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使用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)電路很難建立一種程式化模式，除了偶爾使用誤差預(yù)算。雖然模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師對運(yùn)算放大器有專門的考慮，但他們都是依靠經(jīng)驗(yàn)判斷哪些參數(shù)最終會導(dǎo)致問題。放大器的任務(wù)范圍包括從簡單的將信號源與負(fù)載隔離，到獲取增益、移動(dòng)直流電平和加大負(fù)載電流。一旦電路中的任務(wù)確定，設(shè)計(jì)工程師就開始計(jì)算滿足這些任務(wù)要求的放大器參數(shù)。多數(shù)計(jì)算都很容易，即使對新手而言，計(jì)算運(yùn)算放大器必須提供的電流值和需要的余量也十分簡單。但是還有很多其它參數(shù)會影響電路的性能，例如全功率帶寬、轉(zhuǎn)換速率、輸入失調(diào)電壓、偏置電流、失調(diào)電流、開環(huán)增益、共模抑制比(CMRR)以及允許的輸入差分電壓，這些僅是其中幾個(gè)參數(shù)。 由于很大程度上是依賴經(jīng)驗(yàn)察覺這些參數(shù)將導(dǎo)致性能受到影響，所以對新系統(tǒng)采用程式化模式設(shè)計(jì)容易產(chǎn)生偏差。例如，考慮一個(gè)從很窄的頻率帶寬變成很寬的頻率帶寬的設(shè)計(jì)。放大器不僅必須用全功率帶寬和轉(zhuǎn)換速率定義的效應(yīng)來支持這個(gè)更高的絕對頻率，而且開環(huán)增益會隨著頻率的增大而減小，導(dǎo)致電路的增益在頻率端點(diǎn)處相差很大。盡管在窄帶條件下沒有發(fā)生問題，但是對于高頻寬帶應(yīng)用增益誤差往往會導(dǎo)致問題出現(xiàn)。許多工程師在初次進(jìn)行寬頻帶設(shè)計(jì)時(shí)都會忽略這個(gè)誤差。 圖1：設(shè)計(jì)工具：放大器參數(shù)評估工具。 許多人可能會提出反駁說可以使用SPICE來做仿真和觀察這種誤差。雖然使用SPICE是一種很好的嘗試，但是SPICE并不是萬能的。在這種情況下，仔細(xì)的工程師會使用交流分析方法觀察增益誤差在頻率端點(diǎn)處的差異。但這要在完成參數(shù)搜索、查看數(shù)據(jù)手冊和模型下載的過程之后才能進(jìn)行。如果限制參數(shù)是轉(zhuǎn)換速率，那么在問題開始出現(xiàn)時(shí)，對標(biāo)準(zhǔn)瞬態(tài)分析進(jìn)行視覺觀察根本就無法檢查出來。另外SPICE依賴于精確模型，如果轉(zhuǎn)換速率或主極點(diǎn)的模型不夠精確，那么要正確分析這些例子可能非常困難，或者不可能實(shí)現(xiàn)。Boyle宏觀模型，甚至更先進(jìn)的建模方法通常也有折衷，這使得其難以實(shí)現(xiàn)所有參數(shù)的精確行為建模，這就牽扯到另外一個(gè)話題了。使用SPICE還存在其它一些嚴(yán)重的缺點(diǎn)。不是所有版本的SPICE都是通用的，因此該模型可能需要用戶調(diào)整，特別是處理多項(xiàng)聲明時(shí)。另外仿真的收斂也是一個(gè)問題，它會導(dǎo)致一些無法預(yù)計(jì)的結(jié)果。SPICE不提供關(guān)于哪些參數(shù)會導(dǎo)致問題的反饋。 發(fā)現(xiàn)典型設(shè)計(jì)流程存在的潛在缺陷和耗費(fèi)時(shí)間的問題后，需要一種設(shè)計(jì)工具能夠在深入設(shè)計(jì)之前加速設(shè)計(jì)流程并且發(fā)現(xiàn)問題所在。美國模擬器件公司(ADI)最近推出的在線仿真工具恰好可滿足這一需求。他們的放大器參數(shù)評估工具(見圖1)允許電路設(shè)計(jì)工程師配置電路和信號源，選擇放大器并且評估該放大器在該電路中的性能。圖2a示出的電路波形只是說明轉(zhuǎn)換速率限制的初始情況。