使用TINA-TI与SPICE模型辅助运放电路设计——TI Precision Amp QucickStart Kit评测

时间：2017-08-17 16:14:06

关键字：开发套件模拟模拟电路运放 ampquickkit-evm tina-ti

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[导读]这次我们评测的开发套件与以往有所不同，这不是一款带有主控芯片的开发板，也不是带有传感器的拓展板，而是一款模拟电路的快速开发套件。这不止是一篇关于AMPQUICKKIT-EVM的评测，其中还涉及到了运放的电路模型介绍，SPICE仿真软件使用，低通滤波放大、Wien桥振荡和电流源三种基本运放电路。不少电子工程师在模拟方面有着明显的软肋，而本文将会帮助到你。

前言

今天要给大家评测的是来自德州仪器的高精度运算放大器快速入门套件，代号为AMPQUICKKIT-EVM。官方宣称这是进行放大器设计的理想起点，内含6个运放器样本和一个用于建立表面贴装集成电路原型的评估模块。

既然是评估套件，笔者自然想着怎么测试一下子.最佳做法当然是动起烙铁来,搭起各种运放电路,用示波器,信号发生器来观察输出特性.动手做当然是最好的,但是这样测试的话又难以测试到器件特性的方方面面.于是乎想借此机会写一下使用SPICE模型来对运放进行建模仿真.通过仿真来从深入的角度来了解这些运放的特性与参数.

还是先来看看外观。

TI Precision Amp Quick start kit

这个套件专门用来给开发者来评估测试运放的特性而设计的,包含:

· 6个运放样品

· 贴片到直插转接板

· 质量比较好的排针

TI AMPQUICKKIT-EVM的外包装及其简洁，一张卡纸折叠外面附着一个透明包装袋。正面写着样片型号和“解锁新可能”的slogan。

AMPQUICKKIT-EVM包装袋背面贴有有mouser的订单信息标签(此开发板为mouser购得)和TI的关键信息贴签。

打开AMPQUICKKIT-EVM包装袋，给外包装卡纸背面来个特写：

可见AMPQUICKKIT-EVM卡纸包装背面主要介绍了套件特性和TI Design Precision使用的相关信息，后文我们也会详细讲解。

打开卡纸包装后，这就是全部的东西了，一张快速开始说明，一张TI自己的推广卡片，六个运放，一个转接板和两列排针。

AMPQUICKKIT-EVM运放的样本使用单独的防静电自封袋包装，黑色标签纸贴明了其各自的型号。

图运放样品

这里我们随便拿出其中一个运放给大家拍了一下，因为器件太小，手机相机聚焦有限，因此不是很清晰。

AMPQUICKKIT-EVM转接板和排针的质量看起来非常不错，TI的品质一如既往值得信赖的。

图转接板与质量比较好的排针

AMPQUICKKIT-EVM的造型就是让人一看到就想到烙铁的类型,很贴心.

图转接板的应用图解

但是本文的主题我想限定在软件模拟的上面.至于动烙铁真实的测量我想留在以后的文章当中.

AMPQUICKKIT-EVM内6个运放的主要参数如下图所示：

TI官方也给出了6种运放的简单参数对比:

图运放的简单参数对比表

简单看来,电压较宽的器件静态电流会大一些,带宽大的器件也会有较大静态电流.从价格来讲宽电压的要贵一些.当然这只是一些简单的参数对比,要想全方位的了解这些运放,必须从datasheet上来详细研究.后文制作模型会讲到.

SPICE简介与TINA-TI软件

谈到SPICE,有的工程师可能比较了解,另外一些工程师可能只是听说过这么个东西.对SPICE的了解与否可以作为判断硬件工程师的类型.每个人有自己的工作方式,也无可厚非.但是对于真正想在硬件设计上达到深入了解的工程师,我的建议是必须对SPICE有较深入地掌握.

SPICE本身是电路仿真的开山之作,是我们熟悉的加州伯克利开发的电路仿真软件.刚开始由于当时计算机的发展状况只能在服务器,小型机这种性能较高的计算机上运行.后来有公司开发了个人电脑用的PSPICE.随着计算机向个人普及的趋势,后来大家也将PSPICE,SPICE混淆着使用了.只要大家明白是甚麽回事就行了.如今电路仿真的领域,只要是电路仿真,几乎都是继承SPICE的发展道路,只是各个公司的产品在细节上有些许不同.很多我们熟知的软件其实都是SPICE的后续发展.比如画电路图的Altium Designer, OrCAD其实都有SPICE仿真的功能,只是大家都忙于画电路图,很少注意这个功能.当然专业用于仿真的软件还是应用广泛一些,比如学生用的多的MultiSim也是SPICE的一种.[!--empirenews.page--]

事实上很多制造电子器件的厂商会随着datasheet的发布而同步发布器件的PSPICE模型.当然更多的厂商不这么做,因为我们可以从datasheet上的参数出发自己来制作器件的SPICE模型.SPICE模型说白了就是器件的物理特性+实际的参数构成的一种仿真软件使用的datasheet.

