Com s'utilitza un model d'amplificador operatiu de proveïdor de xips a LTSpice: 10 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:13

Introducció

LTspice és una eina de programari de simulació SPICE gratuïta amb captura esquemàtica, visor de formes d'ona i moltes millores que s'executa tant a Windows com a Mac OS X. L'utilitzo per investigar el comportament del circuit i experimentar ràpidament amb nous circuits per al meu laboratori abans de fer un prototip de PCB (imprès Disseny de tauler de circuits). La corba d’aprenentatge és fàcil de conquerir gràcies al suport d’Analog Devices, el grup de suport LTspice de Yahoo i la seva compatibilitat amb els models SPICE més habituals subministrats pels proveïdors de xips.

Aquest instructiu demostrarà com anar més enllà de la biblioteca de components subministrada amb LTspice incorporant un model d'amplificador operatiu LMV321 de tres proveïdors de xips diferents per crear un esquema d'amplificador simple com es mostra al dibuix. Cadascun d'aquests models posa en relleu diferents mètodes disponibles a LTspice per utilitzar-los amb l'àmplia varietat de models de components subministrats des de diversos llocs web de proveïdors. Cadascun d’aquests models també presenta diferents prestacions. Per ressaltar aquests problemes de rendiment, reutilitzo aquests tres models també en un disseny de corrent a tensió.

El públic objectiu són aquells amb certa experiència col·locant components en un esquema i executant una simulació. Al final d'aquest tutorial, sabreu com interpretar l'ordre. SUBCKT dins dels models del fabricant per utilitzar-lo amb els editors d'atributs i taula Opamp2 de LTspice per utilitzar peces del fabricant a les vostres simulacions.

Pas 1: descarregueu els models SPICE disponibles per a amplificador operatiu LMV321 dels proveïdors de xips i col·loqueu-los al nou directori

Models SPICE del fabricant

Incorporarem tres models SPICE basats en l’amplificador operatiu LMV321 en aquest tutorial. Seguiu-ho mentre esbosso els passos.

Creeu una carpeta per als vostres propers esquemes, símbols i models de LTspice. Em referiré a aquest directori com el nostre directori de treball en el futur.

Visiteu aquests llocs web de proveïdors de xips per extreure els models SPICE per a l’amplificador operatiu LMV321:

• Lloc web TI (utilitza el model PSPICE de semiconductors nacionals): LMV321
• Amplificadors operatius Maxim Macromodels: LMX321
• STMicroelectronics Macromodels: LMV3x opamp Macromodel

Consulteu els tres diagrames associats per obtenir fitxers específics que podeu descarregar a partir de la redacció d’aquest instructiu. En el futur, és possible que hagueu de buscar els noms dels models si els venedors de xips els han traslladat a pàgines web noves.

Per a TI i STMicro, copieu el model dels fitxers zip descarregats al directori de treball. Per al model Maxim, feu clic amb el botó dret al fitxer LMX321. FAM al seu lloc web i el deseu al directori de treball LTspice.

Al final d'aquest pas, hauríeu de tenir aquests tres fitxers de models d'espècies al directori de treball:

• LMV321. MOD
• LMX321. FAM
• LMV3x_macromodel.mod

Cadascun d'aquests fitxers es pot obrir amb un editor de text per veure una estructura comuna:

• documentació a la part superior,
• Ordre. SUBCKT,
• ordres spice construint el model.

Pas 2: obriu el símbol genèric LTspice Opamp2.asy de 5 pins

Opamp2.asy és reutilitzable

Des del menú Fitxer LTspice Obriu el símbol opamp2.asy del directori d'instal·lació.

