Автоматизація конструкції схеми підсилювача; Електроніка-сьогодні
Напівекспертні методи автоматизації проектування схеми підсилювача звертаються до поєднання конкретних вимог до обладнання та накладених обмежень. Інструмент проектування повинен підтримувати ці техніки з нулем на відповідному операційному підсилювачі (операційний підсилювач) та зовнішніх компонентах. На рисунку 1 показані два приклади основних схем, для яких потрібен інструмент такого типу. Так, це прості топології, але складність полягає в деталях вибору підсилювачів та зовнішніх компонентів для задоволення критеріїв продуктивності програми.
Фігура 1: WEBENCH® Amplifier Designer - проектування схем операційних підсилювачів.
Вимоги: Перехід від декількох до одного
Кінцевою вимогою є пошук ідеального операційного підсилювача для схеми підсилювача. При виборі підсилювачів від TI (Texas Instruments) ця задача вимагає від конструктора відсортувати приблизно 1300 операційних підсилювачів. Ці підсилювачі мають багато варіантів з точки зору електричних характеристик та технічних характеристик. Основні характеристики включають діапазон напруги живлення, пропускну здатність, межі сканування вводу/виводу тощо. На піку цих жорстких обмежень більшість підсилювачів використовують ряд таких критеріїв, як точність, шум, потужність, дрейф температури та/або вартість інтегральної схеми.
Починаючи з нульового рівня, першим завданням є сортування підсилювачів за базовим узгодженням із кінцевою конструкцією. В якості кроку 1 проектувальник визначає експлуатаційні значення базової схеми. Ці значення можна ввести за допомогою веб-інструменту для проектування підсилювача, такого як WEBENCH® Amplifier Designer.
На сторінці вимог інструменту проектування підсилювача (Рисунок 2) поля, які потрібно заповнити:
• Напруги живлення
• Вхідні та вихідні сигнали від схеми
• Умови вихідного навантаження
• Вихідна смуга пропускання для малих сигналів
Малюнок 2: Сторінка вимог до інструменту проектування підсилювача для введення даних.
Малюнок 3: Стилі вхідної та вихідної напруги.
VCC = 12V VEE = 0V
VINMin = 5,5 В VINMax = 6,5 В
VOUTMin = 0,5V VOUTMax = 11,5V
IOUT джерело струму/витік = 1 мА Низька смуга пропускання сигналу = 500 кГц
Пошук правильних операційних підсилювачів: екран дисплея
Наступний екран дизайну було отримано натисканням кнопки Створити дизайн підсилювача.
Під час переходу з виду на рис. 2 на рис. 4 програма визначає значення опорів у цільовій схемі операційного підсилювача. Легко призначити значення загального опору реакції (R2) 1 кОм. Однак краще дотримуватися загального керівництва з вибору значень, згідно з таблицею нижче.
Порядок перелічених підсилювачів залежить від вибраних параметрів оптимізації.
Угорі ліворуч на малюнку 4 знаходиться перелік вхідних критеріїв проектування, а праворуч - область оптимізації. Ця область оптимізації має три спадні меню з наступними опціями для встановлення пріоритетів проекту:
• Точність • Шум • Тепловий дрейф • Блок живлення • Вартість
Малюнок 4: Екран перегляду інструмента дизайну підсилювача.
Питання, на яке слід відповісти щодо цих п’яти характеристик, - це що є дуже важливим, важливим і менш важливим?
Коли вибір буде завершено, таблиця рішень на малюнку 4 оновлює результати.
Крім того, уточнення критеріїв можливо за допомогою меню у верхньому правому куті Рисунка 4. Варіанти, доступні в цій області, такі:
• Група інкапсуляції
• Кількість каналів
• Замикаючий штифт
Вибір у цьому розділі є зрозумілим, хоча вибір зменшує перелік підсилювачів.
Коли параметри меню оптимізатора змінені, наприклад, точність вибрано як Дуже важлива, Теплова дрейф важлива та Низький струм, OPA140 з'являється у верхній частині списку таблиць рішень.
Екран синтезу проектної програми
Наступним кроком є перехід на екран синтезу інструменту проектування підсилювача. Наприклад, кнопку Open Design було вибрано для OPA140 із таблиці рішень на екрані дисплея.
Малюнок 5: Екран синтезу інструменту дизайнера підсилювача.
У цей момент було обрано підсилювач і схема повністю визначена. Екран синтезу інструменту для проектування підсилювача (рис. 5) дозволяє дослідити теоретичну доцільність проекту. На центральній панелі на рисунку 5 показані вкладки вибору для перегляду розрахункового аналізу продуктивності, розрахункових значень продуктивності та технічного завдання.
Сегмент аналізу ефективності створює графіки введення/виведення, як показано на малюнку 5.
Є меню з вибором для перегляду графічних відповідей змінного струму, синусоїди та прямокутної форми сигналу. Ці криві не є результатом моделювання; на сторінці представлені розраховані теоретичні графіки. Бажання полягає в тому, щоб швидко поглянути на поведінку ланцюга перед тим, як рухатись далі. Вкладка розрахункових значень продуктивності дозволяє візуалізувати характеристики схеми у семи категоріях:
Малюнок 6: Екран моделювання інструмента дизайну підсилювача.
1. Критерії проектування
2. Значення робочої частоти
3. Вимоги до живлення
4. Помилка VOS/Ib (напруга компенсації/вхідний струм зміщення)
5. Посилення VOUT проти толерантності до витривалості
6. Похибка температури
7. Загальний вихідний шум
У межах цих семи категорій визначаються показники ефективності. Наприклад, значення робочої частоти (категорія 2) забезпечують пропускну здатність підсилювача, швидкість зростання підсилювача, пропускну здатність замкнутого циклу та загальну пропускну здатність потужності (FPBW).
Моделювання в інструменті проектування підсилювачів
Щоб перейти на екран моделювання TI SPICE, натисніть кнопку Sim у верхній частині екрана (не показано на малюнку 5).
Інструмент проектування підсилювача передає всю схему на екрані моделювання. Моделювання підсилювача на малюнку 6 використовує моделі Texas Instruments PSPICE® для надання шести варіантів моделювання:
1. Синусоїда
2. Крок відповідь
3. Відповідь замкнутого циклу
4. Підмітальні машини постійного струму
5. Загальний шум
6. Групова затримка
З усіма цими варіантами моделювання інструмент проектування забезпечує правильні джерела сигналу. Є варіанти зміни розміру, частоти та часу цих джерел.
Якщо це середовище моделювання не підходить, можна розрядити схему в середовищі TINA-TI ™. WEBENCH® Amplifier Designer надає цю опцію експорту, натискаючи кнопку Експорт Sim у верхній частині екрана моделювання (не показано на малюнку 6).
Висновок
Інструмент проектування підсилювача WEBENCH автоматично виконує основні дії з аналізу та вибору продуктів, які дизайнери зазвичай виконують при проектуванні схем, але робить процес на крок далі. Він забезпечує всебічну оцінку нової схеми, спрощуючи інтеграцію проекту підсилювача в решту системи.