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使用TINA-TI与SPICE模型辅助运放电路设计——TI Precision Amp QucickStart Kit评测

2017-08-17
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作者：zhanzr
来源：21ic

[导读]
这次我们评测的开发套件与以往有所不同，这不是一款带有主控芯片的开发板，也不是带有传感器的拓展板，而是一款模拟电路的快速开发套件。这不止是一篇关于AMPQUICKKIT-EVM的评测，其中还涉及到了运放的电路模型介绍，SPICE仿真软件使用，低通滤波放大、Wien桥振荡和电流源三种基本运放电路。不少电子工程师在模拟方面有着明显的软肋，而本文将会帮助到你。

事实上很多制造电子器件的厂商会随着datasheet的发布而同步发布器件的PSPICE模型.当然更多的厂商不这么做,因为我们可以从datasheet上的参数出发自己来制作器件的SPICE模型.SPICE模型说白了就是器件的物理特性+实际的参数构成的一种仿真软件使用的datasheet.

目前免费提供给个人使用的PSPICE仿真软件使用较多的有两种:LTSpice,是Linear(已经被ADI收购)公司出品,另外一个就是我们今天要使用的TINA-TI了.TINA的原版本是另外一个公司(DesignSoft)的商业产品(需购买),但是TINA-TI属于TI花钱出的定制版本,给大家免费用来测试TI的器件.其实也可以手工修改模型以仿真其他公司的器件的,只是TINA-TI有一些功能上的限制.这是题外话,需要了解详情的可以看这个网页: http://www.ti.com/analog/docs/gencontent.tsp?familyId=02&genContentId=33361.本文不刻意区分TINA与TINA-TI,提到TINA也是说的TINA-TI.

TINA下载地址: http://www.ti.com/tool/tina-ti

注意看标题:

图 TINA-TI下载页面

标题已经说的明白无误了:TINA是基于SPICE的.至于大家下载什么语言版本就听个人随便了,本文使用英文版本进行演示.

TI公司发布的能直接用于TINA-TI的器件模型列表可在此查询: https://webench.ti.com/webench5/spicemodels/?DCMP=hpa_hpa_elabs&HQS=spicerack#search=tina

如果不在此列表中也可以在类似器件的基础上进行修改的.好在TI的器件模型还很丰富的.

软件安装什么的就不说了,都是一路next即可.

安装好后,先制作一个简单电路来验证一下子.电路名称就是桥式整流:

桥式整流电路.jpg

图桥式整流电路

这个电路很简单,交流电经过桥进行整流.这里来观察整流电容的作用,第一次把电路中的电容C1给去掉,进行瞬态仿真得到这样的结果:

无整流电容输入输出电压对比.jpg

图无整流电容输入输出电压对比

再把1000u的电容加上同样进行瞬态仿真:

加上1000u的整流电容后的输入输出电压对比.jpg

图加上1000u的整流电容后的输入输出电压对比

这个电路原理很简单,稍稍懂电路原理的同学就明白.但是如果你要真正搭起这个电路来把电容加上去掉的做实验,想想有多繁琐.不是说仿真可以取代实际电路实验,而是说仿真对于电路实验的帮助很大.很多电路可以先进行仿真再进行实际的操作效率明显会提高.尤其是涉及到运放这种较为复杂的器件时尤为突出.本文所做的所有实验都会附带源文件在后面附件里供读者下载参考.

运放的电路模型

运放应该是模拟器件中出场率最高的器件了,但也有可能是最不被理解的器件之一.

运放的电路符号.jpg

图运放的电路符号

运放的理想特性很简单:

· 开环增益无穷大

· 输入阻抗无穷大

· 输入失调为0

· 输出范围无穷

· 斜率无穷大,相移为0,带宽无穷

· 输出阻抗为0

· 0噪音

· 共模抑制比(CMRR)无穷

· 电源纹波抑制比(PSRR)无穷

上面说的可能较为繁琐,如果说讲简单一点,那么上述的理想特性可由这两句概括:

· 闭环电路中,输出的趋势是使得输入的电压差为0

· 输入不产生电流

运放的等效电路.jpg

图运放的等效电路

所谓的理想特性,换句话说就是不可能达到的特性.上述讲到的无穷大,实际的器件都是有限制的,而希望为0的参数实际器件都会有一些残余与噪音.不同的运放的不同特性就在于这些限制与残余噪音所造成的对于理想模型的偏移.有些不理想的参数有时也会被利用起来,下文会讲到.

一般来讲,运放的SPICE模型有如下几种:

两端口模型.jpg

图两端口模型

Boyle模型.jpg

图 Boyle模型

Mpz模型.jpg

图 Mpz模型

当然这些仿真模型有很多,也是一直在发展进化中的.不同的电路也区分使用不同的模型.比如在线性电路与比较器应用中,同样的运放往往使用不同的模型.在TINA-TI中,运放使用的模型为Green-List或者经TI改进过的Green-Williams-Lis模型. 这些模型的源代码都较长,不在这里贴出了,感兴趣的同学可以去TINA-TI的模型目录下去看看.上文提到的6个运放中有3个需要另外下载,网址也上在面给出了.

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