Per a la instal·lació per defecte de Windows, això seria:

C -> LTC -> LTspiceXVII -> lib -> sym -> Opamps -> opamp2.asy

El símbol opamp2 no té assignat cap model d'amplificador operatiu. Per tant, no s’executarà en una simulació. Per aquest motiu, és un bon bloc inicial, ja que conté el dibuix i els enllaços per crear qualsevol amplificador operatiu que utilitzi els cinc pins comuns:

1. A +
2. En-
3. V +
4. V-
5. Fora

Tingueu cura de no obrir un d'aquests fitxers de símbols similars per error:

• opamp.asy (similar a opamp2.asy però sense els dos pins d'alimentació)
• UniversalOpamp2.asy (un opamp completament funcional amb model genèric)

Pas 3: Verifiqueu que l'ordre de pin del símbol Opamp2.asy coincideixi amb la informació de connexió del pin LMV321. SUBCKT

Assignació de taules de pins mitjançant. SUBCKT

Obriu el model opamp LMV321 desat prèviament com a LMV321. MOD al directori de treball mitjançant l’editor de text preferit. A prop de la part superior podem trobar la sentència. SUBCKT.

A. SUBCKT defineix una llista de xarxes SPICE reutilitzable, similar a una funció amb el seu nom i paràmetres associats en llenguatges de programari. La sintaxi subcircuit d'un amplificador operatiu subministrat per un fabricant té aquest aspecte:

. SUBCKT

… declaracions d'elements …

. ENDS

El nom de l'amplificador operatiu és la referència externa al nom de l'amplificador operatiu i els 5 N són una llista de connexions elèctriques ordenades a l'amplificador operatiu, tal com es descriu directament a sobre de l'ordre. SUBCKT. Les connexions elèctriques poden estar en qualsevol ordre, però el nostre símbol opamp2 assumeix aquest ordre:

1. entrada no inversora (In +)
2. inversió d'entrada (In-)
3. font d'alimentació positiva (V +, Vss)
4. font d'alimentació negativa (V-, Vee)
5. sortida (fora)

Obriu el símbol LMV321.asy al nostre directori de treball dins de LTspice i visualitzeu la taula de pins per assignar els noms de connexió a. SUBCKT als noms de connexió del nostre símbol:

Visualitza -> Fixa la taula

Totes les connexions elèctriques ja estan en l'ordre correcte per a la nostra taula de pins LTspice, d'1 a 5 així:

• entrada no inversora (In +) = 1
• inversió d’entrada (In-) = 2
• font d'alimentació positiva (V +) = 3
• font d'alimentació negativa (V-) = 4
• sortida (Out) = 5

Per tant, no haurem de fer cap canvi a la taula Pin del símbol.

Pas 4: creeu els atributs per al nou símbol LMV321 i deseu el fitxer com a LMV321.asy

Assignació d’atributs de símbol Opamp

Un darrer pas abans de desar el fitxer de símbols és posar un nom al símbol mitjançant l’Editor d’atributs. Utilitzarem el mateix nom que es mostra a la línia. SUBCKT:

LMV321.

Obriu l'Editor d'atributs al menú:

Edita -> Atributs -> Edita atributs

Feu els canvis següents:

• Canvieu el valor a: LMV321 (utilitzeu el mateix nom que a la línia d'ordres. SUBCKT)
• Canvieu la descripció a: Incloeu LMV321. MOD a l'esquema (més informació més endavant)

Feu clic a D'acord i deseu l'opamp2.asy com a LMV321.asy al directori de treball.

Notes:

• Deixeu la X al costat del prefix per indicar que el símbol es mostrarà en forma esquemàtica,
• Deixeu el tipus de símbol com a cel·la perquè el fitxer del model s’interpreti correctament,
• No deseu el símbol opamp2.asy modificat de nou a la biblioteca LTspice o és possible que altres esquemes que puguin confiar en aquest fitxer estiguin danyats,
• Si heu comès aquest error (com vaig fer una vegada), podeu restaurar el fitxer opamp2.asy original amb una nova sincronització mitjançant l'ordre: Eines -> Sincronitza l'alliberament.

El directori de treball hauria de tenir aquests fitxers ara:

• LMV321. fàcil
• LMX321. FAM
• LMV321. MOD
• LMV3x_macromodel.mod

Pas 5: creeu un esquema de prova i simuleu el rendiment de l’amplificador operatiu LMV321

Proveu el model d'amplificador operatiu LMV321 en una simulació

Obriu un esquema nou des de LTspice: Fitxer -> Nou esquema

Crearem un circuit de prova d’ampli operatiu basat en un amplificador sense inversió amb un guany de 2:

Guany = 1 + Rf / Rin

Afegiu el nostre component LMV321.asy de nova creació al directori de treball mitjançant l'ordre del component de menú de la cinta LTspice.

