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AN-1404: 利用DiffAmpCalc簡化全差分放大器系統(tǒng)設(shè)計

星星科技指導員 ? 來源:ADI ? 作者:Zoltan Frasch 和 Tin ? 2023-06-16 16:21 ? 次閱讀

Zoltan FraschTina Collins

DiffAmpCalc?是一種交互式設(shè)計和參數(shù)仿真工具。它使耗時的計算自動化,從而輕松確定增益、終端電阻、功耗、噪聲輸出及輸入共模電壓的優(yōu)質(zhì)水平。DiffAmpCalc通過為工程師提供高效且直觀的工具來減少設(shè)計風險。DiffAmpCalc的威力在于其以設(shè)計為導向的特性、易用性和內(nèi)置差錯檢測功能。

該工具利用數(shù)據(jù)手冊上的參數(shù)以數(shù)學手段模擬放大器的行為,可加快ADI公司多款差分放大器的選型、評估和故障排除。數(shù)據(jù)手冊中未規(guī)定的參數(shù),將根據(jù)數(shù)據(jù)手冊中的值和圖形進行外推。

模擬的全差分放大器(FDA)有三類:帶用戶可選增益的FDA、帶預設(shè)增益的FDA以及全差分漏斗放大器。圖1為DiffAmpCalc圖形用戶界面(GUI)。本應用筆記說明DiffAmpCalc的主要特性。

wKgaomSMJQeAQrjzAADswCI33Vg861.png

圖1. DiffAmpCalc GUI

DIFFAMPCALC特性

DiffAmpCalc是一款強大的工具,擁有豐富的設(shè)計特性。其三個主要設(shè)計特性是電路定制、優(yōu)化首選項以及用于各類配置的大量動態(tài)數(shù)據(jù)。用戶有多個設(shè)計定制選項。圖2所示為用戶可選的輸入拓撲(Single Ended(單端)或Differential(差分))、輸入耦合(交流或直流)及輸入端接(Terminate(端接))選項。圖3所示為輸出負載選項:None(無)、Differential(差分)、以地為基準(GND Referred)或以某個電壓為基準(V Referred)。

wKgaomSMG5aAMhWIAACcXAA9Muo281.png

圖2. 輸入拓撲、輸入耦合和輸入端接選項

wKgZomSMG5eAWqrlAAB9XdPmnAA433.png

圖3. 輸出負載選項

如需高差分增益,級聯(lián)放大器級是一個選擇。確定設(shè)計尺寸之后,有多個優(yōu)化特性可供使用,其中包括自動偏移、輸入跟蹤、增益計算、電阻容差和熱效應。

自動偏移(Auto Offset)開啟后,會自動調(diào)整輸入失調(diào)電壓,并將Vo c m調(diào)到可用輸入和輸出電壓范圍的中心。此特性可使放大器的動態(tài)范圍較大化。

若想要保持平衡輸入,使能輸入跟蹤(Input Tracking)會很有用,因為它會自動平衡輸入幅度和失調(diào)。這是通過迫使反相和同相節(jié)點相等來實現(xiàn)的。選擇Auto Offset時,InputTracking會禁用。Auto Offset和Input Tracking選項如圖4所示。

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圖4. Input Tracking和Auto Offset

設(shè)置系統(tǒng)增益

DiffAmpCalc可簡化系統(tǒng)增益計算。將所需增益輸入實際增益(Actual Gain)文本框(參見圖5中的帶圈區(qū)域)以設(shè)置系統(tǒng)增益。

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圖5. 設(shè)置系統(tǒng)增益

它會提供所有元件值,利用滾動條可以按比例調(diào)整這些值。DiffAmpCalc的一個重要特性是,當用戶在拓撲(To p o l o g y)中選擇端接(Terminate)時(即選中圖2中的Terminate),它會計算元件值。需要輸入端接來匹配阻抗。利用匹配阻抗選項,系統(tǒng)設(shè)計者可以靈活地定義輸入源。例如,若使用信號發(fā)生器作為FDA的輸入,則需要雙重端接。

雙重端接需要端接電阻。這些電阻會影響系統(tǒng)增益。為使雙重端接拓撲保持相同的系統(tǒng)增益,需要以迭代方式重新計算反饋電阻和增益電阻。該過程在ADA4930-1數(shù)據(jù)手冊中有說明。

當在拓撲中選擇Terminate時,DiffAmpCalc會自動計算元件值,從而簡化迭代計算。此特性會動態(tài)更新相應的反饋和增益元件值。DiffAmpCalc中的迭代計算默認是隱藏的。利用鍵盤快捷鍵Alt + V可使計算可見。再次按下Alt + V又會隱藏計算。

利用誤差預算和電阻熱噪聲效應,DiffAmpCalc很容易幫助優(yōu)化設(shè)計。通過選擇電阻容差(Resistor Tolerance)按鈕列出的下列選項之一,用戶可以選擇<1%到5%范圍內(nèi)的電阻容差:None(無)、<1%(E192)、1%(E96)、2%(E48)或5% (E24),如圖6所示。

