“PSpice仿真——從入門(mén)到精通”系列課程共4大主題，21篇圖文教程，結(jié)合實(shí)際電路講解最新的SPB 17.4版本PSpice的各種仿真功能以及高級(jí)分析方法、介紹仿真模型的建立與使用，并展示PSpice與其他熱門(mén)主流工具MATLAB/Simulink的協(xié)同工作。

集成運(yùn)算放大器是最重要的模擬集成電路器件，由于它具有高增益、高輸入電阻和低輸出電阻的特性，被廣泛應(yīng)用于模擬信號(hào)的處理和產(chǎn)生電路中。集成運(yùn)算放大器品種繁多，內(nèi)部電路也不盡相同，用戶自建模型更加困難。

本期介紹幾種通用的建模方法，提到的Capture均指 OrCAD Capture 軟件。

本期看點(diǎn)：

運(yùn)算放大器的物理模型

基于運(yùn)算放大器模板創(chuàng)建模型

根據(jù)官網(wǎng)下載創(chuàng)建模型

1運(yùn)算放大器的物理模型

集成運(yùn)算放大器是個(gè)高增益直接耦合放大電路，由輸入級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)和偏置電路4部分組成。輸入級(jí)一般采用差分放大電路，對(duì)共模信號(hào)具有很強(qiáng)的抑制能力;中間級(jí)主要提供高電壓增益的放大級(jí)，由一級(jí)或多級(jí)放大電路組成;輸出級(jí)通常采用功率放大器，已滿足負(fù)載的需求;偏置電路為各級(jí)提供合適的偏置電流，保持工作點(diǎn)穩(wěn)定。

圖20-1所示的電路是我們?cè)诖髮W(xué)教材中學(xué)習(xí)過(guò)的常用通用三極管運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路：

圖20.1 通用三極管運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路

根據(jù)上一期構(gòu)建場(chǎng)效應(yīng)管子電路建模的步驟，在原理圖繪制工具 OrCAD Capture中繪制電路圖，得到如圖20.2的電路，圖中三極管均選自BREAKOUT庫(kù)，可以根據(jù)實(shí)際對(duì)三極管的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

圖20.2 Capture中繪制的運(yùn)放物理模型

點(diǎn)擊Tool/Create Netlist，利用軟件自動(dòng)生成網(wǎng)表。如圖20.3所示：

圖20.3 生成電路圖的網(wǎng)絡(luò)表

網(wǎng)表設(shè)置完成后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成網(wǎng)表文件，后綴名為.lib。在工程目錄下找到lib文件，雙擊后，系統(tǒng)調(diào)用PSpice Model Editor工具，如圖20.4所示：

圖20.4 使用PSpice Model Editor工具打開(kāi)模型文件

將此model 加入元件庫(kù)中：執(zhí)行File→Export to capture Part library，獲得.olb文件。

圖20.5 創(chuàng)建olb文件

使用File→Model Import Wizard[Capture]，得到圖20.6(a)，為該模型選擇合適的外形。

點(diǎn)擊下一步，在圖20.6(b)中可以直接點(diǎn)擊“完成”，采用系統(tǒng)默認(rèn)的外觀，后面在原理圖中進(jìn)行修改，也可以點(diǎn)擊“Replace Symbol”，從元件庫(kù)中找到可以兼容的外觀直接應(yīng)用。

因?yàn)槭沁\(yùn)算放大器，所以可以使用PSpice中原有的OPAMP.olb庫(kù)中的外形，如圖20.6(c)，選用其中一個(gè)的外形。點(diǎn)擊下一步，根據(jù)圖20.2的管腳安排，選擇對(duì)應(yīng)的管腳。

圖20.6 為新建的運(yùn)放選擇合適的外觀

圖20.6(d)點(diǎn)擊保存后，模型就構(gòu)建完成。

在新建的工程原理圖中調(diào)入建好的模型，電路如圖20.7(a)所示，注意必須將庫(kù)文件加載到項(xiàng)目中,方法和前幾期一致，在Capture窗口下執(zhí)行Simulation Settings→Configuration Files→Library→Browse，將前面建好的.lib文件添加進(jìn)工程。仿真得到圖20.7(b)的時(shí)域波形，放大5倍，與設(shè)計(jì)值一致。圖20.7(c)是仿真頻域響應(yīng)，隨著頻率增高增益降低，符合運(yùn)放的低通特性。

圖20.7 測(cè)試電路和仿真結(jié)果

2用模型編輯器創(chuàng)建運(yùn)算放大器模型

PSpice Model Editor工具提供了采用描點(diǎn)輸入特性曲線的方式建模，也提供了基于模板的方式建模。在前面兩期詳細(xì)介紹了基于特性曲線的建模，這一期重點(diǎn)談?wù)劵谀０宓慕７椒ā?/p>