Consell: Molts usuaris de LTspice no són conscients que han de canviar el directori del símbol al directori de treball. Per gestionar l'accés als fitxers nous, canvieu l'element "Directori superior" al directori de treball.

Alimenteu l’ampli operatiu amb una font de 5 volts mitjançant el component de tensió.

Proveu l’ampli operatiu amb polsos que es repeteixen entre 0,2 i 2,3 volts fins a l’entrada que no inverteix mitjançant un segon component de voltatge.

Configureu una anàlisi transitòria durant un interval de 500 microsegons mitjançant el menú de la cinta LTspice. Ordre directiva Op SPICE.

Augmenteu el rendiment de la simulació amb les opcions següents amb l'ordre. OP:

.opcions gmin = 1e-10 abstol = 1e-10

.options plotwinsize = 0

On:

• Gmin (evitar que els nodes flotin definint una conductància petita a través de dispositius no lineals)
• Abstol (limita la tolerància a corrents en qualsevol lloc del circuit)
• plotwinsize (control de compressió on 0 indica que no hi ha cap comporessió)

Afegiu un títol al nostre esquema mitjançant el menú de la cinta de text:

Model nacional semiconductor LMV321: amplificador sense inversió

Deseu l’esquema al directori de treball com: test_LMV321.asc

Executeu la simulació del model National Semiconductor LMV321 descarregat del lloc web TI:

Feu clic a la icona Executa al menú de la cinta LTspice

Mesureu V (out) i V (In +) amb el cursor sobre els cables associats

Tingueu en compte que el guany es mostra com a 2, tal com hem predit més amunt.

El directori de treball hauria de tenir aquests fitxers ara:

• test_LMV321.asc
• LMV321. fàcil
• LMX321. FAM
• LMV321. MOD
• LMV3x_macromodel.mod

Pas 6: Creeu el símbol LMX321 a partir del símbol LMV321

Creeu un símbol LMX321.asy amb atributs correctes i una llista de pins / ordre de llista neta

Aneu al directori de treball i obriu el model LMX321. FAM amb el vostre editor de text favorit per veure la informació. SUBCKT (vegeu el diagrama). Repetim els dos darrers passos per construir un nou component d'amplificador operatiu i un circuit de prova.

Obriu el símbol LMV321.asy creat prèviament de LTspice situat al directori de treball:

Fitxer -> Obre -> LMV321.asy

Nota: Si no heu creat el símbol LMV321.asy abans, podeu obrir el símbol opamp2.asy.

Utilitzeu l'Editor d'atributs per canviar el símbol Valor i descripció (vegeu el diagrama):

Edita -> Atributs -> Editor d'atributs

• Valor: LMX321
• Descripció: incloeu LMX321. FAM a l'esquema

Feu clic a D'acord

Utilitzeu la taula de pins per canviar l'ordre de les connexions per alinear-se correctament amb l'ordre. SUBCKT (vegeu el diagrama):

Veure -> Fixar taula

La llista de connexions de l'1 al 5 està en un ordre diferent de la llista del nostre amplificador operatiu LMV321 anterior, per la qual cosa haurem de canviar la taula Pin per al símbol LMX321 de la següent manera:

• A + = 1
• In- = 3
• V + (Vcc) = 5
• V- (Vee) = 2
• Fora = 4

Feu clic a D'acord

Per què? A la descripció. SUBCKT del model, trobem que In + està assignat a "1", de manera que assignem In + a 1 a la nostra taula de pins. Però In- està assignat a "3" a la descripció. SUBCKT, de manera que assignem In- a 3 a la nostra Taula de pins. Etcètera

Deseu el nou símbol al directori de treball com a LMX321.asy

El directori de treball hauria de tenir aquests fitxers ara:

• test_LMV321.asc
• LMX321. fàcil
• LMV321. fàcil
• LMX321. FAM
• LMV321. MOD
• LMV3x_macromodel.mod

Pas 7: reutilitzeu l’esquema de proves i simuleu el rendiment de l’ampli operatiu LMX321

Proveu el model d'amplificador operatiu LMX321 en una simulació

Obriu el nostre circuit de prova anterior i canvieu les referències d'amplificador operacional al LMX321:

Fitxer -> Obre -> test_LMV321.asc

Suprimiu la referència a l'amplificador operatiu LMV321 del nostre esquema.