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圖6. 電阻容差選項

當用戶定義環(huán)境溫度后,它就會計算電阻噪聲對性能的熱影響。電阻噪聲信息如圖7所示。

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圖7. 噪聲數(shù)據(jù)和輸入

仿真結(jié)果

每個節(jié)點的仿真結(jié)果會立即提供,因此可以進行實時分析。源電壓的節(jié)點數(shù)據(jù)和類似示波器的圖形以及放大器輸入/輸出電壓波形,對于快速了解元件和系統(tǒng)的權(quán)衡是很有利的。左鍵點擊類似示波器的顯示區(qū),可以實現(xiàn)1×、2×、5×、10×、20×、50×和100×放大。右鍵點擊該顯示區(qū)會還原。

它會計算所有節(jié)點的直流和交流峰峰值電壓。輸入電壓指定為交流電壓,峰峰值疊加在直流偏置之上。如果峰值電流是考慮事項,則總功耗會被分為靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗。圖8中,節(jié)點電壓顯示在電路圖的畫圈區(qū)域中,類似示波器的圖形顯示在電路圖右側(cè)帶框區(qū)域中。功耗計算位于帶框示波器區(qū)域下方。

wKgaomSMG5-AHWTJAAIQ96rWT-w338.png

圖8. 突出顯示節(jié)點電壓和示波器狀顯示區(qū)的屏幕截圖

顯示的時域仿真對應于放大器頻率響應為平坦狀時的頻率。頻域仿真包括放大器的帶寬、噪聲和失真。噪聲和帶寬默認根據(jù)放大器的最大帶寬來計算。如果需要輸出端噪聲和失真的仿真結(jié)果,選擇輸出低通濾波器(Output LPF,圖8底部畫圈區(qū)域,屏幕中央)將給出用戶定義頻率下的噪聲和失真以及峰峰值幅度。使用DiffAmpCalc來選擇ADC驅(qū)動器時,此信息會很有用,因為ENOB和SINAD會自動更新。如果系統(tǒng)增益大于4,HD2/HD3、THD/SNDR和ENOB會顯示N/A(不適用)。利用鍵盤快捷鍵Alt + N可使這些參數(shù)可見。

數(shù)據(jù)輸入

本框輸入數(shù)據(jù)時,仿真結(jié)果可以動態(tài)更新。電壓滾動條的默認步長為100 mV。若要改變分辨率,請使用以下按鍵組合:

1 V步長:Shi鼠標左鍵

10 mV步長:Ctrl鼠標左鍵

1 mV步長:Alt鼠標左鍵

單擊一個文本框內(nèi)部會將其激活。激活文本框時,文本框顏色從白色變?yōu)榫G色。激活文本框之后,用戶便可輸入數(shù)值、小數(shù)或負號。

內(nèi)置差錯檢測功能

DiffAmpCalc有多個內(nèi)置差錯檢測功能,可防止差分放大器常見問題混入設(shè)計中。當輸入的值超出規(guī)格范圍時,文本框會變?yōu)榧t色,并會顯示一條警告消息,其中會給出自動糾正結(jié)果或為什么不允許沿當前方向進一步調(diào)整的原因。圖9為警告消息示例,圖10為建議修正示例。

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圖9. 警告消息

wKgZomSMG6GAZ5n7AAD1eRFswbM410.png

圖10. 建議修正示例

當調(diào)整與某些條件一致時,會顯示一條警告消息,提醒用戶注意這些沖突情況。只要錯誤條件存在,警告消息就會一直顯示。解決輸入和輸出削波的快速方法是使能自動對齊(AutoAlign)特性。當輸入和/或輸出削波時,此特性是可見選項。AutoAlign特性會修正該問題,并設(shè)置輸入和Vo c m以支持最大輸出動態(tài)范圍。圖11顯示了一個輸入被削波的例子,其中出現(xiàn)了AutoAlign選項;圖12是AutoAlign修正后的情形。

wKgaomSMG6OAay74AAKiqHIl-tE434.png

圖11. 輸入和輸出被削波,AutoAlign選項可見

wKgZomSMG6WAIkv7AAJeZWUu9-k587.png

圖12. 選擇AutoAlign之后的結(jié)果

有一個微妙的防錯特性內(nèi)置在單端端接(Single-Ended Terminate)選項中。使用單端轉(zhuǎn)差分拓撲時,F(xiàn)DA未使用輸入的阻抗必須與另一輸入匹配。圖13中的帶圈區(qū)域顯示了一個帶匹配阻抗的未使用輸入的例子。

wKgaomSMG6eAR-LRAAHz9xeeJB0241.png

圖13. 單端轉(zhuǎn)差分拓撲的阻抗匹配

DiffAmpCalc為用戶提供了一款快速高效的動態(tài)設(shè)計優(yōu)化工具。

審核編輯:郭婷

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