电压反馈放大器的SPICE运算放大器宏模型的开发

　　第一个关于运算放大器宏模型的技术是由Boyle在1974年开发的，仅使用了两个晶体管、几个二极管和线性元件[1]。电阻、电容、电感器和电压/电流控制源等线性元件的仿真远远快于有源元件，并可用来提供极点、零点和任意增益。采用DC模型，可以用一个电压控制电压源作放大器，同时可以增加电阻以更好地表示输入和输出阻抗。电容、电感、二极管和晶体管可以提供适当的交流响应。欲了解更多关于仿真模型的开发信息，请参见参考文献Alexander和Bowers[2-3]。他们的模型如本例后面所述。

　　ISL28133是一个采用电压反馈拓扑结构的零漂移运算放大器。其增益带宽产品为400kHz，压摆率为0.2V/µs，电源电流为18μA。图1显示了一个五级模型，它代表了实际电路框图。这些级包括输入、增益、频率整形、输出和噪声模块。

　　输入级

　　零漂移放大器的输入级如图2所示。100μA的电流源“I2”馈送pmos输入对。一般情况下，I2应选择低于静态电流。请记住，ISL28133的典型电源电流(RL=open)仅为18μA。然而，很小的I2(约10μA)将使输入电压噪声过大而无法仿真。这将在后面的噪声分析部分讨论。选择I2=100μA，并使用I1进行补偿。Cin1和Cin2是输入共模电容，Cdiff是差模输入电容。

　　增益级

　　这一级可以执行模型中的一些重要功能：

　　(1)本级设置该部分的DC增益，所有后续级均可提供增益;

　　(2)可实现压摆率限制;

　　(3)在AC特性中增加主极点(dominant pole);

　　(4)将信号从以电源作为参考量的两个电压水平移位至一个以中点作为参考量的单电压;

　　(5)限制输出。

　　参见图3，Ga是电路(block)G1和G2的增益。Gb是电路G3和G4的增益。

　　改变V3和V4的值可以限制压摆率。此外，R8/C1和R7/C2决定了这一模式的主极点。E1用来在Vcc和Vee的中间设置参考电平。

　　频率整形级

　　这里采用的“伸缩”频率整形技术是常见的运算放大器建模方法。它很容易增加更多的极点和零点。每个频率整形电路可以提供增益。这个模型包含的零极对如图4所示。

　　高阶极点级G7/8、R13/14和C3/4如图5所示。

　　噪声仿真

　　ISL28133的输入电流噪声非常小()，所以在这个模型中可以忽略不计。MOSFET的电压噪声可以用以下公式仿真：

　　ID是漏电流。高偏置电流需要低电压噪声。在输入级，尾电流设置得足够高，以产生可以忽略的输入电压噪声。在增加噪声源之前，该模型将提供低于数据表中的规格或典型性能噪声曲线的噪声。图6的噪声电压模块可通过使用一个偏置二极管-电阻器串联组合的0.1V电压源生成1/f和白噪声。白噪声是由热噪声电流产生的。

　　(k为Boltzmann常数)

　　因此，给定噪声电压谱密度的所需电阻值为(en是白噪声电压谱密度)。

　　该斩波稳定放大器设计可大大减少1/f噪声。1/f噪声(闪烁噪声，flicker noise)指的是出现的与频率成反比的功率谱密度噪声。更为普遍的是，具有谱密度(β>0)的噪声也称为1/f噪声。通常情况下，其中的穿越白噪声曲线的频率闪烁噪声曲线被定义为拐角频率(corner frequency)。少量的闪烁噪声仍然可在SPICE二极管模型内进行建模，参见图6。

　　Id是二极管的DC电流。AF和KF是SPICE二极管的模型参数，q为电子电荷。闪烁噪声指数(AF)设置为1，闪烁噪声系数(KF)设置为，其中Ea是在1Hz条件下的噪声电压谱密度。仿真电压噪声将显示具有正确拐角频率的1/f噪声电压谱密度。

　　输出级

　　在频率整形级之后，信号出现在节点VV5，它以两个电源轨的中点作为参考量。每个受控源可以产生足够的电流，以支持其并联电阻两端所需的电压降。R15和R16等于开环输出电阻的两倍，所以它们的并联组合可提供正确的Zout。D5-D8和G9/10被用来迫使电流从正电压轨(positive rail)流向负电压轨(negative rail)，以纠正实际电流流入或流出。

　　仿真结果

　　图8列出了某些SPICE仿真结果与来自手册的典型性能曲线的比较(见右边来自手册的图)。

　　图8是增益、频率与负载电容的对比。它不是很准确，因为电路板上的寄生电容没有列在模型中。其误差小于5%。

　　图9是具有不同增益的闭环增益频率响应。在增益=100时，带宽为3.94kHz，误差小于5%。在低增益条件下，由于零极点对的缘故带宽扩大。

　　图10是大信号阶跃响应。仿真的压摆率为0.198V/μs，误差为1%。

　　图11是输入噪声电压与频率的对比。在1kHz条件下，仿真输入噪声电压为，非常接近数据表中的值。仿真曲线没有达到近10kHz的峰值。

　　结论

　　电压反馈放大器全面的SPICE宏模型包括诸如传输响应(transfer response)、准确的AC响应，DC偏移和电压噪声的影响。它很容易增加更多的功能，如共模抑制比(CMRR)、电源抑制比(PSRR)、输入电流噪声等等。此外，它还可以方便地改变模型的参数，以适应其他的电压反馈放大器。几款Intersil的电压反馈放大器采用了相同的模式拓扑结构。