SPICE-Makromodelle für OPV Vertrauen ist gut – Kontrolle ist besser

Wie gut sind SPICE-Modelle der Halbleiterhersteller?
Wie gut sind die SPICE-Makromodelle der Halbleiterhersteller? Teil 1.

Mit SPICE können Entwickler analoge Schaltungsentwürfe testen, bevor sie im Labor einen Prototypen bauen. Viele Entwickler nutzen Simulationen intensiv, aber haben sie je hinterfragt, ob das SPICE-Modell des gewählten Operationsverstärkers auch mit den Datenblatt-Spezifikationen übereinstimmt?

Der frühere US-Präsident Ronald Reagan sagte, wenn es um das Verhältnis der USA zur Sowjetunion ging, häufig: »Vertrauen ist gut – Kontrolle ist besser«. Verschiedentlich heißt es, dieser Ausspruch sei aus dem russischen Sprichwort »Dowerjai, no prowerjai« hervorgegangen, das wortwörtlich mit »vertraue, aber prüfe nach« übersetzt werden kann.

Genau dieses Motto hat auch bei der Verwendung von SPICE-Makromodellen (SPICE: Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) für Operationsverstärker seine Gültigkeit. Um Stabilitätsanalysen von Operationsverstärkerschaltungen im AC-Bereich durchzuführen, müssen Entwickler verifizieren, dass sowohl die Leerlaufverstärkung (V0) als auch die Ausgangsimpedanz im Leerlaufbetrieb (ZA0), die beide von zentraler Bedeutung für die Stabilitätsanalyse von Operationsverstärkern sind, vom Makromodell des Operationsverstärkers korrekt wiedergegeben werden.

Wichtigste Kenngrößen: Leerlaufverstärkung und Ausgangsimpedanz

Bild 1 zeigt ein AC-Modell für einen Operationsverstärker mit V0 und ZA0. Da die meisten SPICE-Makromodelle für Operationsverstärker hinsichtlich V0 korrekt sind, wird nachfolgend nur das Verifizieren von ZA0 betrachtet, da diese Größe oftmals nicht korrekt nachgebildet ist. Beachten Sie, dass es in der Branche keine einheitliche Terminologie für die Leerlaufausgangsimpedanz gibt. Sowohl RA0 als auch ZA0 sind als Bezeichnungen gebräuchlich.

Bild 2 verdeutlicht die wichtigen Unterschiede zwischen ZA0 und ZA. Bei ZA0 handelt es sich um die Ausgangsimpedanz ohne Beschaltung zur Gegenkopplung, dagegen ist ZA die Ausgangsimpedanz mit externer Gegenkopplung. ZA0 und ZA hängen miteinander zusammen: ZA ist ZA0, reduziert um die Schleifenverstärkung. Bild 2 zeigt, wie sich die Beziehung zwischen ZA0 und ZA herleiten lässt.

Dieses vereinfachte Operationsverstärker-Modell konzentriert sich rein auf die grundlegenden statischen (DC-) Eigenschaften eines Operationsverstärkers. Ein hoher – zwischen 100 MΩ und dem GΩ-Bereich liegender – Eingangswiderstand RDIFF bewirkt, dass an ihm wegen der Spannungsdifferenzen zwischen +Ein und –Ein eine Fehlerspannung UF abfällt. Diese Fehlerspannung UF wird um die Leerlaufverstärkung V0 verstärkt und wird zu UA0.

In der Verbindung zwischen UA0 und dem Ausgang UA liegt die Leerlauf-Ausgangsimpedanz ZA0. Mithilfe der standardmäßigen Schaltungsanalyse lässt sich der Zusammenhang zwischen ZA0 und ZA zeigen.

Messen der Ausgangsimpedanz des SPICE-Modells

Bild 3 zeigt die SPICE-Schaltung zum Prüfen der Ausgangsimpedanz ZA eines Operationsverstärkers. Eine AC-Stromquelle IA, deren DC-Anteil auf null gesetzt ist, wird an den Ausgang des Operationsverstärkers angeschlossen. Denn es soll kein Gleichstrom in den Ausgang des Operationsverstärker gespeist werden, da ZA mit zunehmendem Strom im Ausgang niedriger wird. Die gravierendsten Stabilitätsprobleme treten aber stets bei den höchsten ZA-Werten auf.

Für diesen Test wird die Schleifenverstärkung des Operationsverstärkers auf 1 gesetzt, um die Simulation mit den Messwerten für eine Verstärkung von 1 im Datenblatt vergleichen zu können. SPICE führt erst eine DC-Analyse durch, bevor es die AC-Analyse startet. Deshalb muss sichergestellt sein, dass der Verstärkerausgang bei der DC-Analyse nicht in die Sättigung gerät, da sonst keine aussagefähige AC-Analyse möglich ist.

Vergleich der SPICE-Simulation mit dem Datenblatt

Die DC-Analyse für den Ausgang des Operationsverstärkers LMV844 [2] ergibt einen Wert von 500 µV für eine Verstärkung von V = 1, was auf eine für diesen Baustein erwartete Eingangs-Offsetspannung hindeutet. Wenn der V0-Wert im Makromodell des Operationsverstärkers der Angabe im Datenblatt entspricht, dann bedeutet es das ZA0 korrekt ist – auf der Grundlage von Bild 2. Die Ausgangsspannung UA wird zu ZA, da die AC-Analyse alle Spannungsmesswerte bezogen auf den Ausgangsstrom IA angibt. Die AC-Analyse berechnet UA = IA × ZA und gibt dies als eine Verstärkung von UA/IA = ZA aus.