目前免费提供给个人使用的PSPICE仿真软件使用较多的有两种:LTSpice,是Linear(已经被ADI收购)公司出品,另外一个就是我们今天要使用的TINA-TI了.TINA的原版本是另外一个公司(DesignSoft)的商业产品(需购买),但是TINA-TI属于TI花钱出的定制版本,给大家免费用来测试TI的器件.其实也可以手工修改模型以仿真其他公司的器件的,只是TINA-TI有一些功能上的限制.这是题外话,需要了解详情的可以看这个网页: http://www.ti.com/analog/docs/gencontent.tsp?familyId=02&genContentId=33361.本文不刻意区分TINA与TINA-TI,提到TINA也是说的TINA-TI.

TINA下载地址: http://www.ti.com/tool/tina-ti

注意看标题:

图 TINA-TI下载页面

标题已经说的明白无误了:TINA是基于SPICE的.至于大家下载什么语言版本就听个人随便了,本文使用英文版本进行演示.

TI公司发布的能直接用于TINA-TI的器件模型列表可在此查询: https://webench.ti.com/webench5/spicemodels/?DCMP=hpa_hpa_elabs&HQS=spicerack#search=tina

如果不在此列表中也可以在类似器件的基础上进行修改的.好在TI的器件模型还很丰富的.

软件安装什么的就不说了,都是一路next即可.

安装好后,先制作一个简单电路来验证一下子.电路名称就是桥式整流:

图桥式整流电路

这个电路很简单,交流电经过桥进行整流.这里来观察整流电容的作用,第一次把电路中的电容C1给去掉,进行瞬态仿真得到这样的结果:

图无整流电容输入输出电压对比

再把1000u的电容加上同样进行瞬态仿真:

图加上1000u的整流电容后的输入输出电压对比

这个电路原理很简单,稍稍懂电路原理的同学就明白.但是如果你要真正搭起这个电路来把电容加上去掉的做实验,想想有多繁琐.不是说仿真可以取代实际电路实验,而是说仿真对于电路实验的帮助很大.很多电路可以先进行仿真再进行实际的操作效率明显会提高.尤其是涉及到运放这种较为复杂的器件时尤为突出.本文所做的所有实验都会附带源文件在后面附件里供读者下载参考.

运放的电路模型

运放应该是模拟器件中出场率最高的器件了,但也有可能是最不被理解的器件之一.

图运放的电路符号

运放的理想特性很简单:

· 开环增益无穷大

· 输入阻抗无穷大

· 输入失调为0

· 输出范围无穷

· 斜率无穷大,相移为0,带宽无穷

· 输出阻抗为0

· 0噪音

· 共模抑制比(CMRR)无穷

· 电源纹波抑制比(PSRR)无穷

上面说的可能较为繁琐,如果说讲简单一点,那么上述的理想特性可由这两句概括:

· 闭环电路中,输出的趋势是使得输入的电压差为0

· 输入不产生电流

图运放的等效电路

所谓的理想特性,换句话说就是不可能达到的特性.上述讲到的无穷大,实际的器件都是有限制的,而希望为0的参数实际器件都会有一些残余与噪音.不同的运放的不同特性就在于这些限制与残余噪音所造成的对于理想模型的偏移.有些不理想的参数有时也会被利用起来,下文会讲到.

一般来讲,运放的SPICE模型有如下几种:

图两端口模型

图 Boyle模型

图 Mpz模型

当然这些仿真模型有很多,也是一直在发展进化中的.不同的电路也区分使用不同的模型.比如在线性电路与比较器应用中,同样的运放往往使用不同的模型.在TINA-TI中,运放使用的模型为Green-List或者经TI改进过的Green-Williams-Lis模型. 这些模型的源代码都较长,不在这里贴出了,感兴趣的同学可以去TINA-TI的模型目录下去看看.上文提到的6个运放中有3个需要另外下载,网址也上在面给出了.[!--empirenews.page--]

典型电路之一:低通滤波放大

音频电路中常见的功能就是信号放大,比如麦克风采样而来的信号通常只有几十mV.那么要采样或者直接播放都需要进行放大,同时需要限制带宽在音频范围(100Hz-20KHz).

这样的电路一般由运放来搭建,下图即是一个简单的低通滤波+放大电路的原理图.

图一个低通滤波+放大电路

假设音频信号为直流偏移50mV,幅值50mV的信号,这里将放大倍数设定为10倍,响应频率设定为20KHz低通.公式如下:

Gain = (1+RF/RG)

Fcutoff = 1/(2*π*R1*C1)

100Hz瞬态仿真:

图 100Hz瞬态仿真

15KHz瞬态仿真

图 15KHz瞬态仿真

可以看出在频率增加时,增益有所减小.