МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2007, том 36, № 4, с. 255-260
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ^^^^^^^^ ПРИБОРОВ И ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ
УДК 621335.2:6213.049.77
МАКРОМОДЕЛЬ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ С ТОКОВЫМ ВЫХОДОМ
© 2007 г. Ю. Б. Рогаткин
Московский инженерно-физический институт (государственный университет), ЗАО ЦП "Ангстрем-СБИС"
rogatkin@kaf3.mephi.ru Поступила в редакцию 16.12.2006 г.
Представлены результаты разработки макромодели операционного усилителя с токовым выходом, который широко используется в сложно-функциональных блоках аналого-цифровых и цифроана-логовых преобразователях. Приведены основные расчетные характеристики.
Операционные усилители с токовым выходом (в дальнейшем просто ОУ) нашли широкое применение в различного рода цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователях [1-4], поэтому создание для них качественных макромоделей является весьма актуальной задачей. Требования к макромодели можно сформулировать следующим образом: макромодель, с одной стороны, должна быть достаточно простой, то есть содержать минимальное количество элементов, желательно представляемых средствами используемой САПР, а с другой стороны адекватно отражать основные характеристики моделируемого устройства. Для ОУ, например, это такие характеристики как коэффициент усиления без обратной связи и его зависимость от частоты, приведенная ко входу ошибка ОУ, положение полюсов на амплитудно-частотной характеристике, выходной динамический диапазон, время отклика в режиме большого сигнала. Использование макромоделей для расчета основных параметров сложных аналого-цифровых устройств, в которые входят ОУ, позволяет существенно сократить время моделирования и, как следствие, повысить эффективность процесса разработки современной электронной элементной базы. На рис. 1 приведена упрощенная схема ОУ, который применялся автором в каскаде аналого-цифрового преобразователя (АЦП) конвейерного типа, схеме выборки и хранения, цифроаналоговом преобразователе (ЦАП), АЦП поразрядного уравновешивания и других устройствах. На рис. 1 lNl и IN2 - дифференциальный вход усилителя, OUT1 и OUT2 - его дифференциальный выход, а сигнал BIAS определяет уровень синфазной составляющей в выходном сигнале, который устанавливается за счет действия отрицательной обратной связи по синфазному сигналу. Полная схема ОУ содержит более 70 элементов. Принципиальная схема используемой макромодели
операционного усилителя с токовым выходом приведена на рис. 2.
Назначение отдельных элементов в макромодели можно охарактеризовать следующим образом:
- источник V0 моделирует напряжение смещения;
- элементы R6, R7 и С4 моделируют второй полюс амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) ОУ, который определяется следующим выражением т2 = R6C4/2;
- элементы R1, R0, С1 и С10 моделируют первый полюс АЧХ усилителя и выходное сопротивление ОУ на низких частотах ROT, причем
Т1 = R1C0; R1 =
- элементы D0, D5, D6, D7, V1, V2, V3 и V4 определяют максимальный и минимальный уровни выходного напряжения;
- источник тока, управляемый напряжением, определяет коэффициент напряжения на низких частотах: A = 2GR1;
- аналоговый ключ моделирует действие обратной связи по синфазному сигналу.
На рис. 3 приведена передаточная характеристика ОУ, то есть зависимость выходного напряжения от входного, для "реального" усилителя, рассчитанная на уровне транзисторов с помощью программы '^рейге" в среде САПР CADENCE, и для его макромодели. Основные требования, которые должны выполняться: соответствие коэффициента усиления на постоянном сигнале, напряжение смещения и уровни ограничения выходного напряжения. В качестве источников V1...V4 можно использовать зависимые источники напряжения, управляемые напряжением, чтобы смоделировать зависимость выходного динамического диапазона
к»
(Л
К Я ч О ш а м Я н
ч О
д д
Я >
VNR VPR Vn <1:2> Vp <1:2> Nbias Pbias S2 S1
¡N1
¡N2
AVDD
AVDD
AVSS
Рис. 1. Принципиальная схема операционного усилителя с токовым выходом.
