放大器参数评估工具为设计电路加快检查

使用运算放大器设计电路很难建立一种程式化模式，除了偶尔使用误差预算。虽然模拟系统设计工程师对运算放大器有专门的考虑，但他们都是依靠经验判断哪些参数最终会导致问题。放大器的任务范围包括从简单的将信号源与负载隔离，到获取增益、移动直流电平和加大负载电流。一旦电路中的任务确定，设计工程师就开始计算满足这些任务要求的放大器参数。多数计算都很容易，即使对新手而言，计算运算放大器必须提供的电流值和需要的余量也十分简单。但是还有很多其它参数会影响电路的性能，例如全功率带宽、转换速率、输入失调电压、偏置电流、失调电流、开环增益、共模抑制比（CMRR）以及允许的输入差分电压，这些仅是其中几个参数。

由于很大程度上是依赖经验察觉这些参数将导致性能受到影响，所以对新系统采用程式化模式设计容易产生偏差。例如，考虑一个从很窄的频率带宽变成很宽的频率带宽的设计。放大器不仅必须用全功率带宽和转换速率定义的效应来支持这个更高的绝对频率，而且开环增益会随着频率的增大而减小，导致电路的增益在频率端点处相差很大。尽管在窄带条件下没有发生问题，但是对于高频宽带应用增益误差往往会导致问题出现。许多工程师在初次进行宽频带设计时都会忽略这个误差。

图1：设计工具：放大器参数评估工具。

许多人可能会提出反驳说可以使用SPICE来做仿真和观察这种误差。虽然使用SPICE是一种很好的尝试，但是SPICE并不是万能的。在这种情况下，仔细的工程师会使用交流分析方法观察增益误差在频率端点处的差异。但这要在完成参数搜索、查看数据手册和模型下载的过程之后才能进行。如果限制参数是转换速率，那么在问题开始出现时，对标准瞬态分析进行视觉观察根本就无法检查出来。另外SPICE依赖于精确模型，如果转换速率或主极点的模型不够精确，那么要正确分析这些例子可能非常困难，或者不可能实现。Boyle宏观模型，甚至更先进的建模方法通常也有折衷，这使得其难以实现所有参数的精确行为建模，这就牵扯到另外一个话题了。使用SPICE还存在其它一些严重的缺点。不是所有版本的SPICE都是通用的，因此该模型可能需要用户调整，特别是处理多项声明时。另外仿真的收敛也是一个问题，它会导致一些无法预计的结果。SPICE不提供关于哪些参数会导致问题的反馈。

发现典型设计流程存在的潜在缺陷和耗费时间的问题后，需要一种设计工具能够在深入设计之前加速设计流程并且发现问题所在。美国模拟器件公司（ADI）最近推出的在线仿真工具恰好可满足这一需求。他们的放大器参数评估工具（见图1）允许电路设计工程师配置电路和信号源，选择放大器并且评估该放大器在该电路中的性能。图2a示出的电路波形只是说明转换速率限制的初始情况。就像在SPICE中一样，临界转换速率限制无法用眼睛观察到。然而该设计工具中的交互消息指示了每一种标志情况的有用信息，包括它们的发生原因和解决方案。（图2b所示的是转换速率限制情况下的提示信息，正常情况下不提示）。该设计工具允许分别加上或者去除由于放大器有限的开环增益而产生的直流误差和增益误差，使用户能更容易地检查出误差原因。当误差原因未检查出，但会导致严重后果时（大于1％满量程输出信号），对话框中会出现提示信息以帮助用户避免疏漏。

那么设计工具是如何工作和怎样建模的呢？通过在服务器端执行数学模型代码，美国国家仪器公司（NI）的LabVIEW工具显然能计算出该电路的响应。电路设计工程师只要使用一个标准的网络浏览器就能设置该工具并且浏览其数学计算结果。设计工具根据每个放大器的参数及电路配置指示削波、电源限制、共模电压和差分电压限制、最小稳定闭环增益限制、最大输出额定电流、带宽限制、容性负载驱动能力和转换速率限制。该设计工具利用另外的参数可评估失调电压引起的直流误差、偏置电流、失调电流、CMRR和电源抑制比（PSRR），并且指明由于放大器开环增益响应和有限输入阻抗造成的增益误差。

巧妙地利用该设计工具可以提供一些设计过程中的其它捷径。通过对增益误差进行排除，余量有问题或转换速率受限制的放大器能够更快的被滤出。不是通过调整每个放大器的增益以补偿这种影响后再观察运算放大器的限制，而是通过先排除增益误差以筛选出达到要求输出信号范围的放大器，然后仅调整这些放大器的增益以进一步评估。直流误差以全正误差和全负误差出现，每种情况下都运行该模型，查看在这两个供电电压下余量是否足够。面板式用户界面有助于方便地打印出电路图和任何相关问题以便用于设计文档。

图2：转换速率限制下初始情况的。（a）信号波形；（b）提示信息。

配置电路后，“推荐放大器”工具可为这个具体电路搜索最匹配的运算放大器。另外，“推荐放大器”反馈所有用该设计工具建模的放大器的状态，并将推荐的放大器列在表的顶端。这一功能允许工程师快速查看他现有的所有放大器的状态，加快故障调试和样板设计。实际上，该设计工具的使用者不必总是按常规方式搜索放大器。电路可以先设置成没有运放，“推荐放大器”工具能很快地找出运放的最佳选择，于是设计工程师就有了一到两个具有很高的可信度的运放，然后就可继续查看这些运放的数据手册，进行仿真和样板设计。

另一项工具“选择向导”能帮助新手配置电路和选择器件。通过简单的选择放大器反相端或同相端，设置其输入和输出范围，指出最大频率，该向导就可配置电路并且给出运算放大器的推荐。“选择向导”是单步操作，可根据输入和输出范围确定电平移位和输入信号增益所需的所有无源元件值。

无论是新手还是专家为了设计电路或者快速检查，采用ADI的放大器参数评估工具都能加快其放大器选择过程，并且为采用该放大器从事电路设计的工程师增强信心。

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