Как использовать модель операционного усилителя от производителя микросхемы в LTSpice: 10 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:51

Вступление

LTspice - это бесплатный программный инструмент для моделирования SPICE со схемой захвата, просмотрщиком сигналов и многими улучшениями, который работает как в Windows, так и в Mac OS X. Я использую его для исследования поведения схем и быстро экспериментирую с новыми схемами для своей лаборатории, прежде чем создавать прототип печатной платы (распечатано Печатная плата) дизайн. Кривая обучения легко преодолима благодаря поддержке Analog Devices, Yahoo LTspice Support Group и ее совместимости с наиболее распространенными моделями SPICE, поставляемыми поставщиками микросхем.

Это руководство продемонстрирует, как выйти за рамки библиотеки компонентов, поставляемой с LTspice, путем включения модели операционного усилителя LMV321 от трех разных поставщиков микросхем для создания простой схемы усилителя, как показано на рисунке. Каждая из этих моделей выделяет различные методы, доступные в LTspice для использования с широким спектром моделей компонентов, поставляемых с веб-сайтов различных поставщиков. Каждая из этих моделей также обладает различными характеристиками. Чтобы подчеркнуть эти проблемы с производительностью, я также повторно использую эти три модели в схеме преобразования тока в напряжение.

Целевая аудитория - это те, у кого есть некоторый опыт размещения компонентов на схеме и выполнения моделирования. К концу этого руководства вы узнаете, как интерпретировать команду. SUBCKT в моделях производителя для использования с редакторами таблицы выводов opamp2 и атрибутов LTspice для использования деталей производителя в ваших симуляциях.

Шаг 1. Загрузите модели SPICE, доступные для ОУ LMV321, от поставщиков микросхем и поместите в новый каталог

Модели SPICE производителя

Мы собираемся включить в это руководство три модели SPICE, основанные на операционном усилителе LMV321. Следуйте за мной, пока я намечаю шаги.

Создайте папку для ваших будущих схем, символов и моделей LTspice. Я буду называть этот каталог нашим рабочим каталогом в будущем.

Посетите эти веб-сайты поставщиков микросхем, чтобы извлечь модели SPICE для операционного усилителя LMV321:

• Веб-сайт TI (использует модель PSPICE National Semiconductor): LMV321
• Максимальные операционные усилители Макромодели: LMX321
• Макромодели STMicroelectronics: Макромодель операционного усилителя LMV3x

См. Три связанные диаграммы для конкретных файлов для загрузки на момент написания этого руководства. В будущем вам, возможно, придется искать названия моделей, если они были перемещены поставщиками микросхем на новые веб-страницы.

Для TI и STMicro вы должны скопировать модель из загруженных zip-файлов в свой рабочий каталог. Для модели Maxim вы должны щелкнуть правой кнопкой мыши файл LMX321. FAM на их веб-сайте и сохранить его в своем рабочем каталоге LTspice.

В конце этого шага в вашем рабочем каталоге должны появиться эти три файла модели Spice:

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

Каждый из этих файлов можно открыть в текстовом редакторе, чтобы увидеть общую структуру:

• документация вверху,
• . SUBCKT команда,
• команды spice для построения модели.

Шаг 2. Откройте стандартный 5-контактный символ LTspice Opamp2.asy

Opamp2.asy многоразовый

Из меню файла LTspice Откройте символ opamp2.asy в каталоге установки.

Для установки Windows по умолчанию это будет:

C -> LTC -> LTspiceXVII -> lib -> sym -> Операционные усилители -> opamp2.asy

Символу opamp2 не назначена модель операционного усилителя. Так что он не будет работать в симуляции. По этой причине это хороший начальный блок, так как он содержит рисунок и ссылки для нас, чтобы создать любой операционный усилитель, который использует пять общих контактов:

1. В +
2. В-
3. V +
4. V-
5. Из

Позаботьтесь о том, чтобы по ошибке не открыть один из этих похожих файлов символов:

• opamp.asy (аналог opamp2.asy, но без двух выводов питания)
• UniversalOpamp2.asy (полнофункциональный операционный усилитель общей модели)

Шаг 3. Убедитесь, что порядок выводов символа Opamp2.asy соответствует информации о подключении выводов LMV321. SUBCKT

Назначение таблицы контактов с помощью. SUBCKT

Откройте модель операционного усилителя LMV321, ранее сохраненную как LMV321. MOD в вашем рабочем каталоге, с помощью вашего любимого текстового редактора. Вверху мы можем найти оператор. SUBCKT.

