Let’s learn Signal Chain
セッション 5 : オペアンプ性能のシミュレーション(前半)
R14
R15
Ver.-2
Ratio-metric Biasing Circuit
R13
A6
REF
C5
R7
C2
Buffer
R8
R3
R4
R11
A1
C4
R1
R9
RG
REF VS+
IN+
A4
R12
R10
INGND
A3
R2
R11
R6
C3
Scaling
R5
ADC
A2
Front-End
Instrumentation Amp
R12
Bridge
Sensor
C1
A5
Buffer
1
1
セッション・インデックス(前半)
S5.1 入力部:DC性能のシミュレーション
(1)入力バイアス電流IB・オフセット電流IOS
(2)入力オフセット電圧VOS
S5.2 入力部:AC性能のシミュレーション
(1)同相モード・ゲイン対周波数
(2)CMR(同相モード除去)対周波数を見る
S5.3 ゲイン段:AC性能のシミュレーション
(1)反転アンプの周波数特性
(2)反転アンプのゲイン 対 周波数特性
(3)反転アンプの位相 対 周波数
(4)波形で見る位相シフト
(5)反転アンプのゲイン 対 位相特性
(6)開ループ・ゲインを見る
2
2
S5.1 入力部:DC性能のシミュレーション
(1)入力バイアス電流IB・オフセット電流IOS
(2)入力オフセット電圧VOS
S5.2 入力部:AC性能のシミュレーション
(1)同相モード・ゲイン対周波数
(2)CMR(同相モード除去)対周波数を見る
S5.3 ゲイン段:AC性能のシミュレーション
(1)反転アンプの周波数特性
(2)反転アンプのゲイン 対 周波数特性
(3)反転アンプの位相 対 周波数
(4)波形で見る位相シフト
(5)反転アンプのゲイン 対 位相特性
(6)開ループ・ゲインを見る
3
3
入力部DC性能のシミュレーション:評価回路
下図の回路を作成してください.
オペアンプは,“Semiconductors”タブにある
オペアンプ選択ボックスのものを使用します.
ゲイン 101倍
入力オフセット電圧 0V
入力バイアス電流
4
記事:“Input_DC_Sim”でセーブ
4
入力バイアス電流IB・オフセット電流IOS:解析開始
① “DC Analysis”メニューから
“Table of DC Results”を選択
② 表が出現する
③ “Other Voltage”のチェックをはずす.
④ 必要に応じて数値を“txt”ファイルで吐き出す.
5
5
入力バイアス電流 IB の影響:解析結果
入力オフセット電圧0Vにおける出力誤差
入力バイアス電流による誤差 RTO
ゲイン 101倍
Excelで加工した表
Nodes
Values
I_IBM
100nA
I_IBP
90nA
VOUT
9.9949mV
VP_1
-50.0123nV
VP_2
15V
VP_3
-15V
VP_4
0V
VP_5
-50.0123nV
VP_6
0V
VP_7
9.9949mV
VP_8
0V
VP_9
0V
記事:RTO(Refer to Output)=出力換算
6
6
入力バイアス電流 IB :軽減抵抗の効果
入力バイアス電流の影響を軽減した結果
ゲイン 101倍
R3 を 0 から 990 に変更
R3 990Ω追加による効果 RTO
残りの誤差成分は入力オフセット電流
Nodes
Values
I_IBM
99.9999nA
I_IBP
90nA
VOUT
1.0004mV
VP_1
-89.105uV
VP_2
15V
VP_3
-15V
VP_4
0V
VP_5
-89.105uV
VP_6
-89.1uV
VP_7
1.0004mV
VP_8
-89.1uV
VP_9
-89.1uV
IB_P-IB_M=-10nA
入力オフセット電流
7
7
入力バイアス電流 IB :ゲイン設定抵抗の変更
入力バイアス電流の影響と周辺抵抗の値は比例関係
R1,R2,R3 を1桁下げた効果 RTO
抵抗値を1桁下げる.