01創(chuàng)建基于模板的運(yùn)算放大器模型

基于模板的運(yùn)算放大器模型是唯一使用模型編輯器創(chuàng)建多層支持的模型。多級(jí)支持意味著模型中使用的仿真參數(shù)的數(shù)量隨模型級(jí)別而變化。級(jí)別越高，仿真參數(shù)的數(shù)量就越多。具有更多仿真參數(shù)的模型更接近于現(xiàn)實(shí)生活中的設(shè)備。因此，使用高級(jí)模型時(shí)，仿真結(jié)果更準(zhǔn)確。但是使用較低級(jí)別的仿真模型，可以最大量地縮短仿真時(shí)間。

本節(jié)以創(chuàng)建一個(gè)基于模板的多級(jí)運(yùn)算放大器為例，分步驟陳述建模過(guò)程：

1啟動(dòng)PSpice Model Editor軟件

2執(zhí)行菜單File→new，以創(chuàng)建新的庫(kù)

3執(zhí)行菜單Model→new,得到如圖20.8所示的對(duì)話框

圖20.8 新建基于模板模型的對(duì)話框

4新模型設(shè)置

在圖20.8中，輸入新模型的名稱，這里輸入了“OPA_LOCAL”， 選擇" Use Templates "選項(xiàng)。在指定器件類型的下拉列表中選擇"Operational Amplifier"，并指定要?jiǎng)?chuàng)建的運(yùn)算放大器類型。在本例中，選擇創(chuàng)建由NPN管輸入的具有內(nèi)部補(bǔ)償?shù)碾p極性運(yùn)算放大器。

5單擊“確定”后，得到圖20.9所示的模型列表和參數(shù)值的窗口

圖20.9 模型編輯界面

在模型列表中顯示了三個(gè)級(jí)別模型，這里顯示的是：

OPA_LOCAL_1

OPA_LOCAL_2

OPA_LOCAL_3

這種多級(jí)模型用于高級(jí)分析，模型編輯器為每個(gè)級(jí)別創(chuàng)建一個(gè)模型：

OPA_LOCAL_3模型包含OPA_LOCAL_2模型中可用的所有仿真參數(shù)以及一些額外的仿真參數(shù)

OPA_LOCAL_2模型除了OPA_LOCAL_1模型中列出的參數(shù)外，還包含一些其他仿真參數(shù)

由于這三個(gè)模型的包含關(guān)系，OPA_LOCAL_2和OPA_LOCAL_1的改變會(huì)反映到OPA_LOCAL_3中，因而使用時(shí)要注意到這一點(diǎn)。

選擇OPA_LOCAL_3模型，并編輯表20.1中列出的仿真參數(shù)值。對(duì)于表中未列出的其他模擬參數(shù)，按默認(rèn)值。

表20.1 待修改的仿真參數(shù)列表

6根據(jù)運(yùn)算放大器的數(shù)據(jù)手冊(cè)數(shù)據(jù)對(duì)表20.1的參數(shù)值進(jìn)行修改

在修改默認(rèn)參數(shù)值時(shí)，將參數(shù)表的最后一列“Editable”的復(fù)選框選中，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)對(duì)勾，然后在參數(shù)表的“Value”那一列中進(jìn)行修改。對(duì)于參數(shù)表中的“Postol”和“Negtol”是用于輸入該參數(shù)的正負(fù)容差的，可以直接輸入數(shù)值，并在“Distribution”中設(shè)置分布規(guī)律。

基于模板設(shè)計(jì)的運(yùn)算放大器是有三級(jí)模型，模型3參數(shù)的任何更改都會(huì)反映在模型1和模型2中，所以需要謹(jǐn)慎修改。

7文件生成

修改完成后點(diǎn)擊保存，在文件目錄下會(huì)生成兩個(gè)文件：*.lib和*.PRP文件，前者是包含模型信息的庫(kù)文件，后者是文本文件，包含器件全部說(shuō)明信息和器件的屬性，可以用文本編輯器打開(kāi)。

對(duì)于高級(jí)分析，需要進(jìn)入Smoke頁(yè)面設(shè)置Smoke參數(shù)。

8創(chuàng)建包含全部模型級(jí)別的器件

保存庫(kù)文件后，執(zhí)行File→Export to Capture Part Library，創(chuàng)建包含全部模型級(jí)別的器件。同樣應(yīng)用于反比例運(yùn)算電路中如圖20.10所示，模型級(jí)別可以通過(guò)雙擊設(shè)置參數(shù)level修改數(shù)值來(lái)選擇，可以輸入1、2或3。

圖20.10 新建的模型應(yīng)用于電路中

對(duì)于同一類型的器件，模型參數(shù)的變化會(huì)帶來(lái)器件性能的不同。在基于模板建模時(shí)，在參數(shù)設(shè)置窗口的“Editable”選項(xiàng)被激活的模型參數(shù)，如圖20.11所示，VOS、IB、IBOS、GBW都被選中，這四個(gè)參數(shù)在Capture的繪圖界面中都可以編輯。

圖20.11 模型編輯時(shí)被激活的參數(shù)

在Capture的繪圖區(qū)，選中剛剛創(chuàng)建運(yùn)算放大器器件，執(zhí)行鼠標(biāo)右鍵命令I(lǐng)mport model parameter，彈出圖20.12所示的參數(shù)選擇窗口，將需要修改的參數(shù)顯示到頁(yè)面中，同時(shí)自動(dòng)導(dǎo)入到屬性編輯器內(nèi)，就可以方便的進(jìn)行編輯了。