. SUBCKT определяет многоразовый список соединений SPICE - аналог функции с ее именем и соответствующими параметрами на языках программного обеспечения. Синтаксис подсхемы для операционного усилителя, поставляемого производителем, выглядит следующим образом:

. SUBCKT

… операторы элемента…

. ENDS

Имя операционного усилителя - это внешняя ссылка на имя операционного усилителя, а 5 N - это список упорядоченных электрических соединений с операционным усилителем, как описано непосредственно над командой. SUBCKT. Электрические соединения могут быть в любом порядке, но наш символ opamp2 предполагает следующий порядок:

1. неинвертирующий вход (In +)
2. инвертирующий вход (In-)
3. положительный источник питания (V +, Vss)
4. отрицательный источник питания (V-, Vee)
5. выход (Out)

Откройте символ LMV321.asy в нашем рабочем каталоге в LTspice и просмотрите таблицу контактов, чтобы сопоставить имена подключений в. SUBCKT с именами подключений в нашем символе:

Просмотр -> Закрепить таблицу

Все электрические соединения уже находятся в правильном порядке для нашей таблицы выводов LTspice, от 1 до 5, например:

• неинвертирующий вход (In +) = 1
• инвертирующий вход (In-) = 2
• положительный источник питания (В +) = 3
• отрицательный источник питания (V-) = 4
• выход (Out) = 5

Таким образом, нам не нужно будет вносить какие-либо изменения в таблицу выводов символа.

Шаг 4. Создайте атрибуты для нового символа LMV321 и сохраните файл как LMV321.asy

Назначение атрибутов символа операционного усилителя

Последний шаг перед сохранением файла символа - присвоить символу имя с помощью редактора атрибутов. Мы будем использовать то же имя, что и в строке. SUBCKT:

LMV321.

Откройте редактор атрибутов из меню:

Правка -> Атрибуты -> Редактировать атрибуты

Сделайте следующие изменения:

• Измените значение на: LMV321 (используйте то же имя, что и в командной строке. SUBCKT)
• Изменить описание на: включить LMV321. MOD в схему (подробнее об этом позже)

Нажмите OK и сохраните opamp2.asy как LMV321.asy в своем рабочем каталоге.

Примечания:

• Оставьте X рядом с префиксом, чтобы указать, что символ будет отображаться в схеме,
• Оставьте Тип символа как Ячейка, чтобы файл модели интерпретировался правильно,
• Не сохраняйте измененный символ opamp2.asy обратно в библиотеку LTspice, иначе другие схемы, которые могут полагаться на этот файл, могут быть повреждены,
• Если вы допустили эту ошибку (как однажды сделал я), вы можете восстановить исходный файл opamp2.asy с помощью повторной синхронизации, используя команду: Инструменты -> Синхронизация выпуска.

Теперь в вашем рабочем каталоге должны быть следующие файлы:

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

Шаг 5: Создайте тестовую схему и смоделируйте производительность операционного усилителя LMV321

Тестирование модели операционного усилителя LMV321 в процессе моделирования

Откройте новую схему из LTspice: Файл -> Новая схема

Создадим испытательную схему ОУ на основе неинвертирующего усилителя с коэффициентом усиления 2:

Усиление = 1 + Rf / Rin

Добавьте наш недавно созданный компонент LMV321.asy из вашего рабочего каталога с помощью команды компонента меню ленты LTspice.

Подсказка: многие пользователи LTspice не знают, что им нужно сменить каталог символа на свой рабочий каталог. Чтобы управлять доступом к новым файлам, переключите пункт «Top Directory» на их рабочий каталог.

Подайте питание на операционный усилитель напряжением 5 В, используя компонент напряжения.

Проверьте операционный усилитель с помощью повторяющихся импульсов в диапазоне от 0,2 до 2,3 В на неинвертирующем входе, используя второй компонент напряжения.

Настройте переходный анализ с интервалом в 500 микросекунд с помощью команды директивы. Op SPICE ленточного меню LTspice.

Повысьте производительность моделирования с помощью следующих параметров с помощью команды. OP:

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

.options plotwinsize = 0

Где:

• Gmin (предотвращение плавания узлов путем определения небольшой проводимости между нелинейными устройствами)
• Абстол (ограничение допуска токов в любом месте цепи)
• plotwinsize (контроль компрессии, где 0 означает отсутствие компрессии)

Добавьте заголовок к нашей схеме с помощью меню ленты Текст:

Модель National Semiconductor LMV321: неинвертирующий усилитель

Сохраните схему в рабочем каталоге как test_LMV321.asc.

Запустите моделирование для модели National Semiconductor LMV321, загруженной с веб-сайта TI:

Щелкните значок Выполнить в меню ленты LTspice.

Измерьте V (выход) и V (In +), наведя курсор на соответствующие провода.

Обратите внимание, что усиление показано как 2, как мы и предсказывали выше.

