簡(jiǎn)介
放大器的仿真模型通常是利用電阻,、電容、晶體管,、二極管、獨(dú)立和非獨(dú)立的信號(hào)源以及其它模擬元件來(lái)實(shí)現(xiàn)的,。一種替代方法是使用放大器行為的二階近似（拉普拉斯轉(zhuǎn)換）,，這可加快仿真速度并將仿真代碼減少到三行。

然而,，對(duì)于高帶寬放大器,，采用s域傳遞函數(shù)的時(shí)域仿真可能非常慢，因?yàn)榉抡嫫鞅仨毷紫扔?jì)算逆變換,，然后利用輸入信號(hào)對(duì)其進(jìn)行卷積,。帶寬越高,，則確定時(shí)域函數(shù)所需的采樣頻率也越高,，這將導(dǎo)致卷積計(jì)算更加困難，進(jìn)而減慢時(shí)域仿真速度,。

本文進(jìn)一步完善了上述方法,，將二階近似合成為模擬濾波器，而不是 s域傳遞函數(shù),，從而大大提高時(shí)域仿真速度,，特別是對(duì)于高帶寬放大器。

二階傳遞函數(shù)
放大器仿真模型的二階傳遞函數(shù)可以利用Sallen-Key濾波器拓?fù)鋵?shí)現(xiàn),，它需要兩個(gè)電阻,、兩個(gè)電容和一個(gè)壓控電流源；或者利用多反饋(MFB)濾波器拓?fù)鋵?shí)現(xiàn),，它需要三個(gè)電阻,、兩個(gè)電容和一個(gè)壓控電流源。這兩種拓?fù)浣o出的結(jié)果應(yīng)相同,，但Sallen-Key拓?fù)涓子谠O(shè)計(jì),，而MFB拓?fù)鋭t具有更好的高頻響應(yīng)性能,，可能更適合可編程增益放大器，因?yàn)樗菀浊袚Q到不同的電阻值,。

首先,，利用二階近似的標(biāo)準(zhǔn)形式為放大器的頻率和瞬態(tài)響應(yīng)建模：

圖1顯示了如何轉(zhuǎn)換到Sallen-Key和多反饋拓?fù)洹?/p>

圖1. 濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

放大器的自然無(wú)阻尼頻率ω_n等于濾波器的轉(zhuǎn)折頻率 ω_c，放大器的阻尼比ζ 則等于 ½乘以濾波器品質(zhì)因素Q 的倒數(shù),。對(duì)于雙極點(diǎn)濾波器,， Q 表示極點(diǎn)到jω軸的徑向距離；Q 值越大,，則說(shuō)明極點(diǎn)離 jω軸越近,。對(duì)于放大器，阻尼比越大,，則峰化越低,。這些關(guān)系為 s域 (s = jω) 傳遞函數(shù)與模擬濾波器電路提供了有用的等效轉(zhuǎn)換途徑。

設(shè)計(jì)示例：5倍增益放大器
該設(shè)計(jì)主要包括三步：首先,，測(cè)量放大器的過(guò)沖(M_p) 和建立時(shí)間 (t_s),。其次，利用這些測(cè)量結(jié)果計(jì)算放大器傳遞函數(shù)的二階近似,。最后,，將該傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為模擬濾波器拓?fù)湟援a(chǎn)生放大器的SPICE模型。

圖2. 5倍增益放大器

例如,，利用Sallen-Key和MFB兩種拓?fù)浞抡嬉豢?倍增益放大器,。從圖2可知，過(guò)沖(M_p) 約為22%,，2%建立時(shí)間則約為2.18 μs,。阻尼比ζ計(jì)算如下：

重排各項(xiàng)以求解ζ：

接下來(lái)，利用建立時(shí)間計(jì)算自然無(wú)阻尼頻率（單位為弧度/秒）,。

對(duì)于階躍輸入,，傳遞函數(shù)分母中的 s² 和 s 項(xiàng)（弧度/秒）通過(guò)下式計(jì)算：

和

單位增益?zhèn)鬟f函數(shù)即變?yōu)椋?/p>

將階躍函數(shù)乘以5便得到5倍增益放大器的最終傳遞函數(shù)：

下面的網(wǎng)絡(luò)列表模擬5倍增益放大器傳遞函數(shù)的拉普拉斯變換。轉(zhuǎn)換為濾波器拓?fù)渲?，最好運(yùn)行仿真以驗(yàn)證拉普拉斯變換,，并根據(jù)需要延長(zhǎng)或縮短建立時(shí)間以調(diào)整帶寬。

