Automatizácia návrhu zosilňovacieho obvodu; Elektronika - dnes
Poloodborné techniky automatizácie návrhu zosilňovacieho obvodu oslovujú kombináciu špecifických hardvérových požiadaviek a uložených obmedzení. Návrhový nástroj musí podporovať tieto techniky na nule na príslušnom operačnom zosilňovači (operačný zosilňovač) a externých komponentoch. Obrázok 1 zobrazuje dva príklady základných obvodov, ktoré tento typ náradia vyžadujú. Áno, ide o jednoduché topológie - ťažkosti však spočívajú v detailoch výberu zosilňovačov a externých komponentov tak, aby vyhovovali výkonnostným kritériám aplikácií.
Postava 1: WEBENCH® Amplifier Designer - návrh obvodov operačných zosilňovačov.
Požiadavky: Prepínanie z niekoľkých na jedno
Poslednou požiadavkou je nájsť perfektný operačný zosilňovač pre obvod zosilňovača. Pri výbere zosilňovačov od spoločnosti TI (Texas Instruments) vyžaduje táto výzva od projektanta zoradenie od približne 1300 operačných zosilňovačov. Tieto zosilňovače majú veľa variácií, pokiaľ ide o elektrický výkon a technické parametre. Medzi kľúčové špecifikácie patrí rozsah napájacieho napätia, šírka pásma, limity skenovania vstupu/výstupu a ďalšie. Na vrchole týchto tvrdých obmedzení väčšina zosilňovačov používa množstvo kritérií, ako napríklad presnosť, šum, výkon, teplotný drift alebo náklady na integrovaný obvod.
Počnúc nulovou úrovňou je prvou úlohou triediť zosilňovače základným prispôsobením konečnému návrhu. V kroku 1 návrhár identifikuje prevádzkové hodnoty základného obvodu. Tieto hodnoty je možné zadávať pomocou webového nástroja na návrh zosilňovača, ako je napríklad WEBENCH® Amplifier Designer.
Na stránke s požiadavkami návrhového nástroja Návrhár zosilňovača (obrázok 2) je potrebné vyplniť tieto polia:
• Napájacie napätia
• Vstupné a výstupné signály z obvodu
• Podmienky výstupného zaťaženia
• Výstupná šírka pásma pre malé signály
Obrázok 2: Stránka s požiadavkami na návrhový nástroj zosilňovača pre zadávanie údajov.
Obrázok 3: Štýly vstupného napätia a výstupného napätia.
VCC = 12V VEE = 0V
VINMin = 5,5 V VINMax = 6,5 V
VOUTMin = 0,5 V VOUTMax = 11,5 V
IOUT prúdový zdroj/únik = 1mA Nízka šírka pásma signálu = 500kHz
Nájdenie správnych operačných zosilňovačov: obrazovka
Ďalšia návrhová obrazovka sa získala kliknutím na tlačidlo Vytvoriť návrh zosilňovača.
Počas prechodu z pohľadu na obrázok 2 do obrázku 4 program určuje hodnoty odporov v cieľovom obvode operačného zosilňovača. Je ľahké priradiť hodnotu generického reakčného odporu (R2) 1 kΩ. Podľa tabuľky je však lepšie postupovať podľa všeobecného sprievodcu výberom hodnôt.
Poradie uvedených zosilňovačov závisí od zvolených optimalizačných parametrov.
Vľavo hore na obrázku 4 je zoznam vstupných kritérií návrhu a v hornej časti oblasť optimalizácie. Táto oblasť optimalizácie má tri rozbaľovacie ponuky s nasledujúcimi možnosťami nastavenia priorít návrhu:
• Presnosť • Hluk • Tepelný drift • Zdroj • Náklady
Obrázok 4: Obrazovka zobrazenia návrhového nástroja zosilňovača.
Otázka, ktorú je potrebné zodpovedať pri týchto piatich charakteristikách, je Čo je veľmi dôležité, dôležité a menej dôležité?
Po dokončení volieb aktualizuje tabuľka riešení na obrázku 4 výsledky.
