運(yùn)算放大器 （op amps） 是現(xiàn)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(xiàn)了反饋設(shè)計(jì)的優(yōu)雅，激勵(lì)了一代又一代的工程師探索模擬電路的復(fù)雜性。

長期以來，像 SPICE 這樣的仿真工具對(duì)于可視化和優(yōu)化電路行為來說是必不可少的。然而，在應(yīng)用電路中仿真運(yùn)算放大器時(shí)，出現(xiàn)了一個(gè)明顯的諷刺意味。雖然 SPICE 是晶體管級(jí)設(shè)計(jì)的首選工具，但它在更廣泛的電路應(yīng)用中對(duì)運(yùn)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(yùn)算放大器建模的挑戰(zhàn)、傳統(tǒng)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 擅長晶體管級(jí)建模，提供對(duì)單個(gè)組件行為的詳細(xì)見解。然而，它的輝煌也是它的致命弱點(diǎn)。IC 設(shè)計(jì)人員精心設(shè)計(jì)運(yùn)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(jí)限制的影響。這種理想化往往掩蓋了運(yùn)算放大器固有的復(fù)雜性，導(dǎo)致了一個(gè)特殊的挑戰(zhàn)：沒有任何原生 SPICE 元件可以準(zhǔn)確復(fù)制運(yùn)算放大器的實(shí)際行為。

1. 依賴于計(jì)算密集型的晶體管級(jí)模型。

2. 使用過于簡化的行為模型，這些模型無法捕捉到關(guān)鍵的細(xì)微差別。

這兩種選擇都不能充分滿足工程師設(shè)計(jì)應(yīng)用級(jí)電路的需求。

行業(yè)實(shí)踐：準(zhǔn)確性的妥協(xié)

運(yùn)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?？蛻粜枰怀鎏囟ㄟ\(yùn)算放大器獨(dú)特性能特征的型號(hào)，例如較低的失調(diào)電壓或出色的電源抑制比 （PSRR）。但是，大多數(shù)制造商缺乏內(nèi)部專業(yè)知識(shí)來創(chuàng)建詳細(xì)、準(zhǔn)確的模型。相反，他們通常依賴于開發(fā)通用模板的第三方顧問。

這些模板優(yōu)先考慮不同 SPICE 平臺(tái)之間的兼容性，僅使用基本的 SPICE 基元來避免特定于仿真器的問題。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(dǎo)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(tǒng)偏移電壓或過度簡化 PSRR，從而導(dǎo)致設(shè)計(jì)偏離實(shí)際性能。在多運(yùn)算放大器電路中，這些不準(zhǔn)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)問題源于對(duì)設(shè)計(jì)流程的誤解。一些制造商在仿真中直接強(qiáng)調(diào)對(duì)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(shù)很重要，但包含這些參數(shù)通常會(huì)使設(shè)計(jì)過程復(fù)雜化。

更有效的方法包括在沒有這些約束的情況下進(jìn)行仿真，然后審計(jì)結(jié)果以確保符合設(shè)計(jì)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仿真中的限制，以識(shí)別潛在問題，而不會(huì)過早地調(diào)用故障機(jī)制。

缺乏有凝聚力的設(shè)計(jì)流程通常會(huì)導(dǎo)致制造商和工程師之間產(chǎn)生摩擦。應(yīng)用程序工程師可能會(huì)假設(shè)缺乏專業(yè)知識(shí)，從而忽略客戶的擔(dān)憂。然而，這種觀點(diǎn)忽視了工程師在設(shè)計(jì)實(shí)際產(chǎn)品時(shí)面臨的現(xiàn)實(shí)情況，其中多重約束和競(jìng)爭壓力需要實(shí)用、可靠的工具。

運(yùn)算放大器建模的突破

Qorvo 通過一種新穎的方法解決了這些挑戰(zhàn)：引入專為運(yùn)算放大器建模而設(shè)計(jì)的原生電路元件。這項(xiàng)創(chuàng)新的核心是一個(gè)跨導(dǎo)元件，其行為類似于現(xiàn)實(shí)世界的運(yùn)算放大器輸出級(jí)。與傳統(tǒng)的 SPICE 元件不同，這種跨導(dǎo)從電源軌提供電流，并在輸出接近電源限制時(shí)轉(zhuǎn)換為電阻狀態(tài)，模仿軌到軌輸出 （RRO） 級(jí)的行為。