***GAIN_OF_5 TRANSFER FUNCTION***

.SUBCKT SECOND_ORDER +IN –IN OUT

E1 OUT 0 LAPLACE {V(+IN) – V(–IN)} = {89.371E12 / (S^2 + 3.670E6*S + 17.874E12)}

.END

圖3所示為時(shí)域的仿真結(jié)果。圖4所示為頻域的仿真結(jié)果。

圖3. 5倍增益放大器：時(shí)域仿真結(jié)果

圖4. 5倍增益放大器：頻域仿真結(jié)果

脈沖響應(yīng)的峰化使得我們可以輕松保持恒定的阻尼比,，同時(shí)可改變建立時(shí)間以調(diào)整帶寬,。這將改變復(fù)數(shù)共軛極點(diǎn)對(duì)相對(duì)于實(shí)軸的角度，改變量等于阻尼比的反余弦值，如圖5所示。縮短建立時(shí)間會(huì)增加帶寬,，延長(zhǎng)建立時(shí)間則會(huì)減少帶寬,。只要阻尼比保持不變且僅調(diào)整建立時(shí)間，則峰化和增益不受影響,，如圖6所示,。

圖5. 5倍增益?zhèn)鬟f函數(shù)的復(fù)數(shù)共軛極點(diǎn)對(duì)

圖6. 建立時(shí)間調(diào)整與帶寬的關(guān)系

一旦傳遞函數(shù)與實(shí)際放大器的特性一致，就可以將其轉(zhuǎn)換為濾波器拓?fù)?。本例將使用Sallen-Key和MFB兩種拓?fù)洹?/p>

首先,，利用單位增益Sallen-Key拓?fù)涞恼齽t形式將傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為電阻和電容值。

根據(jù) s項(xiàng)可以計(jì)算 C₁：

選擇易于獲得的電阻值,，例如R₁ 和 R₂均為10 kΩ,，然后計(jì)算 C₁。

利用轉(zhuǎn)折頻率的關(guān)系式求解C₂,。

相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)列表如下文所示,，Sallen-Key電路則如圖7所示。E1乘以階躍函數(shù)以獲得5倍增益,。Ro提供2 Ω輸出阻抗,。 G1 是增益為 120 dB的VCCS。 E2為差分輸入模塊,。頻率與增益的仿真與采用拉普拉斯變換的仿真完全相同,。

.SUBCKT SALLEN_KEY +IN –IN OUT

R1 1 4 10E3

R2 5 1 10E3

C2 5 0 10.27E–12

C1 2 1 54.5E–12

G1 0 2 5 2 1E6

E2 4 0 +IN –IN 1

E1 3 0 2 0 5

RO OUT 3 2

.END

圖7. 采用Sallen-Key濾波器的5倍增益放大器仿真電路

接下來(lái)，利用MFB拓?fù)涞臉?biāo)準(zhǔn)形式將傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為電阻和電容值,。

從計(jì)算R₂開始轉(zhuǎn)換,。為此，可以將傳遞函數(shù)改寫為以下更為通用的形式：

設(shè)置 C₁ = 10 nF,，然后選擇C₂ ,，使得根號(hào)下的量為正數(shù)。為方便起見,，選擇C₂ 為 10 pF,。代入已知值 C₂ = 10 pF、a₁ = 3.67E6,、K = 5、 a₀ = 17.86E12 ,，計(jì)算R₂值：

R₁ 的值很容易計(jì)算,，等于 R₂/K = R₂/5 = 33。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)多項(xiàng)式系數(shù)可求解 R₃,。代入a₀,、R₂和 C₂ 的已知值可得：

最后，驗(yàn)證元件比是否正確,，即代入a₀,、R₂,、 R₃、增益K和 C₂ (從s 項(xiàng)求得)的已知值時(shí),，C₁ 應(yīng)等于10 nF,。

得出元件值后，再代入方程式中,，驗(yàn)證多項(xiàng)式系數(shù)在數(shù)學(xué)上是否正確,。利用電子表格計(jì)算器就能輕松完成這項(xiàng)工作。所示的元件值是可以用于最終SPICE模型的實(shí)際值,。實(shí)際應(yīng)用中,，應(yīng)確保最小電容值不低于10 pF。

5倍增益放大器的網(wǎng)絡(luò)列表如下文所示,，模型則如圖8所示,。G1是開環(huán)增益為120 dB的VCCS（壓控電流源）。注意,，如果使用電阻,、電容、二極管和非獨(dú)立源,，所需的元件數(shù)將多得多,。

.SUBCKT MFB +IN –IN OUT

***VCCS – 120 dB OPEN_LOOP_GAIN***

G1 0 7 0 6 1E6

R1 4 3 330

R3 6 4 34K

C2 7 6 1P

C1 0 4 1N

R2 7 4 1.65K

E2 3 0 +IN –IN 1

E1 9 0 7 0 –1

***OUTPUT_IMPEDANCE RO = 2 Ω***

RO OUT 9 2

.END

圖8. 采用MFB濾波器的5倍增益放大器仿真電路

設(shè)計(jì)示例：10倍增益放大器
在第二個(gè)示例中，考慮一個(gè)無(wú)過(guò)沖10倍增益放大器的脈沖響應(yīng),，如圖9所示,。建立時(shí)間約為7 μs。由于無(wú)過(guò)沖,，脈沖響應(yīng)可以近似為具有臨界阻尼,， ζ ≈ 0.935 (M_p = 0.025%)。