Ďalej je možné spresniť kritériá pomocou ponúk v pravom hornom rohu obrázka 4. Možnosti dostupné v tejto oblasti sú:
• Zapuzdrovacia skupina
• Počet kanálov
• Zatvárací špendlík
Výber v tejto časti je zrejmý, aj keď výber zúži zoznam zosilňovačov.
Keď sa zmenia možnosti ponuky optimalizátora, napríklad že je vybratá možnosť Precision ako Very Important, Thermal Drift Important a Low Power Current, OPA140 sa zobrazí v hornej časti zoznamu tabuľky riešení.
Syntetická obrazovka návrhového programu
Ďalším krokom je prepnutie na obrazovku syntézy nástroja Amplifier Design. Napríklad tlačidlo Open Design bolo vybrané pre OPA140 z tabuľky riešení na obrazovke.
Obrázok 5: Obrazovka syntézy návrhového nástroja zosilňovača.
V tomto okamihu bol vybraný zosilňovač a obvod bol úplne definovaný. Obrazovka syntézy nástroja zosilňovača (obrázok 5) umožňuje preskúmať teoretickú uskutočniteľnosť projektu. Stredová lišta na obrázku 5 zobrazuje karty výberu pre prezeranie Vypočítaná analýza výkonu, Vypočítané hodnoty výkonu a Kusovník.
Segment analýzy výkonnosti produkuje grafy vstupu/výstupu, ako je vidieť na obrázku 5.
K dispozícii sú ponuky s výberom zobrazenia grafických odpovedí na striedavý prúd, sínusového priebehu a obdĺžnikového priebehu. Tieto krivky nie sú výsledkom simulácie; stránka predstavuje vypočítané teoretické grafy. Túžbou je poskytnúť rýchly prehľad o správaní sa obvodu predtým, ako sa posuniete ďalej. Záložka vypočítaných hodnôt výkonu umožňuje vizualizáciu charakteristík obvodu v siedmich kategóriách:
Obrázok 6: Obrazovka simulácie návrhového nástroja zosilňovača.
1. Konštrukčné kritériá
2. Hodnoty prevádzkovej frekvencie
3. Požiadavky na napájanie
4. Chyba VOS/Ib (kompenzačné napätie/vstupný predpätý prúd)
5. Získajte toleranciu VOUT verzus vytrvalosť
6. Chyba teploty
7. Celkový výstupný šum
V rámci týchto siedmich kategórií sa určujú hodnoty výkonu. Napríklad hodnoty prevádzkovej frekvencie (kategória 2) poskytujú šírku pásma zosilňovača, rýchlosť rastu zosilňovača, šírku pásma uzavretej slučky a celkovú šírku pásma výkonu (FPBW).
Simulácia v rámci návrhového nástroja pre zosilňovače
Ak chcete prejsť na obrazovku simulácie TI SPICE, kliknite na tlačidlo Sim v hornej časti obrazovky (nezobrazené na obrázku 5).
Dizajnový nástroj Zosilňovač návrhárov prenáša na simulačnej obrazovke celý obvod. Simulácia zosilňovača na obrázku 6 využíva modely Texas Instruments PSPICE® na poskytnutie šiestich možností simulácie:
1. Sínusoida
2. Kroková odpoveď
3. Odpoveď v uzavretej slučke
4. Zametače DC
5. Celkový hluk
6. Skupinové oneskorenie
So všetkými týmito možnosťami simulácie poskytuje návrhový nástroj správne zdroje signálu. K dispozícii sú možnosti zmeny veľkosti, frekvencie a načasovania týchto zdrojov.
Ak toto simulačné prostredie nie je vhodné, je možné obvod vybiť v prostredí TINA-TI ™. WEBENCH® Amplifier Designer ponúka túto možnosť exportu kliknutím na tlačidlo Sim Export v hornej časti obrazovky simulácie (nezobrazené na obrázku 6).
Záver
Dizajnový nástroj WEBENCH Amplifier Designer automaticky vykonáva základné činnosti spojené s analýzou a výberom produktu, ktoré by dizajnéri bežne vykonávali pri návrhu obvodov -, ale posúva proces o krok ďalej. Poskytuje komplexné vyhodnotenie nového obvodu a zjednodušuje integráciu projektu zosilňovača do zvyšku systému.