Теперь в вашем рабочем каталоге должны быть следующие файлы:

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

Шаг 6. Создайте символ LMX321, начиная с символа LMV321

Создайте символ LMX321.asy с правильными атрибутами и порядком списка контактов / списка цепей

Перейдите в свой рабочий каталог и откройте модель LMX321. FAM в своем любимом текстовом редакторе, чтобы просмотреть информацию. SUBCKT (см. Диаграмму). Мы повторяем последние два шага для создания нового компонента операционного усилителя и тестовой схемы.

Откройте наш ранее созданный символ LMV321.asy из LTspice, расположенный в вашем рабочем каталоге:

Файл -> Открыть -> LMV321.asy

Примечание. Если вы не создали символ LMV321.asy ранее, вы можете вместо этого открыть символ opamp2.asy.

Используйте редактор атрибутов, чтобы изменить значение символа и описание (см. Диаграмму):

Правка -> Атрибуты -> Редактор атрибутов

• Значение: LMX321
• Описание: Включите LMX321. FAM в схему.

Нажмите ОК.

Используйте таблицу контактов, чтобы изменить порядок подключений, чтобы они соответствовали команде. SUBCKT (см. Диаграмму):

Просмотр -> Закрепить таблицу

Список соединений с 1 по 5 находится в другом порядке, чем список для нашего предыдущего операционного усилителя LMV321, поэтому нам придется изменить таблицу контактов для символа LMX321 следующим образом:

• В + = 1
• В- = 3
• V + (Vcc) = 5
• V- (Vee) = 2
• Вых = 4

Нажмите ОК.

Почему? В описании. SUBCKT внутри модели мы обнаруживаем, что In + присваивается «1», поэтому мы присваиваем In + к 1 в нашей таблице контактов. Но In- присвоено "3" в описании. SUBCKT, поэтому мы назначаем In- равным 3 в нашей таблице контактов. И так далее

Сохраните новый символ в своем рабочем каталоге как LMX321.asy.

Теперь в вашем рабочем каталоге должны быть следующие файлы:

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

Шаг 7. Повторное использование схемы испытаний и имитация производительности операционного усилителя LMX321

Тестирование модели операционного усилителя LMX321 в процессе моделирования

Откройте нашу предыдущую тестовую схему и измените ссылки на операционный усилитель на LMX321:

Файл -> Открыть -> test_LMV321.asc

Удалите ссылку на операционный усилитель LMV321 в нашей схеме.

Используйте параметр компонента в меню ленты LTspice, чтобы разместить операционный усилитель LMX321.asy.

Замените ссылку на модель, щелкнув правой кнопкой мыши команду. INC на схематическом чертеже:

. INC LMX321. FAM

Замените заголовок, чтобы отразить нашу новую цель схемы:

Модель Maxim LMX321: неинвертирующий усилитель

Все остальные элементы схемы останутся прежними.

Сохраните схему в рабочем каталоге как test_LMX321.asc.

Запустите симуляцию для модели операционного усилителя Maxim LMX321

Щелкните значок Выполнить в меню ленты LTspice.

Измерьте V (выход) и V (In +), наведя курсор на соответствующие провода.

Обратите внимание, что усиление показано как 2, как мы и предсказывали выше.

Теперь в вашем рабочем каталоге должны быть следующие файлы:

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

Шаг 8: Создайте символ LMV3x, начиная с символа LMV321

Создайте символ LMV3x.asy с правильными атрибутами и таблицей контактов

Перейдите в свой рабочий каталог и откройте модель LMV3x_macromodel.mod в своем любимом текстовом редакторе, чтобы просмотреть информацию. SUBCKT (см. Диаграмму).

Откройте наш ранее созданный символ LMV321.asy из LTspice, расположенный в вашем рабочем каталоге:

Файл -> Открыть -> LMV321.asy

Примечание. Если вы не создали символ LMV321.asy ранее, вы можете вместо этого открыть символ opamp2.asy.

Используйте редактор атрибутов, чтобы изменить значение символа и описание (см. Диаграмму):

Правка -> Атрибуты -> Редактор атрибутов

• Значение: LM3x
• Описание: Включите LMV3x_macromodel.mod в схему

Нажмите ОК.

Используйте таблицу контактов, чтобы изменить порядок подключений, чтобы они соответствовали команде. SUBCKT (см. Диаграмму):

Просмотр -> Закрепить таблицу

В списке подключений нет номеров, а параметры расположены в другом порядке, чем в списке для наших предыдущих двух операционных усилителей. SUBCKT. Нет необходимости вводить числовые значения в команде. SUBCKT, но нам придется изменить таблицу выводов для символа LM3x, чтобы она соответствовала нашему исходному порядку opamp2.asy следующим образом:

• В + = 2
• В- = 1
• V + (положительный источник питания) = 4
• V- (отрицательный источник питания) = 5
• Вых = 3

Нажмите ОК.