• R1=100
• R2=10k
• R3=99
ゲイン 101倍
Nodes
Values
I_IBM
100nA
I_IBP
90nA
VOUT
100.039uV
VP_1
-8.9105uV
VP_2
15V
VP_3
-15V
VP_4
0V
VP_5
-8.9105uV
VP_6
-8.91uV
VP_7
100.039uV
VP_8
-8.91uV
VP_9
-8.91uV
8
8
入力オフセット電圧VOS:VOS=10mVを与える
高ゲイン回路では入力オフセット電圧が最も大きな誤差要因
VOSがわずか10mVでも論外の値となる
オフセット電圧を加える.
VOSを 0 から 10m に変更
ゲイン 101倍
Nodes
Values
I_IBM
100.0075nA
I_IBP
90.0025nA
VOUT
1.0096V
VP_1
9.986mV
VP_2
15V
VP_3
-15V
VP_4
0V
VP_5
9.986mV
VP_6
9.9911mV
VP_7
1.0096V
VP_8
-8.9103uV
VP_9
-8.9103uV
9
9
入力オフセット電圧VOS:定義に従いVOSを求める
① “DC Analysis”→“DC Transfer Characteristics”
③ 解析結果Window
② VG1の設定
“a”カーソル・ボタンを押してここを
ドラッグするとカーソルが動く.
数値表示Window
y≒0のカーソル位置で
x=-10mVがオフセット
X軸の解析データ数.微妙な解析は1000に設定(カーソル移動が滑らかになる).10
10
S5.1 入力部:DC性能のシミュレーション
(1)入力バイアス電流IB・オフセット電流IOS
(2)入力オフセット電圧VOS
S5.2 入力部:AC性能のシミュレーション
(1)同相モード・ゲイン対周波数
(2)CMR(同相モード除去)対周波数を見る
S5.3 ゲイン段:AC性能のシミュレーション
(1)反転アンプの周波数特性
(2)反転アンプのゲイン 対 周波数特性
(3)反転アンプの位相 対 周波数
(4)波形で見る位相シフト
(5)反転アンプのゲイン 対 位相特性
(6)開ループ・ゲインを見る
11
11
同相モード・ゲイン 対 周波数: 評価回路
“Def_Amp_M”を開き,下図のように改造してください.
オペアンプをOPA177Eに変更.
記事:“Def_Amp_CMRR”でセーブ
12
12
同相モード・ゲイン 対 周波数: AC解析結果
① “Analysis”→“AC Analysis”→“AC Transfer Characteristic…”を実行.
② 表示範囲の設定 10~1MHz
50Hzと100kHzの差
同相モードゲインが 65.5dB 上がる.
13
13
同相モード・ゲイン対周波数,波高値の差
50Hzと100kHz波高値の差を波形で見る(同一目盛りを使用).
50Hz時の入力対出力波形
100kHz時の入力対出力波形
14
14
CMR(同相モード除去)対 周波数を見る:評価回路
回路に電圧モニタ・ピン(VCM)を追加.
これにより,CMRのカーブを表示させる設定が楽になる
15
15
CMR(同相モード除去)対 周波数を見る:カーブ追加の操作(1)
CMRカーブの表示は既存データ間の演算処理で行う
① “Analysis”→“AC Analysis”→“AC Transfer Characteristic…”を再実行.
VCM
② “Add Curve”ボタンを押して下図の
“Post processing”を表示させる
同相モード・ゲイン
③ “Outputs”
以外のチェック
を外す.
16
16
CMR(同相モード除去)対 周波数を見る:カーブ追加の操作(2)
③ “More”ボタンを
押して下半分を出す.
④ 変数を選択し
“▽”ボタンで
“Line Edit”枠へ
移動.
⑤ 演算記号
“ / ”を選ぶ
⑥ 式 VCM(s) / VOUT(s) を作成
⑦ “My Function”
をカーブ名“CMR”に
リネーム
17
⑧ “Create”
または“Preview”
ボタンを押す
17
CMR(同相モード除去)対 周波数を見る:カーブ追加の操作(3)
出現したグラフ.
⑨ CMRのカーブを残し他のカーブを削除.
