仿真又不對(duì)？看看一流工程師怎么分析！

▼關(guān)注公眾號(hào)： 工程師看海▼

原文授權(quán)自知乎up：蔣宇辰

“仿真又錯(cuò)了，真實(shí)電路出來(lái)的結(jié)果完全不一樣。”

“別用仿真了，反正都仿不準(zhǔn)，不如直接搭個(gè)電路試試。”

“xxx仿真器根本不行，仿出來(lái)一堆錯(cuò)的。”

仿真不準(zhǔn)這個(gè)都市傳說(shuō)好像又雙叒叕靈驗(yàn)了，我在測(cè)試一個(gè)運(yùn)放性能的時(shí)候發(fā)現(xiàn)帶寬明顯不符合預(yù)期。

測(cè)試電路是這樣的

仿真結(jié)果是這樣的

實(shí)際測(cè)試結(jié)果是這樣的

仿真帶寬17MHz，實(shí)際電路帶寬3MHz，仿真你在逗我？反復(fù)檢查電路，確認(rèn)沒(méi)有焊接錯(cuò)誤，物料參數(shù)也是正確的，但是測(cè)再多遍都是這個(gè)結(jié)果。

又一篇吐槽仿真不準(zhǔn)的文章？當(dāng)然不是。遇到問(wèn)題先懷疑自己的實(shí)驗(yàn)是否合理，很多問(wèn)題藏在不起眼的細(xì)節(jié)里。

對(duì)于一個(gè)有一定經(jīng)驗(yàn)的老油條來(lái)說(shuō)，找到問(wèn)題也不是特別難，很快反應(yīng)過(guò)來(lái)哪里翻車了，修正錯(cuò)誤，再試一次。

Bingo！實(shí)際電路與仿真結(jié)果基本吻合。

問(wèn)題出在哪里？

這又是一個(gè)很基礎(chǔ)但容易被忽視問(wèn)題：SPICE的AC仿真，究竟仿的是大信號(hào)模型還是小信號(hào)模型？

（很多看《運(yùn)放秘籍》的同學(xué)也有相同的疑問(wèn)，在Multisim里都是一樣的，AC仿真時(shí)是小信號(hào)模型，因此信號(hào)源的幅值不會(huì)有影響）

可能有人覺(jué)得大信號(hào)小信號(hào)要看仿真設(shè)置，激勵(lì)源幅度大就是大信號(hào)，激勵(lì)源幅度小就是小信號(hào)。正不正確只需要簡(jiǎn)單驗(yàn)證一下就好，還是上面的電路，對(duì)激勵(lì)源的幅度進(jìn)行掃參（100m、200m、500m、1、2）看看結(jié)果。

5條曲線完全重合，仿真結(jié)果根本不受激勵(lì)源幅度的影響！

驚不驚喜，意不意外？其實(shí)認(rèn)真看過(guò)仿真器手冊(cè)就不會(huì)感到意外了。

LTspice手冊(cè)關(guān)于.AC仿真命令的標(biāo)題就是“.AC -- Perform an Small Signal AC Analysis Linearized About the DC Operating Point”。AC仿真仿的是小信號(hào)模型。

事實(shí)上在AC仿真中，激勵(lì)源的幅度大小沒(méi)有任何意義，這只是一個(gè)用于計(jì)算的數(shù)字，不代表任何物理量，只要你愿意從1E-9取到1E9都可以。AC仿真可以理解成在靜態(tài)工作點(diǎn)處把電路抽象成系統(tǒng)模型，模型一定傳遞函數(shù)自然就定了，傳遞函數(shù)當(dāng)然不會(huì)受激勵(lì)信號(hào)幅度的影響。

我們習(xí)慣上把激勵(lì)源幅度設(shè)置為1，是為了方便顯示結(jié)果，只要把輸出顯示出來(lái)就等效于電路增益了，不需要再進(jìn)行Vout/Vin的換算。

如果想在仿真中仿大信號(hào)模型，那就不能用AC仿真了，得用TRAN仿真。

“.TRAN -- Perform a Nonlinear Transient Analysis”

TRAN仿真應(yīng)該是最接近于電路實(shí)際行為的仿真，不過(guò)仿真結(jié)果是時(shí)域波形，數(shù)據(jù)分析起來(lái)有點(diǎn)麻煩。

同樣的電路，改成TRAN仿真，用.MEAS命令算一下2MHz下各種激勵(lì)幅度對(duì)應(yīng)的電路增益。

得到的結(jié)果如下，可以看到激勵(lì)信號(hào)500mV時(shí)，電路增益開始明顯降低，輸出波形也開始畸變。

Measurement: res3
step res1/res2
1 2.00587
2 2.00584
3 1.90498
4 1.02201
5 0.510008

回到測(cè)試電路，這次我翻車就翻在了激勵(lì)的幅度上，想著仿真時(shí)都是1，那實(shí)測(cè)時(shí)也用1Vpp，再看看手冊(cè)，F(xiàn)PBW（Full Power Bandwidth）試條件是Vo=1Vpp，而我的電路中輸入1Vpp，輸出都2Vpp了，當(dāng)然應(yīng)該用SR（Slew Rate）這個(gè)大信號(hào)模型去考慮，而不是GBW這個(gè)小信號(hào)模型。

嘗試著改變激勵(lì)幅度多測(cè)幾次頻響，得到了如下的結(jié)果。

所以是仿真錯(cuò)了么？是我錯(cuò)了。

原文授權(quán)自知乎up：蔣宇辰

*以下是贈(zèng)送內(nèi)容

細(xì)心的讀者可能發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題：手冊(cè)上當(dāng)Vo=1Vpp時(shí)FPBW是1.6MHz，怎么我在Vo=1Vpp下測(cè)的頻響接近5MHz？

這涉及到大信號(hào)模型的定義問(wèn)題，這個(gè)FPBW其實(shí)可以用SR推導(dǎo)出來(lái)。

我們知道正弦信號(hào)可以用函數(shù)表示：

其中A是幅值，f為頻率

它的一階導(dǎo)數(shù)可以用來(lái)表示信號(hào)的變化率：

在定義域內(nèi)有極大值2πfA

因?yàn)镾R就是放大器電壓變化率的極限，令

帶入A=1V，可以得到

而波特圖儀則是通過(guò)掃掃頻，用輸出信號(hào)與輸入信號(hào)幅值的比，測(cè)出的頻響曲線。

當(dāng)輸出信號(hào)超過(guò)放大器SR極限時(shí)，輸出信號(hào)已經(jīng)明顯失真，也就是說(shuō)系統(tǒng)不再是線性系統(tǒng)了，而非線性系統(tǒng)的頻率響應(yīng)是沒(méi)有意義的。所以我用這種手段測(cè)的大信號(hào)帶寬與手冊(cè)不符也是很正常的。

最后再來(lái)驗(yàn)證一下SR參數(shù)，1.783V/170ns=10.488V/us，與手冊(cè)給出的10V/us吻合。

原文授權(quán)自知乎up：蔣宇辰

https://zhuanlan.zhihu.com/p/184742858?share_code=ghuiIT2WrNxL&utm_psn=1899437984148850610

更多運(yùn)放學(xué)習(xí)資料，盡在《運(yùn)放秘籍》四部曲

如果看到這里，請(qǐng)點(diǎn)贊、收藏、分享三連！?

限時(shí)免費(fèi)掃碼進(jìn)群，交流更多行業(yè)技術(shù)