SPICE-Schaltung zum Auffinden von AOL und Rauschverstärkung des Transimpedanzverstärkers

Diese Technik wird häufig in Simulatoren verwendet. Im Allgemeinen läuft jede Art von Simulation in Spice ungefähr so ​​ab:

1. Lesen Sie die Netzliste und bauen Sie die Schaltung auf.
2. Bestimmen Sie den Betriebspunkt .
3. Führen Sie simulationsspezifische Berechnungen (z. B. Kleinsignalanalyse) mit den in Schritt 2 gefundenen Parametern durch.
4. Zerstöre den Stromkreis.

In Schritt 2 geht Spice davon aus, dass die Schaltung quasistatisch ist . Das bedeutet im Grunde, dass es versuchen wird, eine Lösung für die Schaltung zu finden, die für eine Ewigkeit weitergehen kann, ohne dass sich mit der Zeit etwas ändert.

Dies wird DC genannt . Bei DC heißt das:

• Kondensatoren verhalten sich wie ein offener Stromkreis , denn in Ruhe: $$i_C = C\frac{dv_C}{dt} = 0$$ Oder anders ausgedrückt: Durch den Kondensator kann kein Strom fließen, weil er sonst nicht in Ruhe wäre.
• Induktivitäten verhalten sich wie ein geschlossener Stromkreis , denn in Ruhe: $$v_L = L\frac{di_L}{dt} = 0$$ Oder anders ausgedrückt: Über der Induktivität kann keine Spannung anliegen, weil sie sonst nicht in Ruhe wäre.

Während Schritt 3 kommen typischerweise zeit-/frequenzabhängige Effekte ins Spiel. Wir können dann wählen$L$Und$C$so dass sie sich wie folgt völlig anders verhalten:

• Kondensatoren können dazu gebracht werden, sich wie ein Kurzschluss zu verhalten , wenn: $$v_C = \frac{1}{C}\int_{-\infty}^t i_Cdu \xrightarrow{C\to\infty} 0$$ Oder anders ausgedrückt: Wenn die Kapazität größer gemacht wird, kann die Spannungsänderung über dem Kondensator kleiner gemacht werden, wodurch sich der Kondensator eher wie ein Kurzschluss verhält.
• Induktivitäten können dazu gebracht werden, sich wie ein offener Stromkreis zu verhalten , wenn: $$i_L = \frac{1}{L}\int_{-\infty}^t v_Ldu \xrightarrow{L\to\infty} 0$$ Oder in Worten ausgedrückt: Wenn die Induktivität größer gemacht wird, kann der Strom durch die Induktivität kleiner gemacht werden, wodurch sich die Induktivität eher wie ein offener Stromkreis verhält.

Beachten Sie, dass dies alles ganz ordentlich in der Fourier-Domäne zusammengefasst werden kann:

$$\begin{align} Z_C &= \frac{1}{j2\pi f C} \\ Z_C &\xrightarrow{C\to\infty} 0\\ Z_C &\xrightarrow{f\to 0} \infty \end{align}$$

Und für Induktivitäten

$$\begin{align} Z_L &= j2\pi f L\\ Z_L &\xrightarrow{L\to\infty} \infty\\ Z_L &\xrightarrow{f\to 0} 0 \end{align}$$

Simulatoren können nicht mit unendlichen Werten arbeiten, daher wählen wir stattdessen einen sehr großen Wert, sodass er das Verhalten des Rests der Schaltung nicht beeinflusst.

Kann mir jemand erklären, warum ich die Quelle VG1 so wie im Bild gezeigt platziert habe und warum nicht auf der nicht invertierenden Eingangsseite.

Wenn der Verstärker eine perfekte Gleichtaktunterdrückung hat, kann das Ergebnis identisch gemacht werden, wenn Sie die Quelle am Pluspol platzieren (Sie müssen auch Ihren Messpunkt ändern). Dies ist jedoch im Allgemeinen nicht der Fall, daher ist es sicherer, das Signal in die Rückkopplungsschleife einzuspeisen, was näher an der Interpretation der OL-Verstärkung liegt.

Kann mir jemand erklären, warum ich die Quelle VG1 so wie im Bild gezeigt platziert habe und warum nicht auf der nicht invertierenden Eingangsseite.

Der Autor hat beschlossen, die Rückkopplungsschleife am Ausgang des Verstärkers zu unterbrechen. Sie könnten die Schleife hypothetisch überall unterbrechen, aber an einem Ausgang mit niedriger Impedanz oder an einem Eingang mit hoher Impedanz ist die einfachste Wahl. AC-Quelle$V_{G1}$ist der AC-Teststimulus zur Untersuchung der Loop-Dynamik.

Und das Buch schreibt auch: „Beachten Sie, dass die 1-TH-Induktivität verwendet wird, um die Rückkopplungsschleife aus einer AC-Perspektive zu unterbrechen, aber eine DC-Verbindung zu ermöglichen. Der 1-TF-Kondensator ermöglicht die Signalquelle VG1 für eine AC-Kopplung in die Schleife an extrem niedrige Frequenzen." Kann jemand genauere Angaben zu diesen beiden Linien machen?

Wenn Sie die Impedanz dieser beiden Schaltungselemente berechnen, sehen Sie, dass die Rückkopplungsschleife bei Gleichstrom geschlossen und bei jeder praktischen Wechselstromfrequenz (z. B. 1 MilliHz und höher) geöffnet ist.

Ein AC-Sweep in Spice ist die lineare Kleinsignalantwort um einen DC-Arbeitspunkt. Wenn Sie Ihrer Schaltung keinen stabilen DC-Arbeitspunkt erlauben, haben die AC-Simulationsergebnisse wenig Aussagekraft.