Ч
О ч
Я Ё X
4
О О О
В
я Я
ч О
ш
а
м
Я
н
ч О
д
д Я
>
% 4
к>
О О
о
ш+
Ш-
оит+
S1
Дсточник тока, управляемый напряжением
оит-
>
Я
ч О 2 О И И й
й4 О
а
И
ч >
с
к О
д
д О
ч О
<с о к й к н
И й
Рис. 2. Принципиальная схема макромодели операционного усилителя с токовым выходом.
к»
(Л
Выходной сигнал, В 4
• ...........л.......
^^Модель : "Реальный" усилитель
01 -10
-5
0 5 10
Разностный выходной сигнал, мВ
Рис. 3. Передаточная характеристика операционного усилителя с токовым выходом.
Усиление 106
104
102
10е
10
1-2
"••■о...
"с... "Реальный" усилитель
Погрешность амплитуды ...о---" ................................ Модель''
100 1К 10К 100К 1М 10М 100М ш
Частота, Гц
Рис. 4. Амплитудно-частотная характеристика операционного усилителя с токовым выходом.
3
2
1
от величины напряжения питания. Аналогичным образом можно смоделировать и влияние пульсаций по шинам питания.
На рис. 4 и рис. 5 приведены рассчитанные амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики соответственно. Видно, что амплитудная и фазовая ошибка при использовании макромодели в диапазоне частот до 100 МГц не превышает 30%. На рис.6 приведены переходные характери-
стики операционного усилителя без обратной связи.
Для того, чтобы убедиться в эффективности использования предложенной макромодели, было проведено моделирование схемы выборки и хранения, которая широко используется во многих устройствах для аналого-цифрового преобразования. Упрощенная схема устройства выборки и хранения (УВХ) приведена на рис. 7. В фазе
МДКРОЭЛМКТРОНДКА том 36 < 4 2007
МАКРОМОДЕЛЬ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ
259
140
100
60
20
-20
Сдвиг фазы, град X
Реальный" усилитель V
....... -■О........................."©-«-.v.v.v.v^-.....Д.
Модель \ у\
Погрешность фазы / ""
..........................
100 1K 10K 100K 1M 10M 100M 1G
Частота, Гц
Рис. 5. Фазо-частотная характеристика операционного усилителя с токовым выходом.
Сигнал на выходе, В 3
2-
1
360u
390u
420u
450u
480u
510u Время, с
Рис. 6. Переходные процессы в операционном усилителе с токовым выходом.
управляющего сигнала 51 (запись), когда ключи 13,14 и транзисторы N3, N4 замкнуты, происходит заряд конденсаторов до величины входного сигнала. В фазе управляющего сигнала 52 (хранение), когда замкнуты ключи 10 и II, формируется выходной сигнал равный входному. В тесте моделирования в качестве аналоговых ключей использовались Уей^-А модели, которые предо-
ставляются средствами САПР. Ими же можно, при необходимости, заменить и транзисторные ключи (N3 и N4).
Получено, что для выхода в установившийся режим и расчета полной схемы УВХ требуется 127 с процессорного времени. В то же время для аналогичного расчета по длительности с макромоделью требуется 34 с процессорного времени.
0
МИКРОЭЛЕКТРОНИКА том 36 < 4 2007
2*
Рис. 7. Устройство выборки и хранения.
Таким образом, выигрыш во времени для расчета в данном случае составил почти 4 раза. В то же время ухудшение точности расчетов не превысило 20%, что позволяет сделать вывод о пригодности предложенного варианты макромодели ОУ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Waltari M. Circuit Techniques for Low-voltage and High-speed A / D Converters // Helsinki University of
Technology, Electronic design Laboratory report 33. 2002.
2. Lewis S.H., Gray PR. A Pipeline 5-Msample / s 9-bit Analog-to-Digital Convertor // IEEE J. Solid-State-Circuits. 1987. V. Sc-22. P. 954-961.
3. Peluso V., Vancorenland M, Steyaert M, Sansen W. 900-mV differential class AB OTA for switched opamp applications // Electron. Lett. 1997. № 33. P. 14551456.
4. Рогаткин Ю.Б. Операционный усилитель для быстродействующего АЦП конвейерного типа // Электроника, микро и наноэлектроника. Сб. на-уч.трудов. М.: МИФИ, 2003. С. 63-67.
МИКРОЭЛЕКТРОНИКА том 36 < 4 2007
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.