本文主要進行光電二極管和AD8045運放模型建立、應(yīng)用電路測試和高級優(yōu)化仿真分析——讓線性電路設(shè)計更輕松、更完美！
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第1步：AD8045模型建立與測試——PS：AD8045 model test
根據(jù)運放AD8045數(shù)據(jù)手冊中頻率特性曲線建立其數(shù)學(xué)傳遞函數(shù)模型，通過極點與增益進行具體設(shè)置，第三極點fp3用于產(chǎn)生Q值，使得增益與相位突變，具體測試電路、仿真設(shè)置、波形數(shù)據(jù)分別如下圖所示。
圖1 AD8045模型與頻率特性測試電路
圖2 交流仿真設(shè)置
（a） 數(shù)據(jù)手冊中的頻率特性曲線
（b） 仿真模型的頻率特性曲線
圖3 AD8045頻率特性曲線對比——模型與數(shù)據(jù)手冊基本一致
第2步：光電二極管模型建立與應(yīng)用電路測試——PS：APP Test
光電二極管模型建立：利用交流電流源+并聯(lián)電阻+寄生電容+偏置電壓進行光電二極管模型等效，具體電路如下圖所示。
圖4 光電二極管模型
應(yīng)用電路測試、仿真設(shè)置、波形數(shù)據(jù)分別如下圖所示，
圖5 參考電路
圖6 仿真電路
圖7 瞬態(tài)仿真設(shè)置：最小步長非常重要
圖8 輸入電流波形：最大2mA、最小1.4mA
TP1誤差小于2mV、輸入信號頻率為1megHz時TP2與TP3完全一致
圖9 測試點電壓波形
輸出電壓最大值2.35V、最小值1.65V；互阻值為2.35/2m=1175歐姆；
輸入電流2mA對應(yīng)2.35V、輸入電壓1.4mA對應(yīng)1.65V；
圖10 輸出電壓波形與數(shù)據(jù)
圖11 Iin直流參數(shù)Iv仿真設(shè)置
Iv=1mA時輸出電壓VOUT=1.1757V、Iv=2mA時輸出電壓VOUT=2.3513V；
光電流線性增加時輸出電壓同時線性增大
圖12 直流仿真結(jié)果
圖13 交流仿真設(shè)置
輸出電壓頻率特性曲線與數(shù)據(jù)——-3dB帶寬約176megHz
圖14 交流仿真結(jié)果
第3步：電路改進——PS：APP BW200meg
改進說明：第1級互阻放大器的環(huán)路增益為1，帶寬固定；中間級濾波電路對帶寬有影響；第2級額外增益級的增益帶寬積固定，對帶寬有影響；將第2級增益提高到第1級，即將R1的阻值變?yōu)樵瓉碜柚档脑鲆姹叮恢虚g級R2阻值降低以提高截止頻率；第2級的增益設(shè)置為1，即跟隨輸出，以提高驅(qū)動能力；具體電路和仿真結(jié)果分別如下圖所示。
圖15 測試電路：Freq=1meg
輸出電壓頻率特性曲線與數(shù)據(jù)——-3dB帶寬約257megHz——滿足200meg要求
圖16 改進之后的交流仿真結(jié)果
圖17瞬態(tài)仿真設(shè)置：50ns、最小步長20ps——根據(jù)輸出信號進行具體設(shè)置
圖18 傅立葉設(shè)置
圖19 輸入電流與輸出電壓波形
FOURIER COMPONENTS OF TRANSIENT RESPONSE V(VOUT)
DC COMPONENT = 2.000420E+00
HARMONIC FREQUENCY FOURIER NORMALIZED PHASE NORMALIZED
NO (HZ) COMPONENT COMPONENT (DEG) PHASE (DEG)
1 2.000E+08 3.727E-01 1.000E+00 1.727E+02 0.000E+00
2 4.000E+08 1.540E-06 4.132E-06 -6.839E+00 -3.522E+02
3 6.000E+08 1.085E-06 2.912E-06 1.557E+01 -5.025E+02
4 8.000E+08 6.845E-07 1.836E-06 4.893E+00 -6.858E+02
5 1.000E+09 9.957E-07 2.671E-06 -1.455E+01 -8.780E+02
6 1.200E+09 5.095E-07 1.367E-06 7.529E+00 -1.029E+03
7 1.400E+09 5.280E-07 1.416E-06 4.884E+00 -1.204E+03
8 1.600E+09 4.108E-07 1.102E-06 7.898E+00 -1.374E+03
9 1.800E+09 3.354E-07 8.999E-07 2.853E+01 -1.526E+03
TOTAL HARMONIC DISTORTION = 6.477689E-04 PERCENT
輸入信號頻率為200meg時總諧波失真優(yōu)于千分之一，只是輸入與輸出相移很大，約為172度！
第4步：利用高級仿真分析進行帶寬優(yōu)化設(shè)計——PS：Optimizer for BW
利用高級分析進行帶寬優(yōu)化設(shè)計，截止頻率測量函數(shù)為Cutoff_Lowpass_3dB(V(VOUT))；具體測試電路、仿真設(shè)置、波形數(shù)據(jù)分別如下圖所示。
圖20 優(yōu)化分析測試電路：電阻和電容的容差均為5%
圖21 輸出電壓DB(V(VOUT))頻率特性曲線與-3dB帶寬——與測試電路性能一致
R2、C2對帶寬影響最嚴重，其次為C1，然后為R3、R4，二者對帶寬影響效果相同；
R1對帶寬影響最弱；
圖22 靈敏度分析結(jié)果
優(yōu)化分析：第1級和第2級聯(lián)合控制輸出電壓范圍，但是根據(jù)增益帶寬積原理，將第2級增益設(shè)置為1以提高其帶寬，此時第1級互阻將增加1.951倍；R2和C2對帶寬影響最嚴重，所以對其進行優(yōu)化即可實現(xiàn)200megHz帶寬要求，此時等效測試電路如下圖所示。
圖23 優(yōu)化仿真分析電路
實現(xiàn)200megHz帶寬時的R2=105.2、C2=4.898pF
圖24 優(yōu)化設(shè)置與仿真結(jié)果
圖25 利用優(yōu)化參數(shù)時的帶寬測試電路
圖26 輸出電壓DB(V(VOUT))頻率特性曲線與-3dB帶寬——優(yōu)于205megHz、滿足要求
蒙特卡洛分析：電阻和電容的容差均為5%時測試-3dB帶寬分布；具體仿真設(shè)置、波形數(shù)據(jù)分別如下圖所示。
圖27 蒙特卡洛仿真設(shè)置：運行次數(shù)50、分成10組
圖28 蒙特卡洛分布：最小帶寬195.6megHz、最大帶寬216.4megHz、平均值205megHz
本文總結(jié)：如果所設(shè)計電路為線性電路，可利用高級仿真分析進行優(yōu)化設(shè)計，以實現(xiàn)技術(shù)指標要求；將元器件模型建立好、關(guān)鍵點分析透徹、具體參數(shù)范圍規(guī)定清楚，高級優(yōu)化仿真可以幫我們把電路分析和設(shè)計地更加完美！
元器件建模參考書籍：《PSpice元器件模型建立及應(yīng)用》
PSpice仿真功能參考書籍：《基于OrCAD Capture和PSpice的模擬電路設(shè)計與仿真 第2版》