探索運(yùn)算放大器

運(yùn)算放大器經(jīng)常被誤解，但它是許多模擬設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

此外，采用原生米勒倍增電容元件可復(fù)制內(nèi)部補(bǔ)償運(yùn)算放大器中通常占主導(dǎo)地位的極點(diǎn)補(bǔ)償。這些 特性 簡化了開環(huán)響應(yīng)特性的提取，例如增益帶寬和相位裕量。工程師可以輕松調(diào)整偏移電壓、PSRR 和轉(zhuǎn)換速率等實(shí)例參數(shù)，并定制模型以匹配特定的運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)。

模型節(jié)點(diǎn)數(shù)量減少 20 到 75 倍

這一運(yùn)算放大器建模突破的最顯著優(yōu)勢(shì)之一是其計(jì)算效率。傳統(tǒng)運(yùn)算放大器模型的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)數(shù)量可能從 40 到 150 個(gè)不等，從而顯著增加了仿真時(shí)間。

相比之下，Qorvo 的 QSPICE RRO 運(yùn)算放大器器件只有兩個(gè)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，大大減輕了計(jì)算負(fù)擔(dān)。在涉及多個(gè)運(yùn)算放大器的復(fù)雜電路中，或者在模擬運(yùn)算放大器與其他系統(tǒng)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(shì)是透明度。這些簡化的原生模型明確了包含和不包含的內(nèi)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(xiàn)準(zhǔn)確的穩(wěn)定性分析。這種清晰度有助于消除猜測(cè)，并促進(jìn)對(duì)電路行為的更深入理解。

溫度依賴性：一個(gè)隱藏的因素

溫度依賴性是運(yùn)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(tǒng)模型很少考慮增益帶寬 （GBW） 等參數(shù)如何隨溫度變化，盡管這可能會(huì)對(duì)電路性能產(chǎn)生重大影響。QSPICE 使工程師能夠?qū)囟认禂?shù)直接合并到模型中，從而幫助解決這一差距。

例如，在信號(hào)調(diào)節(jié)應(yīng)用中，GBW 的溫度依賴性可能會(huì)引入遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過無源元件變化引起的誤差。溫度系數(shù)為 25 ppm/°C 的典型電阻器在很寬的溫度范圍內(nèi)可能會(huì)產(chǎn)生 0.2% 的誤差。相比之下，在相同條件下，運(yùn)算放大器增益的溫度感應(yīng)誤差可能超過 3%。

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

實(shí)際應(yīng)用和影響

Qorvo 的運(yùn)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，例如北極勘探或沙漠作業(yè)。傳統(tǒng)的仿真工具很難預(yù)測(cè)這種條件下的性能，因?yàn)樗鼈儫o法準(zhǔn)確模擬溫度依賴性。借助這種新方法，工程師可以仿真整個(gè)系統(tǒng)，考慮運(yùn)算放大器參數(shù)和環(huán)境因素之間的相互作用，確保在極端條件下可靠運(yùn)行。

另一個(gè)例子是多運(yùn)算放大器系統(tǒng)，例如音頻放大器或精密測(cè)量設(shè)備。能夠?qū)﹄S機(jī)噪聲、PSRR 和失調(diào)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(shè)計(jì)。通過消除傳統(tǒng)模型中固有的不準(zhǔn)確性，它可以幫助工程師避免過度設(shè)計(jì)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(yùn)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(hào)設(shè)計(jì)人員長期面臨的挑戰(zhàn)。通過引入為運(yùn)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(jí)精度和應(yīng)用級(jí)可用性之間的差距。其結(jié)果是一個(gè)工具，使工程師能夠自信地進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用準(zhǔn)確、透明和高效的模型將他們的想法變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

通過簡化運(yùn)算放大器建模的復(fù)雜性，Qorvo 的運(yùn)算放大器建模方法簡化了設(shè)計(jì)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。

無論是開發(fā)下一代消費(fèi)電子產(chǎn)品、工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)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(yùn)算放大器設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)的技術(shù)，使測(cè)試臺(tái)更接近現(xiàn)實(shí)。