Почему? Описание 5 контактов. SUBCKT находится в определенном порядке. Мы берем первую запись за контакт 1, который является параметром инвертирующего входа (In-). Таким образом, мы помечаем вход In- с помощью таблицы контактов как номер 1. Второй вход будет контактом 2, который обозначен как неинвертирующий вход (In +). Таким образом, мы отмечаем запись In +, используя таблицу контактов, как номер 2. И так далее

Сохраните новый символ в своем рабочем каталоге как LMV3x.asy. Теперь в вашем рабочем каталоге должны быть следующие файлы:

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

Шаг 9: повторно используйте схему испытаний и моделируйте производительность операционного усилителя LMV3x

Полная модель операционного усилителя LMV3 и испытание в симуляции

Откройте нашу исходную тестовую схему и измените ссылки операционного усилителя на LMV3x:

Файл -> Открыть -> test_LMV321.asc

Удалите ссылку на операционный усилитель LMV321 в нашей схеме.

Используйте параметр компонента в меню ленты LTspice, чтобы разместить операционный усилитель LMV3x.asy.

Замените ссылку на модель, щелкнув правой кнопкой мыши команду. INC на схематическом чертеже:

. INC LMV3x_macromodel.mod

Замените заголовок, чтобы отразить нашу новую цель схемы:

Модель STMicroelectronics LM3x: неинвертирующий усилитель

Все остальные элементы схемы останутся прежними.

Сохраните измененную схему как test_LMV3x.asc в вашем рабочем каталоге.

Запустите симуляцию для модели операционного усилителя STMicroelectronics LMV3x

Щелкните значок Выполнить в меню ленты LTspice.

Измерьте V (выход) и V (In +), наведя курсор на соответствующие провода.

Обратите внимание, что усиление показано как 2, как мы и предсказывали выше.

Теперь в вашем рабочем каталоге должны быть следующие файлы:

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

Шаг 10: Сравните характеристики модели и заключительные замечания

Обзор имитационных моделей в цепи тока в напряжение

Моделирование операционного усилителя неинвертирующего усилителя, которое мы исследовали до сих пор, показывает согласованные результаты для каждой из трех моделей. А именно, усиление напряжения 2, как мы и предсказывали.

Я хотел бы предоставить вам еще одно схемотехническое моделирование с использованием каждой из трех моделей. "Плохо" спроектированный преобразователь тока в напряжение. На схеме показано прогнозируемое Vout = Iin * R1.

Для минимальной ошибки из-за тока смещения предлагаемое значение для R2 должно быть таким же, как R1. В моей схеме я намеренно использую гораздо более низкое значение R2, пытаясь выявить различия моделей за пределами обычных методов проектирования. Моделирование также должно помочь нам визуализировать ошибку плохого дизайна, предсказанную из-за дисперсии смещения, потому что R1 и R2 не совпадают.

В трех симуляциях Maxim LMX321 работает по-разному в том, что Vout кажется низким и нет изменений в смещении или звонке. В то время как две другие модели, STMicro LMV3x и National Semi LMV321, показывают ожидаемые результаты Vout, а также некоторые различия в отклонениях в смещении или поведении звонков.

В заключение

Я показал три различных метода, с которыми можно столкнуться при импорте моделей операционных усилителей производителя с использованием семейства LMV321 для LTspice. Мы рассмотрели модель National Semiconductor LMV321 с веб-сайта TI, модель STMicroelectronics LMV3x и модель MAXIM LMX321. Эти три метода должны помочь вам импортировать модели операционных усилителей для любой другой детали с помощью команды модели. SUBCKT вместе с редакторами атрибутов LTspices и таблицей выводов.

Я также показал, что некоторые модели работают лучше, чем другие, как показано на схеме преобразователя напряжения в ток. Тестирование двух или более моделей в ваших имитационных проектах может помочь вам получить более надежные результаты для ваших нужд.

Использованная литература:

Загрузка LTspice и документация

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

LTspice group - Yahoo Groups: много общих файлов, активная поддержка по вопросам

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

Краткий справочник SPICE v1.0, Standford EE133 - зима 2001: ссылка на. SUBCKT pp7-8

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

Сборник схем операционных усилителей: National Semiconductor Application Note 31, сентябрь 2002 г.: ссылка на неинвертирующие усилители и схемы операционных усилителей с преобразованием тока в напряжение.

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

Все файлы, относящиеся к этому руководству, доступны для загрузки в виде zip-файла ниже.

ltspice_lmv321_simulation_files.zip