Utilitzeu l’opció de component del menú de la cinta LTspice per col·locar l’ampli operatiu LMX321.asy.

Substituïu la referència al model fent clic dret a l'ordre. INC al dibuix esquemàtic per:

. INC LMX321. FAM

Substitueix el títol per reflectir el nostre nou propòsit esquemàtic:

Model Maxim LMX321: Amplificador sense inversió

Tots els altres elements de l’esquema seguiran sent els mateixos.

Deseu l’esquema al directori de treball com a test_LMX321.asc

Executeu la simulació per al model d'amplificador operatiu Maxim LMX321

Feu clic a la icona Executa al menú de la cinta LTspice

Mesureu V (out) i V (In +) mitjançant el cursor sobre els cables associats

Tingueu en compte que el guany es mostra com a 2, tal com hem predit més amunt.

El directori de treball hauria de tenir aquests fitxers ara:

• test_LMX321.asc
• test_LMV321.asc
• LMX321. fàcil
• LMV321. fàcil
• LMX321. FAM
• LMV321. MOD
• LMV3x_macromodel.mod

Pas 8: creeu el símbol LMV3x a partir del símbol LMV321

Crea un símbol LMV3x.asy amb atributs correctes i taula de pinsos

Aneu al directori de treball i obriu el model LMV3x_macromodel.mod amb el vostre editor de text favorit per veure la informació. SUBCKT (vegeu el diagrama).

Obriu el símbol LMV321.asy creat prèviament de LTspice situat al directori de treball:

Fitxer -> Obre -> LMV321.asy

Nota: Si no heu creat el símbol LMV321.asy abans, podeu obrir el símbol opamp2.asy.

Utilitzeu l'Editor d'atributs per canviar el símbol Valor i descripció (vegeu el diagrama):

Edita -> Atributs -> Editor d'atributs

• Valor: LM3x
• Descripció: incloeu LMV3x_macromodel.mod a l'esquema

Feu clic a D'acord

Utilitzeu la taula de pins per canviar l'ordre de les connexions per alinear-se correctament amb l'ordre. SUBCKT (vegeu el diagrama):

Visualitza -> Fixa la taula

La llista de connexions no té números i els paràmetres es troben en un altre ordre diferent de la llista dels nostres dos amplificadors opcionals. SUBCKT. No hi ha cap necessitat d’entrades numèriques a l’ordre. SUBCKT, però haurem de canviar la taula Pin per al símbol LM3x per alinear-la amb el nostre ordre original opamp2.asy de la següent manera:

• A + = 2
• In- = 1
• V + (font d'alimentació positiva) = 4
• V- (font d'alimentació negativa) = 5
• Fora = 3

Feu clic a D'acord

Per què? La descripció. SUBCKT dels 5 pins es troba en un ordre específic. Prenem la primera entrada com a pin 1, que és el paràmetre Inverting Input (In-). Per tant, marquem l'entrada amb la taula de pins com a número 1. La segona entrada serà el pin 2, que es denomina entrada no inversora (In +). Per tant, marquem l'entrada In + utilitzant la Taula de pins com a número 2. I així successivament

Deseu el nou símbol al directori de treball com a LMV3x.asy El directori de treball hauria de tenir aquests fitxers ara:

• test_LMV321.asc
• LMV3x1.asy
• LMX321. fàcil
• LMV321. fàcil
• LMX321. FAM
• LMV321. MOD
• LMV3x_macromodel.mod

Pas 9: reutilitzeu l'esquema de proves i simuleu el rendiment de l'amplificador operatiu LMV3x

Completeu el model d'amplificador operatiu LMV3 i proveu-ho en una simulació

Obriu el nostre circuit de prova original i canvieu les referències d'amplificador operacional al LMV3x:

Fitxer -> Obre -> test_LMV321.asc

Suprimiu la referència a l'amplificador operatiu LMV321 del nostre esquema.

