎng)絡(luò)列表如下文所示，模型則如圖8所示。G1是開(kāi)環(huán)增益為120 dB的VCCS（壓控電流源）。注意，如果使用電阻、電容、二極管和非獨(dú)立源，所需的元件數(shù)將多得多。

.SUBCKT MFB +IN –IN OUT

***VCCS – 120 dB OPEN_LOOP_GAIN***

G1 0 7 0 6 1E6

R1 4 3 330

R3 6 4 34K

C2 7 6 1P

C1 0 4 1N

R2 7 4 1.65K

E2 3 0 +IN –IN 1

E1 9 0 7 0 –1

***OUTPUT_IMPEDANCE RO = 2 Ω***

RO OUT 9 2

.END

圖8. 采用MFB濾波器的5倍增益放大器仿真電路

設(shè)計(jì)示例：10倍增益放大器
在第二個(gè)示例中，考慮一個(gè)無(wú)過(guò)沖10倍增益放大器的脈沖響應(yīng)，如圖9所示。建立時(shí)間約為7 μs。由于無(wú)過(guò)沖，脈沖響應(yīng)可以近似為具有臨界阻尼， ζ ≈ 0.935 (M_p = 0.025%)。

圖9. 無(wú)過(guò)沖10倍增益放大器

在無(wú)過(guò)沖的情況下，很容易保持恒定的建立時(shí)間，并調(diào)整阻尼比以模擬正確的帶寬和峰化。圖10顯示了極點(diǎn)如何隨阻尼比而變化，與此同時(shí)建立時(shí)間保持不變。圖11顯示了頻率響應(yīng)的變化情況。

圖10. 不同阻尼比對(duì)應(yīng)的極點(diǎn)位置，建立時(shí)間保持不變

圖11. 不同阻尼比對(duì)應(yīng)的頻率響應(yīng)，建立時(shí)間保持不變

***AD8208 PREAMPLIFIER_TRANSFER_FUNCTION (GAIN = 20 dB)***

.SUBCKT PREAMPLIFIER_GAIN_10 +IN –IN OUT

E1 OUT 0 LAPLACE {V(+IN)–V(–IN)} = {3.734E12 / (S^2 + 1.143E6*S + 373.379E9)}

.END

為求得單位增益拓?fù)涞碾娮韬碗娙葜?，?qǐng)像前面一樣選擇R₁ = R₂ = 10 kΩ 。利用與5倍增益放大器示例相同的方法計(jì)算電容值：

網(wǎng)絡(luò)列表如下文所示，Sallen-Key仿真電路模型則如圖12所示。E2是一個(gè)10倍增益模塊，與一個(gè)2 Ω輸出阻抗一起置于輸出級(jí)。E2將單位增益?zhèn)鬟f函數(shù)放大10倍。拉普拉斯變換和Sallen-Key網(wǎng)絡(luò)列表產(chǎn)生的仿真相同，如圖13所示。

***AD8208 PREAMPLIFIER_TRANSFER_FUNCTION (GAIN = 20 dB)***

.SUBCKT AMPLIFIER_GAIN_10_SALLEN_KEY +IN –IN OUT

R1 1 4 10E3

R2 5 1 10E3

C2 5 0 153E–12

C1 2 1 175E–12

G1 0 2 5 2 1E6

E2 4 0 +IN –IN 10

E1 3 0 2 0 1

RO OUT 3 2

.END

圖12. 采用Sallen-Key濾波器的10倍增益放大器仿真電路

圖13. 采用Sallen-Key濾波器的10倍增益放大器的頻域仿真

利用MFB拓?fù)淇梢赃M(jìn)行相似的推導(dǎo)。網(wǎng)絡(luò)列表如下文所示，仿真模型則如圖14所示。

***AD8208 PREAMPLIFIER_TRANSFER_FUNCTION (GAIN = 20 dB)***

.SUBCKT 8208_MFB +IN –IN OUT

***G1 = VCCS WITH 120 dB OPEN_LOOP_GAIN***

G1 0 7 0 6 1E6

R1 4 3 994.7

R2 7 4 9.95K

R3 6 4 26.93K

C1 0 4 1N

C2 7 6 10P

EIN_STAGE 3 0 +IN –IN 1

***E2 = OUTPUT BUFFER***

E2 9 0 7 0 1

***OUTPUT RESISTANCE = 2 Ω***

RO OUT 9 2

.END

圖14. 采用MFB濾波器的10倍增益放大器仿真電路

結(jié)束語(yǔ)
對(duì)于高帶寬放大器，與利用s域（拉普拉斯變換）傳遞函數(shù)相比，利用模擬元件構(gòu)建SPICE模型能夠提供快得多的時(shí)域仿真。Sallen-Key和MFB低通濾波器拓?fù)涮峁┝艘环N將s域傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為電阻、電容和壓控電流源的方法。

MFB拓?fù)涞姆抢硐氩僮鱽?lái)源于 C₁ 和 C₂ 在高頻時(shí)表現(xiàn)為相對(duì)于電阻R₁、 R₂和R₃的阻抗短路。同樣，Sallen-Key拓?fù)涞姆抢硐氩僮鱽?lái)源于C₁ 和 C₂ 在高頻時(shí)表現(xiàn)為相對(duì)于電阻 R₁ 和 R₂的阻抗短路。這兩種拓?fù)涞膶?duì)比如圖15所示。

現(xiàn)有常用于CMRR、PSRR、失調(diào)電壓、電源電流、頻譜噪聲、輸入/輸出限幅及其它參數(shù)的電路可以與該模型合并，如圖16所示。

圖15. Sallen-Key和MFB拓?fù)涞牟ㄌ貓D

圖16. 包括誤差項(xiàng)的完整SPICE放大器模型

參考文獻(xiàn)
Karpaty, David. “Create Spice Amplifier Models Using Second-Order Approximations.” Electronic Design, September 22, 2010.

作者簡(jiǎn)介

David Karpaty [david.karpaty@analog.com] 是ADI公司集成放大器產(chǎn)品(IAP)部門的高級(jí)工程師。他負(fù)責(zé)精密信號(hào)處理器件的產(chǎn)品和測(cè)試工程支持，側(cè)重于汽車應(yīng)用產(chǎn)品。David擁有美國(guó)東北大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位和溫特沃斯理工學(xué)院電氣工程技術(shù)學(xué)士學(xué)位。

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