就像在SPICE中一樣，臨界轉(zhuǎn)換速率限制無法用眼睛觀察到。然而該設(shè)計(jì)工具中的交互消息指示了每一種標(biāo)志情況的有用信息，包括它們的發(fā)生原因和解決方案。(圖2b所示的是轉(zhuǎn)換速率限制情況下的提示信息，正常情況下不提示)。該設(shè)計(jì)工具允許分別加上或者去除由于放大器有限的開環(huán)增益而產(chǎn)生的直流誤差和增益誤差，使用戶能更容易地檢查出誤差原因。當(dāng)誤差原因未檢查出，但會導(dǎo)致嚴(yán)重后果時(shí)(大于1％滿量程輸出信號)，對話框中會出現(xiàn)提示信息以幫助用戶避免疏漏。 那么設(shè)計(jì)工具是如何工作和怎樣建模的呢？通過在服務(wù)器端執(zhí)行數(shù)學(xué)模型代碼，美國國家儀器公司(NI)的LabVIEW工具顯然能計(jì)算出該電路的響應(yīng)。電路設(shè)計(jì)工程師只要使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器就能設(shè)置該工具并且瀏覽其數(shù)學(xué)計(jì)算結(jié)果。設(shè)計(jì)工具根據(jù)每個(gè)放大器的參數(shù)及電路配置指示削波、電源限制、共模電壓和差分電壓限制、最小穩(wěn)定閉環(huán)增益限制、最大輸出額定電流、帶寬限制、容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力和轉(zhuǎn)換速率限制。該設(shè)計(jì)工具利用另外的參數(shù)可評估失調(diào)電壓引起的直流誤差、偏置電流、失調(diào)電流、CMRR和電源抑制比(PSRR)，并且指明由于放大器開環(huán)增益響應(yīng)和有限輸入阻抗造成的增益誤差。 巧妙地利用該設(shè)計(jì)工具可以提供一些設(shè)計(jì)過程中的其它捷徑。通過對增益誤差進(jìn)行排除，余量有問題或轉(zhuǎn)換速率受限制的放大器能夠更快的被濾出。不是通過調(diào)整每個(gè)放大器的增益以補(bǔ)償這種影響后再觀察運(yùn)算放大器的限制，而是通過先排除增益誤差以篩選出達(dá)到要求輸出信號范圍的放大器，然后僅調(diào)整這些放大器的增益以進(jìn)一步評估。直流誤差以全正誤差和全負(fù)誤差出現(xiàn)，每種情況下都運(yùn)行該模型，查看在這兩個(gè)供電電壓下余量是否足夠。面板式用戶界面有助于方便地打印出電路圖和任何相關(guān)問題以便用于設(shè)計(jì)文檔。 圖2：轉(zhuǎn)換速率限制下初始情況的。(a)信號波形；(b)提示信息。 配置電路后，“推薦放大器”工具可為這個(gè)具體電路搜索最匹配的運(yùn)算放大器。另外，“推薦放大器”反饋所有用該設(shè)計(jì)工具建模的放大器的狀態(tài)，并將推薦的放大器列在表的頂端。這一功能允許工程師快速查看他現(xiàn)有的所有放大器的狀態(tài)，加快故障調(diào)試和樣板設(shè)計(jì)。實(shí)際上，該設(shè)計(jì)工具的使用者不必總是按常規(guī)方式搜索放大器。電路可以先設(shè)置成沒有運(yùn)放，“推薦放大器”工具能很快地找出運(yùn)放的最佳選擇，于是設(shè)計(jì)工程師就有了一到兩個(gè)具有很高的可信度的運(yùn)放，然后就可繼續(xù)查看這些運(yùn)放的數(shù)據(jù)手冊，進(jìn)行仿真和樣板設(shè)計(jì)。 另一項(xiàng)工具“選擇向?qū)А蹦軒椭率峙渲秒娐泛瓦x擇器件。通過簡單的選擇放大器反相端或同相端，設(shè)置其輸入和輸出范圍，指出最大頻率，該向?qū)Ь涂膳渲秒娐凡⑶医o出運(yùn)算放大器的推薦。“選擇向?qū)А笔菃尾讲僮鳎筛鶕?jù)輸入和輸出范圍確定電平移位和輸入信號增益所需的所有無源元件值。 無論是新手還是專家為了設(shè)計(jì)電路或者快速檢查，采用ADI的放大器參數(shù)評估工具都能加快其放大器選擇過程，并且為采用該放大器從事電路設(shè)計(jì)的工程師增強(qiáng)信心。 |