⑩ 最後に目盛りを整えて終了.
CMRのカーブ
VCMのカーブ
同相モードゲインのカーブ
18
18
CMR(同相モード除去)対 周波数を見る:追加されたCMRカーブ
VCMが50Hzと100kHz
におけるCMRの比較
CMR対周波数
131.3dB が 65.8dB と
65.5dB 下がっている
19
19
S5.1 入力部:DC性能のシミュレーション
(1)入力バイアス電流IB・オフセット電流IOS
(2)入力オフセット電圧VOS
S5.2 入力部:AC性能のシミュレーション
(1)同相モード・ゲイン対周波数
(2)CMR(同相モード除去)対周波数を見る
S5.3 ゲイン段:AC性能のシミュレーション
(1)反転アンプの周波数特性
(2)反転アンプのゲイン 対 周波数特性
(3)反転アンプの位相 対 周波数
(4)波形で見る位相シフト
(5)反転アンプのゲイン 対 位相特性
(6)開ループ・ゲインを見る
20
20
反転アンプの周波数特性:評価回路
“Inv_Amp.TSC”を開き,
下図のように改造してください.
OPA277のボード線図
負荷条件をデータ・シートに合わせる.
定数を100と100kに変更
G=1000倍
記事:“Inv_Amp_AOL_ACL”でセーブ21
21
反転アンプの周波数特性:表示内容の設定
AC伝達特性の解析を行う方法と,開始時の条件設定.
① “Analysis”メニューから
“AC Transfer Characteristic…”を選択
② グラフ Window の表示範囲を設定
• スタート: 100 mHz
• ストップ: 10 MHz
• ポイント数: 100 (データの数)
④ 表示内容として“Amplitude”を選択
22
③ 信号掃引は
“Logarithmic”
を選択
22
反転アンプのゲイン 対 周波数特性:解析結果
閉ループ・ゲインの読み取り
カーソル“a”により,閉ループ・ゲイン 60dB における帯域幅 1.12kHz at -3dB を読み取る.
23
23
反転アンプの位相 対 周波数:解析結果
① “Analysis”メニューから “AC Transfer Characteristic…”を再実行
180
カーソル“a”と“b”により,
1.12kHz at -3dB における
位相シフト量 45.2°を読み取る.
記事:反転アンプなので位相シフトは180°からスタート.
24
④ “Phase”を選択
24
波形で見る位相シフト:信号設定
波形の振幅と周波数の設定
① VG1 を左Wクッリクし,設定ダイアログを開く.
② “Signal” 行の “waveform” をクリック.
③ 現れた“waveform” 右横 “・・・” をクリック.
④ 2番目に開くダイアログ
からサイン波形ボタンを押し
• 信号振幅: 1mV
• 周波数: 1Hz に設定.
25
25
波形でみる位相シフト:表示範囲の設定
過渡解析の開始とグラフ Window の表示範囲の設定
④ 開いたダイアログからグラフ Window の
表示範囲を設定.
•スタート: 1 (s)
•ストップ: 2 (s)
③ “Analysis”メニューから
“Transient”を選択.
26
26
波形で見る位相シフト:波形の調整
Y軸(電圧)のレンジを調整し上下非対称の波形を整える.
現れた解析結果のグラフ
⑤ Y軸を左Wクリック
⑥ 開いたダイアログの“Scale”で調整.
• “Lower limit”: -2 (V)
• “Upper limit”: 2 (V)
27
27
波形で見る位相シフト:Y軸の追加
Y軸を追加し信号波形が見えるようにする.
⑦ 開いたメニューから
“Add new Y Axis”を選択.
信号波形(緑)が現れる
⑥ 信号のグラフを右クリック.
28
28
波形で見る位相シフト:1Hzにおける位相差
1Hzにおける位相差を読み取る.
⑧ 信号の y 軸を±2mV に調整し
波高値を合わせる.
⑨ カーソル“a”を出力波形の最小値に,
“b”を信号波形の最大値に合わせる
時間差0秒で両者の最大・最小値が
交わり,時間遅れのない位相差 -180°
(反転)が確認できる.
