Министерство Высшего Образования Российской Федерации
Красноярский Государственный Технический Университет
Реферат на тему:
Макромодели операционного усилителя.
Выполнил: студент группы Вт21-4
Якушенок Сергей Александрович
Проверил:
Зав. Кафедры ТОЭ
Довгун Валерий Петрович
Красноярск 2003.
Содержание:
Макромоделирование. 3
Классификация макромоделей аналоговых ИС. 3
Трехкаскадные операционные усилители (ОУ) типа 153УД1 4
Макромодели ОУ 153УД1. 5
Малосигнальные макромодели. 5
Нелинейные макромодели. 7
Анализ схем с помощью программы Electronics Workbench 4.1c. 9
Приложение 11
Список литературы: 12
Макромоделирование.
В настоящее время макромодель интегральной схемы (ИС) определяется как ее упрощенная математическая модель (с точки зрения объема вычисления и емкости машинной памяти при реализации) в отличие от полной модели ИС, полученной простым объединением моделей всех элементов ИС. Цель макромоделирования заключается в снижении как вычислительных затрат, так и затрат труда пользователя систем автоматизации схемотехнического проектирования (АСП) путем упрощения моделей ИС при сохранении достаточной для практики точности моделирования. Использование при расчете схем полных моделей ИС приводит к быстрому росту размерности решаемых задач с увеличением степени интеграции ИС, что существенно ограничивает возможность систем АСП.
Но переход на макромодели имеет свои проблемы, которые начинаются уже с определения: что же такое макромодель? Макромоделью часто называют любую упрощенную модель ИС, реализовать которую можно, лишь написав программу на языке программирования. Приставка «макро» свидетельствует о наличии в системе автоматизации проектирования двух уровней моделей: базовых моделей, являющихся элементарными строительными «кирпичиками», из которых можно построить описание исследуемого объекта, и макромоделей. По аналогии макромодель можно сравнить с законченным «блоком», построенным из кирпичей.
Классификация макромоделей аналоговых ИС.
Классификация макромоделей может быть проведена по различным признакам. Наиболее часто макромодели подразделяют по области их применения (диапазон рабочих токов, напряжений, частот и т.д.) на статические и динамические, линейные и нелинейные.
Нелинейные статические макромодели используются в основном при расчетах режимов аналоговых схем, а так же для анализа переходных процессов в схемах, в которых можно пренебречь инертностью макромодели. Линейные статические макромодели используются в простейших случаях, чаще всего при ручных расчетах. Линейные динамические макромодели предназначены для анализа частотных характеристик в режиме малых сигналов и переходных процессов в рабочих режимах аналоговой схемы. Нелинейные динамические макромодели наиболее универсальны. Они имитируют работу схем с учетом инертности при любых значениях напряжений и токов на внешних выводах.
По сложности макромодели делятся на четыре уровня в зависимости от их сложности.
Первый уровень сложности образуют простейшие макромодели, отображающие только функционально-логическое назначение ИС. Такие модели удобны на этапе предварительного анализа вариантов структуры проектируемой схемы. Они не учитывают схемотехнические и технологические особенности ИС определенного назначения.
Макромодели второго уровня сложности отображают все выходные параметры, которые входят в ТУ на ИС, и применяются при проектировании устройств, работающих в режимах, указанных в ТУ.
С помощью макромоделей третьего уровня сложности выявляются дополнительные характеристики, которые не входят в ТУ, например выброса тока при переключении ключей, нелинейность входных и выходных характеристик усилителей. Для более точного моделирования характеристик ИС в качестве составных частей в таких макромоделях используют модели компонентов. Эти макромодели применяются в том случае, когда моделируемая ИС входит в анализируемую схему как основной элемент (например, макромодель операционного усилителя в схеме активного фильтра).
Макромодель четвертого уровня сложности представляет собой эквивалентную схему ИС на уровне компонентов. С её помощью можно получить практически все характеристики ИС, интересующие разработчика РЭА.