圖9. 無(wú)過(guò)沖10倍增益放大器

在無(wú)過(guò)沖的情況下,，很容易保持恒定的建立時(shí)間,，并調(diào)整阻尼比以模擬正確的帶寬和峰化。圖10顯示了極點(diǎn)如何隨阻尼比而變化,，與此同時(shí)建立時(shí)間保持不變,。圖11顯示了頻率響應(yīng)的變化情況。

圖10. 不同阻尼比對(duì)應(yīng)的極點(diǎn)位置,，建立時(shí)間保持不變

圖11. 不同阻尼比對(duì)應(yīng)的頻率響應(yīng),，建立時(shí)間保持不變

***AD8208 PREAMPLIFIER_TRANSFER_FUNCTION (GAIN = 20 dB)***

.SUBCKT PREAMPLIFIER_GAIN_10 +IN –IN OUT

E1 OUT 0 LAPLACE {V(+IN)–V(–IN)} = {3.734E12 / (S^2 + 1.143E6*S + 373.379E9)}

.END

為求得單位增益拓?fù)涞碾娮韬碗娙葜担?qǐng)像前面一樣選擇R₁ = R₂ = 10 kΩ ,。利用與5倍增益放大器示例相同的方法計(jì)算電容值：

網(wǎng)絡(luò)列表如下文所示,，Sallen-Key仿真電路模型則如圖12所示。E2是一個(gè)10倍增益模塊,，與一個(gè)2 Ω輸出阻抗一起置于輸出級(jí),。E2將單位增益?zhèn)鬟f函數(shù)放大10倍,。拉普拉斯變換和Sallen-Key網(wǎng)絡(luò)列表產(chǎn)生的仿真相同，如圖13所示,。

***AD8208 PREAMPLIFIER_TRANSFER_FUNCTION (GAIN = 20 dB)***

.SUBCKT AMPLIFIER_GAIN_10_SALLEN_KEY +IN –IN OUT

R1 1 4 10E3

R2 5 1 10E3

C2 5 0 153E–12

C1 2 1 175E–12

G1 0 2 5 2 1E6

E2 4 0 +IN –IN 10

E1 3 0 2 0 1

RO OUT 3 2

.END

圖12. 采用Sallen-Key濾波器的10倍增益放大器仿真電路

圖13. 采用Sallen-Key濾波器的10倍增益放大器的頻域仿真

利用MFB拓?fù)淇梢赃M(jìn)行相似的推導(dǎo),。網(wǎng)絡(luò)列表如下文所示，仿真模型則如圖14所示,。

***AD8208 PREAMPLIFIER_TRANSFER_FUNCTION (GAIN = 20 dB)***

.SUBCKT 8208_MFB +IN –IN OUT

***G1 = VCCS WITH 120 dB OPEN_LOOP_GAIN***

G1 0 7 0 6 1E6

R1 4 3 994.7

R2 7 4 9.95K

R3 6 4 26.93K

C1 0 4 1N

C2 7 6 10P

EIN_STAGE 3 0 +IN –IN 1

***E2 = OUTPUT BUFFER***

E2 9 0 7 0 1

***OUTPUT RESISTANCE = 2 Ω***

RO OUT 9 2

.END

圖14. 采用MFB濾波器的10倍增益放大器仿真電路

結(jié)束語(yǔ)
對(duì)于高帶寬放大器,，與利用s域（拉普拉斯變換）傳遞函數(shù)相比，利用模擬元件構(gòu)建SPICE模型能夠提供快得多的時(shí)域仿真,。Sallen-Key和MFB低通濾波器拓?fù)涮峁┝艘环N將s域傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為電阻,、電容和壓控電流源的方法。

MFB拓?fù)涞姆抢硐氩僮鱽?lái)源于 C₁ 和 C₂ 在高頻時(shí)表現(xiàn)為相對(duì)于電阻R₁,、 R₂和R₃的阻抗短路,。同樣，Sallen-Key拓?fù)涞姆抢硐氩僮鱽?lái)源于C₁ 和 C₂ 在高頻時(shí)表現(xiàn)為相對(duì)于電阻 R₁ 和 R₂的阻抗短路,。這兩種拓?fù)涞膶?duì)比如圖15所示,。

現(xiàn)有常用于CMRR、PSRR,、失調(diào)電壓,、電源電流、頻譜噪聲,、輸入/輸出限幅及其它參數(shù)的電路可以與該模型合并,，如圖16所示。

圖15. Sallen-Key和MFB拓?fù)涞牟ㄌ貓D

圖16. 包括誤差項(xiàng)的完整SPICE放大器模型