記事:出力振幅の誤差10mVは波形の上下非対称(歪)によるもの.
29
29
波形で見る位相シフト:サイン波の瞬時値と位相
サイン波とは単位円を等速で回転するベクトルVが描く軌跡.
P
1/2π
+Em
Q
E(2):Sin90°
Et(1):Sin45°
V
θ
π
E(t)
0(2π)
0V
0
1
2
3
4
5
6
7
8 9 10
φ=
Q
× 2π(rad)
P
t
-Em
1・1/2π
瞬時電圧
E(t ) = Em × sin(θ + φ )
= Em × sin(2πft + φ )
位相差
30
30
波形で見る位相シフト:1.12kHzにおける位相差
1.12kHzにおける位相差を読み取る.
Q=0.106ms
時間差 0.106ms
振幅変化の
換算位相差は…
dB換算は…
下式から Φ=42.7° 下式から -3.1dB
(正しくは45°)
P=0.893ms
φ=
A 
Q
× 2π(rad) ΔA = 20Log 2  (dB)
P
 A1 
A1=989.5mV at 1Hz
A2=690mV at 1.12kHz
31
31
反転アンプのゲイン 対 位相特性,評価回路
パラメトリック解析によりゲイン対位相特性を見る.
R2の値を変えてゲインを1倍~1000倍に振る
R1を1kに変更
1k =0dB (1倍)
10k =20dB(10倍)
100k=40dB(100倍)
1M =60dB(1000倍)
32
32
反転アンプのゲイン 対 位相特性,評価回路
抵抗定数をステップで変える操作.
① “Analysis”メニューから
“Select Control Object”を選ぶか,
またはショート・カット・ボタンを押す.
② ターゲットを選んで左クリック
記事:部品定数の他,温度などにも適用可.
33
33
反転アンプのゲイン対 位 相特性:定数リストの作成
③ ターゲット(R2)のパラメータ設定ボタンを押す.
④ “List”方式を選び“Set List”ボタンを押す
3→4
参考:“Add New”ボタンでリストの行数を増やせる.
“Number of Cases”の数は自動的に行数と一致.
⑤ 設定値リストの作成
34
34
反転アンプのゲイン 対 位相特性:表示内容の設定
⑥ 値の右横に“*”が付いているか確認
⑦ “Amplitude
& Pha”を選択
35
35
反転アンプのゲイン 対 位相特性:解析結果
ゲインに比例して,位相シフトが増大.
出現したグラフ Window
G=1,-3dBにおける
周波数 対 位相シフト量
周波数帯域幅(-3dBまで)に関し
G=60dB(1000倍)では 1.12kHz
G=0dB(1倍)では,707kHz
… と格段に広がる.
36
36
開ループ・ゲインを見る:閉ループ・ゲイン対周波数を再解析
下記条件で再解析を行う.
① グラフ Window の表示範囲を設定
• スタート: 10 mHz
• ストップ: 10 MHz
• ポイント数: 1000 (データ数)
• “Diagram”:“Amplitude”
37
37
開ループ・ゲインを見る:“Add Curves”の式を設定
開ループ・ゲインは SJ と VOUT の振幅の比から求まる.
② “Add curves”ボタンを
押してノード番号を表示させる.
③ “Add curves”により開いたダイアログから
“More”ボタンを押し,ノード番号を参照しながら
式を設定する → VOUT[4] (s) / VP_5[4] (s)
SJ
VOUT
VOUT[4] (s) / VP_5[4] (s)
④ “Preview”ボタンを押す
記事:VOUT[4]とVP_5[4]は
ACL=60dBにおけるノード振幅
38
38
開ループ・ゲインを見る:追加された開ループ・ゲインのカーブ
開ループ・ゲインは閉ループ・ゲインを変えても一定.
出現したグラフ Window
• 開ループ・ゲインは負荷が一定であれば,
閉ループ・ゲインを変えても変わらない.
• これを確認するため,ゲイン20dBでの
開ループ・ゲインをAOL_20dBとして
追加してください.
39
39
ダウンロード

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