圖20.12 插入模型參數(shù)

圖20.13 添加可編輯參數(shù)的器件

02基于器件特性曲線創(chuàng)建運(yùn)算放大器

Model Editor工具構(gòu)建運(yùn)算放大器模型，可以采用基于模板的方式，也可采用描點(diǎn)輸入特性曲線的方式建模。

運(yùn)算放大器的模型需要輸入四個(gè)曲線數(shù)據(jù)：

1大信號(hào)擺幅數(shù)據(jù)

圖20.14 大信號(hào)擺幅數(shù)據(jù)輸入窗口

2輸入開(kāi)環(huán)增益數(shù)據(jù)

圖20.15 輸入開(kāi)環(huán)增益數(shù)據(jù)輸入界面

3開(kāi)環(huán)增益相位數(shù)據(jù)

圖20.16 開(kāi)環(huán)增益相位數(shù)據(jù)輸入界面

4最大輸出擺幅數(shù)據(jù)

圖20.17 最大輸出擺幅數(shù)據(jù)輸入界面

具體步驟和方法可以參看前面兩期教程。

3根據(jù)官網(wǎng)下載的模型文件建模

幾乎所有的大型IC廠家都會(huì)在自己的網(wǎng)站上提供自家IC的Spice或PSpice模型，供使用者下載做設(shè)計(jì)參考。下面以德州儀器(TI)的精密運(yùn)算放大器OPA2132為例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明這種建模方法。

01下載OPA2132的PSpice模型文件

從TI的網(wǎng)站上下載OPA2132的PSpice模型文件：OPA2132.mod。用記事本打開(kāi)，得到如圖20.18所示，文件中.SUBCKT 表示該庫(kù)文件是通過(guò)子電路建模。由于PSpice識(shí)別的庫(kù)文件后綴名是.lib，所以直接將后綴名修改為lib，得到OPA2132.lib文件。

圖20.18官網(wǎng)下載得到的庫(kù)文件

02設(shè)置文件

使用PSpice Model Editor軟件打開(kāi)修改好的.lib文件，執(zhí)行File→Export to Capture Part library，設(shè)置完畢后點(diǎn)擊OK。

圖20.19 輸出olb文件

03設(shè)置外觀

繼續(xù)執(zhí)行File→Model Import Wizard[Capture]，按照第一節(jié)中的圖20.5的步驟，為該模型選擇合適的外形。圖20.20是設(shè)置外觀的最后一步，點(diǎn)擊“完成”，即可保存符號(hào)，建模就完成了。

圖20.20 為新建模型選擇合適的符號(hào)

最后，就可以直接應(yīng)用于電路。這里根據(jù)OPA2132數(shù)據(jù)文件提供的應(yīng)用電路搭建一個(gè)二階低通濾波器，如圖20.21所示：

圖20.21 OPA2132的測(cè)試電路

在設(shè)置仿真參數(shù)的界面中，注意將新建的OPA2132.lib文件加載到工程中。如圖20.22所示：

圖20.22 將庫(kù)文件加載到工程中

運(yùn)行仿真，得到跟數(shù)據(jù)手冊(cè)中描述的一致的幅頻特性和相頻特性，表明新模型構(gòu)建成功。

圖20.23 頻率響應(yīng)的仿真結(jié)果

寫(xiě)在建模篇的最后：

器件建模是電路仿真過(guò)程中最艱難的步驟之一，它不僅要求對(duì)器件的物理及電特性有深入了解，還要求擁有豐富的特定電路的應(yīng)用知識(shí)。

遇到?jīng)]有現(xiàn)成模型的器件，首先到PSpice官網(wǎng)搜索：

https://www.pspice.com/optoelectronics/optocouplers?page=3，

其次到器件原廠搜索，最后才是下載數(shù)據(jù)手冊(cè)，考慮自己創(chuàng)建模型。

為了獲得電路建模的最佳結(jié)果，遵從“使用盡可能簡(jiǎn)單的模型”。另外還有幾點(diǎn)：

不要使模型比實(shí)際需要的更復(fù)雜，哪怕一點(diǎn)也不行，過(guò)度復(fù)雜的模型只會(huì)使它運(yùn)行的更慢，出錯(cuò)的可能性更大

建模是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，需要循序漸進(jìn)，不斷通過(guò)驗(yàn)證進(jìn)行完善，即使現(xiàn)成的模型，也是可以進(jìn)行修改和完善的

不要害怕將電路分開(kāi)成各部分單獨(dú)測(cè)試，需要時(shí)可以獨(dú)立運(yùn)行和跟蹤調(diào)試子電路

對(duì)功率器件使用ABM建模時(shí)要小心，它可能在一個(gè)工作點(diǎn)上運(yùn)行正確，但其他工作點(diǎn)可能產(chǎn)生不精確的結(jié)果

最后，最重要的是要知道自己在做什么。共勉!

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原文標(biāo)題：【PSpice 21周仿真培訓(xùn)(實(shí)例下載)】第20周：運(yùn)算放大器模型的建立

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審核編輯：湯梓紅