Трехкаскадные операционные усилители (ОУ) типа 153УД1
Схема ОУ 153УД1 оказалась одной из наиболее удачных реализаций трехкаскадной структуры. Достаточно высокие точностные параметры в сочетании с несложными технологическим процессом изготовления и, следовательно, небольшой стоимостью обусловили широкое применение этой ИС в разработках аппаратуры.
Рис.1 Трехкаскадный ОУ типа 153УД1.
Рассмотрим особенности конфигурации схемы и проведем анализ её динамических характеристик. Инерционные свойства ИС ОУ в рабочем диапазоне частот определяются в основном цепями частотной коррекции. Поэтому при анализе динамических характеристик элементы, составляющие схему, можно считать в первом приближении безынерционными. Динамические характеристики ИС ОУ 153УД1 определяются двумя цепями частотной коррекции:Rk1Cr1 и Ck2.При малых сигналах поведение ОУ может быть полностью описано передаточной функцией. При достаточно больших сигналах происходит насыщение тока входного и промежуточного каскадов. Заряд емкостей частотной коррекции постоянным током приводит к постоянной (а не экспоненциальной, как в линейных цепях) скорости нарастания выходного напряжения на выходных зажимах ОУ. При разработке макромодели важно знать, в каком из каскадов ОУ происходит насыщение. Для насыщающегося каскада следует использовать нелинейную модель, в то время как для других каскадов возможно использование линейных моделей.
Трех каскадный ОУ типа 153УД1 для упрощенного анализа динамических характеристик можно представить эквивалентной схемой (рис. 2). Первый каскад
Рис. 2 Упрощенная модель трехкаскадного ОУ для расчета скорости нарастания выходного напряжения.
В линейной области K1=U2/U1=(I1m/U10)Rвых1, K2=U3/2=K2(1+pτ2), K3=Uвых/U3=K3/(1+pτ3), Sm2=I2M/U20.
считается безынерционным с линейной зависимостью выходного напряжения U2 от входного U1 в пределах уровня напряжения ограничения U10. Когда входное напряжение превышает этот уровень, каскад входит в режим насыщения, т.е. его выходной ток I1м (и выходное напряжение) не зависит от входного сигнала.
Второй каскад в модели представлен последовательным соединением двух звеньев: инерционного, свойства которого определяются первой цепью частотной коррекции, и нелинейного, отображающего нелинейность первого каскада. Третий каскад предполагается линейным, его инерционность определяется второй цепью частотной коррекции. Выражения для постоянных времени каскадов имеют следующий вид:
τ2=K1Ck1(Rk1+Rвых1) , τ3=K3Ck2R8,5 .
Здесь Kk1, K3 – коэффициенты усиления первого и третьего каскадов; Rвых1 – выходное сопротивление первого каскада (вывод 1); R8,5 – передаточное сопротивление от вывода 8 к выводу 5. Параметры имеют следующие типовые значения: K1=10 (с учетом потерь сигнала из-за конечности входного сопротивления второго каскада), K3==30, Rвых1=21,5 кОм, R8,5=1.23 кОм, I1м=40 мкА, K2=110.
Анализ этой схемы (рис. 2) показывает, что если первый каскад не входит в режим насыщения (при R>500), то в режим насыщения входит второй каскад и наоборот. Таким образом, если, например, макромодель предназначена для моделирования ОУ при достаточно глубокой обратной связи (K≤500), в макромодели необходимо учесть только нелинейность первого каскада. В более точной макромодели необходим учет нелинейности обоих каскадов.
Макромодели ОУ 153УД1.
Малосигнальные макромодели.
Простейшая макромодель, воспроизводящая малосигнальные импульсные характеристики ОУ, представлена на рис. 3.
Рис. 3 Макромодель ОУ типа 153УД1 для расчета импульсных характеристик в режиме малого сигнала.
Входные и выходные сопротивления макромодели определяются из экспериментальных исследований ОУ с замкнутой петлей обратной связи. Крутизна характеристики источника J2 определяется в предположении, что коэффициент передачи напряжения на выход от конденсатора C1 равен единице. Тогда крутизна характеристики источника J1 определяется из выражения
S1(R1R2)S2R6/(R1+R2)=K.
Так как S2R6=1, а сопротивление резисторов R1, R2 определяются соотношением R1