Utilitzeu l’opció de component del menú de la cinta LTspice per col·locar l’ampli operatiu LMV3x.asy

Substituïu la referència al model fent clic dret a l'ordre. INC al dibuix esquemàtic per:

. INC LMV3x_macromodel.mod

Substitueix el títol per reflectir el nostre nou propòsit esquemàtic:

Model STMicroelectronics LM3x: Amplificador sense inversió

Tots els altres elements de l’esquema seguiran sent els mateixos.

Deseu l’esquema modificat com a test_LMV3x.asc al directori de treball.

Executeu la simulació per al model d'amplificador operatiu STMicroelectronics LMV3x

Feu clic a la icona Executa al menú de la cinta LTspice

Mesureu V (out) i V (In +) mitjançant el cursor sobre els cables associats

Tingueu en compte que el guany es mostra com a 2, tal com hem predit més amunt.

El directori de treball hauria de tenir aquests fitxers ara:

• test_LMV3x.asc
• test_LMX321.asc
• test_LMV321.asc
• LMX321. fàcil
• LMV321. fàcil
• LMX321. FAM
• LMV321. MOD
• LMV3x_macromodel.mod

Pas 10: compareu el rendiment del model i les conclusions

Reviseu els models de simulació en un circuit de corrent a tensió

Les simulacions d'amplificadors operatius d'amplificador sense inversió que hem explorat fins ara mostren resultats constants per a cadascun dels tres models. És a dir, un guany de tensió de 2, com vam predir.

M'agradaria deixar-vos una simulació de circuits més utilitzant cadascun dels tres models. Un convertidor de corrent a tensió "mal dissenyat". L’esquema mostra una predicció de Vout = Iin * R1.

Per a un error mínim a causa del corrent de biaix, el valor suggerit per a R2 hauria de ser el mateix que R1. Al meu circuit, a propòsit, faig servir un valor molt inferior per a R2 per intentar exposar les diferències de model fora de les pràctiques normals de disseny. La simulació també ens hauria d’ajudar a visualitzar el pobre error de disseny previst a través de la variància en el biaix perquè R1 i R2 no són el mateix.

En les tres simulacions, el Maxim LMX321 té un rendiment més diferent, ja que el Vout sembla baix i no presenta cap variació en el biaix ni en el timbre. Mentre que els altres dos models, LMV3x de STMicro i LMV321 de National Semi mostren els resultats esperats de Vout juntament amb algunes diferències en la variància en el biaix o el comportament de timbre.

En conclusió

He mostrat tres mètodes diferents que s’han trobat en importar models d’amplificadors operatius del fabricant mitjançant la família LMV321 per a LTspice. Hem revisat el model National Semiconductor LMV321 del lloc web de TI, el model STMicroelectronics LMV3x i el model MAXIM LMX321. Aquests tres mètodes us ajudaran a importar models d'amplificadors operatius per a qualsevol altra part mitjançant l'ordre. SUBCKT del model juntament amb els atributs de LTspices i els editors de Pin Table.

També he demostrat que alguns models funcionen millor que altres, tal com es demostra amb el convertidor esquemàtic de voltatge a corrent. Provar dos o més models als dissenys de simulació us pot ajudar a obtenir resultats més fiables segons les vostres necessitats.

Referències:

Descàrrega i documentació de LTspice

www.analog.com/en/design-center/design-tools-and-calculators/ltspice-simulator.html

Grup LTspice - Grups Yahoo: molts fitxers compartits, suport actiu per a preguntes

groups.yahoo.com/neo/groups/LTspice/info

Full de referència ràpida SPICE v1.0, Standford EE133 - Hivern 2001: referència a. SUBCKT pp7-8

web.stanford.edu/class/ee133/handouts/general/spice_ref.pdf

Col·lecció de circuits d'amplificadors operatius: Nota d'aplicació nacional de semiconductors 31 de setembre de 2002: referència a circuits d'amplificador operatiu de conversió de corrent a voltatge d'amplificador sense inversió

www.ti.com/ww/en/bobpease/assets/AN-31.pdf

Tots els fitxers relacionats amb aquesta instrucció es poden descarregar a continuació com a fitxer zip.

ltspice_lmv321_simulation_files.zip