Автоматизиране на дизайна на усилвателна схема

Полуекспертните техники за автоматизиране на проектирането на усилвателна верига привличат комбинация от специфични хардуерни изисквания и наложени ограничения. Инструментът за проектиране трябва да поддържа тези техники до нула на подходящия операционен усилвател (операционен усилвател) и външни компоненти. Фигура 1 показва два примера за основни схеми, които изискват този тип инструмент. Да, това са прости топологии - но трудността се крие в детайлите при избора на усилватели и външни компоненти, които да отговарят на критериите за ефективност на приложенията.

Фигура 1: WEBENCH® Amplifier Designer - проектиране на операционни усилвателни вериги.

Изисквания: Превключване от няколко към едно
Последното изискване е да се намери перфектният операционен усилвател за усилвателна верига. Когато избирате усилватели от TI (Texas Instruments), това предизвикателство изисква дизайнерът да сортира от приблизително 1300 операционни усилватели. Тези усилватели се предлагат с много вариации по отношение на електрическите характеристики и спецификации. Основните спецификации включват обхват на захранващото напрежение, честотна лента, граници на сканиране на входа/изхода и др. В пика на тези твърди ограничения повечето усилватели използват редица критерии като точност, шум, мощност, отклонение на температурата и/или цена на интегралната схема.
Започвайки от нулево ниво, първата задача е да се сортират усилвателите чрез основно съвпадение с окончателния дизайн. Като стъпка 1 дизайнерът идентифицира оперативните стойности на основната верига. Тези стойности могат да бъдат въведени с помощта на уеб-базиран инструмент за проектиране на усилвател, като WEBENCH® Amplifier Designer.
На страницата с изисквания на инструмента за проектиране на Amplifier Designer (Фигура 2) полетата, които трябва да се попълнят, са:

• Захранващи напрежения
• Входни и изходни сигнали от веригата
• Изходни условия на натоварване
• Изходна честотна лента за малки сигнали

Фигура 2: Страница с изисквания към инструмента за проектиране на усилвател за въвеждане на данни.

Фигура 3: Стилове на входното и изходното напрежение.

VCC = 12V VEE = 0V
VINMin = 5.5V VINMax = 6.5V
VOUTMin = 0.5V VOUTMax = 11.5V
IOUT източник/ток на изтичане = 1mA Ниска честотна лента на сигнала = 500kHz

Намиране на правилните операционни усилватели: дисплей

Следващият екран за проектиране е получен чрез щракване върху бутона Създаване на дизайн на усилвател.
По време на прехода от изгледа от фигура 2 към фигура 4, програмата определя стойностите на резисторите в целевата верига на операционния усилвател. Лесно е да се присвои стойност на общото съпротивление на реакцията (R2) от 1kΩ. По-добре е обаче да следвате общото ръководство за избор на стойности, съгласно таблицата по-долу.

Алгоритмите, които създават екрана на дисплея на усилвателя на фигура 4, генерират кратък списък с операционни усилватели.
Редът на изброените усилватели зависи от избраните параметри за оптимизация.
В горния ляв ъгъл на Фигура 4 има списък на критериите за проектиране на входа, а вдясно е областта за оптимизация. Тази област за оптимизация има три падащи менюта, със следните опции за задаване на приоритети на дизайна:

• Прецизност • Шум • Термичен дрейф • Захранване • Разходи

Фигура 4: Екран за изглед на инструмента за проектиране на усилвател.

Въпросът, на който трябва да се отговори за тези пет характеристики, е Кое е много важно, важно и по-малко важно?
Когато изборът е завършен, таблицата с решения на фигура 4 актуализира резултатите.
Освен това са възможни уточнения на критериите, като се използват менютата в горния десен ъгъл на Фигура 4. Изборите, налични в тази област, са:

• Група за капсулиране
• Брой канали
• Затварящ щифт

Изборът в този раздел се обяснява сам по себе си, въпреки че изборът намалява списъка с усилватели.
Когато опциите на менюто на оптимизатора се променят, като например, че Точността е избрана като Много важна, Важна на топлинния отклонение и Нисък ток на енергия, OPA140 се появява в горната част на списъка с таблици с решения.

Екран за синтез на дизайнерската програма
Следващата стъпка е да преминете към екрана за синтез на инструмента за усилвател. Например бутонът Open Design е избран за OPA140 от таблицата с решения на дисплея.

Фигура 5: Екран за синтез на инструмент за проектиране на усилвател.

В този момент беше избран усилвателят и веригата беше напълно дефинирана. Екранът за синтез на усилвателния инструмент (Фигура 5) позволява изследване на теоретичната осъществимост на проекта. Централната лента на фигура 5 показва разделите за избор за преглед на изчисления анализ на производителността, изчислените стойности на производителността и спецификацията.
Сегментът за анализ на производителността създава графики за вход/изход, както се вижда на Фигура 5.
Има менюта с селекции за преглед на графични отговори на променлив ток, синусоида и правоъгълна форма на вълната. Тези криви не са резултат от симулация; страницата представя изчислени теоретични графики. Желанието е да се направи бърз поглед върху поведението на веригата, преди да продължите напред. Разделът на изчислените стойности на производителността позволява визуализиране на характеристиките на веригата в седем категории:

Фигура 6: Екран за симулация на инструмент за проектиране на усилвател.

1. Критерии за проектиране
2. Стойности на работната честота
3. Изисквания към захранването
4. Грешка VOS/Ib (компенсационно напрежение/входен ток на отклонение)
5. Печелете VOUT спрямо толерантност към издръжливост
6. Температурна грешка
7. Общ изходен шум

В рамките на тези седем категории се определят стойностите на ефективността. Например стойностите на работната честота (категория 2) осигуряват честотна лента на усилвателя, скорост на растеж на усилвателя, широчина на честотната лента и обща честотна лента (FPBW).

Симулация в рамките на инструмента за проектиране на усилватели
За да отидете на екрана за симулация на TI SPICE, щракнете върху бутона Sim в горната част на екрана (не е показано на фигура 5).

Инструментът за проектиране на усилвател предава цялата схема на симулационния екран. Симулацията на усилвател на фигура 6 използва модели Texas Instruments PSPICE®, за да осигури шест опции за симулация:
1. Синусоида
2. Отговор на стъпка
3. Отговор в затворен цикъл
4. DC метачни машини
5. Тотален шум
6. Забавяне на група
С всички тези опции за симулация инструментът за проектиране осигурява правилните източници на сигнал. Има опции за промяна на размера, честотата и времето на тези източници.
Ако тази среда за симулация не е подходяща, възможно е веригата да се разреди в среда TINA-TI ™. WEBENCH® Amplifier Designer предлага тази опция за експортиране, като щракнете върху бутона Sim Export в горната част на екрана за симулация (не е показано на фигура 6).

Заключение
Инструментът за проектиране на усилвател WEBENCH автоматично изпълнява основни анализи и дейности по избор на продукти, които дизайнерите обикновено изпълняват при проектирането на вериги, но отвежда процеса още една стъпка напред. Той осигурява цялостна оценка на новата схема, опростявайки интегрирането на проекта на усилвателя в останалата част от системата.