Das SPICE-Prüfergebnis mit dem Makromodell des LMV844 ergibt aber, dass ZA bei einer Verstärkung von 1 nicht mit der Angabe im Datenblatt übereinstimmt. In Bild 4 ist in der Datenblatt-Angabe von ZA zu erkennen, dass es zwei Steigungen – +20 dB/Dekade und +40 dB/Dekade – bei einem Verstärkungsfaktor = 1 gibt, wogegen der ZA-Wert des Makromodells nur eine Steigung von +20 dB/Dekade hat. Nun muss sich der Entwickler an den Hersteller des Operationsverstärkers wenden, um ein besseres Makromodell mit dem korrekten ZA-Wert für die Stabilitätsanalyse zu bekommen.

Ebenso wie bei der Leerlaufausgangsimpedanz ZA0, gibt es in der Industrie auch für die Ausgangsimpedanz ZA keine einheitliche Terminologie: gebräuchlich sind sowohl RA als auch ZA.

Messen der Leerlauf-Ausgangsimpedanz des SPICE-Modells

Mit der in Bild 5 gezeigten Schaltung lässt sich die Ausgangsimpedanz im Leerlauf ZA0 messen. SPICE führt wieder erst eine DC-Analyse und anschließend eine AC-Analyse durch. Deshalb muss sich der Entwickler auch hier vergewissern, dass der Verstärkerausgang bei der DC-Analyse nicht in die Sättigung gerät, denn sonst ist keine aussagefähige AC-Analyse möglich.

In der Schaltung in Bild 5 fungiert L1 bei DC als Kurzschluss, die interessierenden Frequenzen werden jedoch nicht durchgelassen. Umgekehrt wirkt C1 bei DC nicht als Verbindung, stellt aber für jede der interessierenden Frequenzen einen Kurzschluss dar.

Die DC-Analyse weist für den Ausgang des Operationsverstärkers OPA376 [3] einen Wert von –25,38 µV bei einer Verstärkung von 1 aus, was eine für diesen Baustein zu erwartende Eingangs-Offsetspannung ist.

Ebenso wie beim ZA-Test wird auch hier eine AC -Quelle mit einem auf null eingestellten DC-Anteil auf den Operationsverstärker-Ausgang gegeben. UA wird zu ZA0, da die AC-Analyse alle Spannungsmesswerte bezogen auf den Ausgangsstrom IA ausgibt. Die AC-Analyse berechnet UA = IA × ZA0 und gibt dies als eine Verstärkung von UA/IA = ZA0 aus.

Vergleich der SPICE-Simulation mit dem Datenblatt

Bild 6 bestätigt, dass das SPICE-Makromodell des Operationsverstärkers tatsächlich dem Datenblatt entspricht. Im Datenblatt des OPA376 sind zwei Kurven für ZA0 abgebildet. Da in diesem Beispiel der unbelastete ZA0-Wert interessiert, wird die SPICE-Simulation mit der RA0-Kurve bei 400 µA Laststrom im Datenblatt verglichen.

Zu beachten ist, dass ZA0 mit der Stromstärke in der Ausgangsstufe abnimmt. Für die Beurteilung der Stabilität ist der größte ZA0-Wert wichtig, da sich bei diesem Wert nahezu immer die größten Stabilitätsprobleme einstellen.

Die beschriebene Methode bietet eine schnelle und einfache Möglichkeit um SPICE-Makromodelle von Operationsverstärkern hinsichtlich von ZA0 oder ZA zu kontrollieren – um ihnen vertrauen zu können. Modelle mit korrekten ZA0- bzw. ZA-Werten erlauben es Entwicklern, Simulationen durchzuführen, Prognosen anzustellen und stabile Operationsverstärkerschaltungen zu entwerfen.

 

Literatur

[1] Frederiksen, Th. M.: Intuitive Operational Amplifiers. McGraw-Hill Inc., 1988, ISBN: 0070219672.

[2] LMV84x CMOS Input, RRIO, Low Power, Wide Supply Range, 4.5-MHz Operational Amplifiers. Texas Instruments, Datenblatt, Oktober 2017, www.ti.com/lit/ds/symlink/lmv844.pdf.

[3] OPAx376Low-Noise, Low Quiescent Current, Precision Operational Amplifier e-trim Series. Texas Instruments, Datenblatt, Dezember 2015, www.ti.com/lit/ds/symlink/opa376.pdf.

 

Der Autor

Tim Green

arbeitet als leitender Analog- Applikationsingenieur bei Texas Instruments im Entwicklungszentrum in Tucson. Er ist seit über acht Jahren bei Texas Instruments tätig, u.a. im strategischen Marketing und als Manager für Linear-Applikationen.

Seine Analyse und Forschung über die Ausgangsimpedanz und die Stabilität von Operationsverstärkern haben ihm unter seinen Kollegen den Spitznamen »Wizard of ZO« eingebracht.

Aktueller Schwerpunkt der Arbeit von Green ist die Optimierung von Operationsverstärkermakromodellen. Er verfügt über mehr als 31 Jahre Erfahrung in den Bereichen Regelung kollektorloser Gleichstrommotoren, Steuerung von Flugzugtriebwerken, Flugkörpersysteme, Raketensystemen, Leistungsoperationsverstärker, Datenerfassungssysteme, CCD-Kameras, Audio-Leistungsverstärker für Automobile und Analog/Mixed-Signal-Halbleiter.

asktexas@ti.com