um OTA com OrCad PSpice - udesc

Universidade do Estado de Santa Catarina
CCT – Centro de Ciências Tecnológicas
DEE – Departamento de Engenharia Elétrica
EAP – Eletrônica Aplicada
TUTORIAL
Modelamento e Simulação de
um OTA com OrCad PSpice
Autores:
Verônica Marin
André Ramos Marcinichen
Joinville – Santa Catarina
2014/02
SUMÁRIO
1.
INTRODUÇÃO .......................................................................................................... 3
2.
MACROMODELO DE UM OTA ................................................................................... 4
2.1.
2.2.
2.3.
3.
Criando a biblioteca “790.lib” ....................................................................................... 4
Criando o modelo ......................................................................................................... 6
Editando o símbolo para simulação .............................................................................. 7
SIMULAÇÃO DE UM OTA COM PSPICE .................................................................... 10
3.1. Configurações Iniciais ................................................................................................. 10
3.2. Curvas Caracteristicas do OTA .................................................................................... 11
3.2.1. Função de Transferência ............................................................................................... 11
3.2.2. Ganho ............................................................................................................................ 12
3.2.3. Ganho de Corrente ........................................................................................................ 13
3.3. Modo Comum ............................................................................................................ 14
1. INTRODUÇÃO
Este tutorial tem por objetivo modelar e simular um Amplificador de
Transcondutância, conhecido como OTA, cujo o circuito equivalente simplificado é
o seguinte:
Figura 1 -
Modelo Simplificado de um OTA
Sendo GM o ganho de transcondutância, programável mediante uma
corrente de polarização, que caracteriza este dispositivo.
Com o macromodelo obtido, iremos testar o seu funcionamento no PSpice e
extrairemos as características mais importantes que definem estes dispositivos.
Por ultimo testaremos o OTA em circuitos de aplicação, afim de comparar o seu
funcionamento com o real e entender para que aplicações este modelo é
adequado.
Os parâmetros reais serão obtidos das características do fabricante Intersil,
modelo CA3080. O software para realizar esse estudo será o OrCad – Pspice
16.3, podendo ser adaptado para outras versões do mesmo software.
2. MACROMODELO DE UM OTA
Figura 2 -
Macromodelo de um OTA
As fontes de corrente F1 e F2 são dependentes das correntes em V1 e V2
respectivamente (corrente de coletor em Q1 e Q2). As fontes de tensão V1 e V2
emulam a tensão CC que cai em cada carga ativa de um circuito real.
Os transistores Q1, Q2, Q3 e Q4 tem um β de 124 para que o OTA se aproxime
das características de um OTA real. Este valor foi obtido através da dedução das
características indicadas pelo fabricante: para uma corrente de polarização típica
de 500µA, a transcondutância do OTA real é de 9600µA/V e a resistência de
entrada é 26kΩ. Então calculamos da seguinte maneira:
𝑔𝑚 |𝑂𝑇𝐴 = 𝑔𝑚 | 𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠𝑖𝑠𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙 = 9600𝜇𝐴/𝑉
𝑅𝑖
26𝐾Ω 9600𝜇𝐴
∙ 𝑔𝑚 =
∙
= 124
2
2
𝑉
No PSpice um componente é definido como um subcircuito. Para isso, se
utiliza a diretiva .SUBCKT no inicio e .ENDS no final. Logo após o .SUBCKT deve
vir o nome do subcircuito.
𝛽 = 𝑟𝜋 ∙ 𝑔𝑚 =
Em código PSpice um subcircuito é chamado da seguinte maneira:
Xyyyyyyy N1 [N2 N3...] NOME
Sendo NOME o nome do subcircuito invocado e N1, N2, N3... os pinos do
subcircuito.
2.1. Criando a biblioteca “790.lib”
i.
Crie um arquivo de texto chamado “790.lib”
ii.
Copie e cole o seguinte código:
* Macromodelo do amplificador de transconductância 790
*
* Conexões:
entrada não invertida
*
| entrada invertida
*
| | alimentação positiva
*
| | | alimentação negativa
*
| | | | saída
*
| | | | | ganho
*
| | | | | |
.subckt 790
1 2 3 4 5 6
*
*Fonte de tensão para medir corrente e fixar uma tensão contínua:
V1 3 7 1.4V
V2 3 8 1.4V
*Transistores de entrada:
q1 7 1 9 qx
q2 8 2 9 qx
q3 9 6 4 qx
q4 6 6 4 qx
*Fontes de corrente dependentes:
F1 3 5 V2 1
F2 5 4 V1 1
*Modelo dos transistores:
.model qx NPN(Is=800.0E-18 Bf=124 Tr=5n Tf=10p)
*Is – corrente de saturação, Bf - beta, Tr – tempo de trânsito
*inverso, Tf – tempo de trânsito direto
.ends
*$
2.2. Criando o modelo
i.
Abra o PSpice Model Editor
Figura 3 -
Icone do PSpice Model Editor
ii.
Selecione o menu File e clique em Open e selecione o ”790.lib” que é
um documento de texto.
iii.
Selecione o menu File e clique em Save as e salve o “790”(que agora
realmente é um .lib) onde preferir, sugerimos usar o Library folder do
Pspice.
Figura 4 -
Localização da Pasta Library
iv.
Com primeira biblioteca do tipo .lib criada, agora será criada biblioteca
do tipo .olb
v.
Selecione o menu File e clique em Export Capture
vi.
Selecione browse do input
Figura 5 -
Input Browse
vii.
Escolha o arquivo “790” que é um arquivo do tipo library
viii. Selecione browse do export para o local onde vai ficar o arquivo
790.olb, preferencialmente no local indicado abaixo, mas invés da
pasta Pspice utilize a pasta CAPTURE.
2.3. Editando o símbolo para simulação
i.
Abra o OrCad Capture
Figura 6 -
Icone do OrCad Capture
ii.
Selecione o menu File, clique em Open, Library e por fim encontre o
“790.olb”
iii.
Dê dois cliques no nome do componente (790) e aparecerá um Part
Symbol quadrado padrão
Figura 7 -
iv.
Part Symbol Padrão
Prestando atenção a pinagem definida na biblioteca, ajuste o
desenho para o formato desejado.
Figura 8 -
Pinagem definida na biblioteca
Figura 9 -
v.
Selecione o menu Options e clique em Edit Properties
Figura 10 -
vi.
Modelo de um OTA
Configurações do New Part Properties
Clique em Attach Implementation e configure como a Figura 11.
Figura 11 - Configurações do Attach Implementation
vii.
Selecione o menu Options, clique em Part Properties
viii. Selecione PSpice Template, cujo valor é X^@REFDES %1 %2 %3
%4 %5 %6 @MODEL, onde:

X^@REFDES: Indica a invocação de subcircuito

%1 %2 %3 %4 %5 %6: Indica a pinagem do subcircuito

@MODEL: Indica o modelo invocado
Figura 12 -
ix.
Configurações do User Properties
Salve as alterações e feche a biblioteca.
3. SIMULAÇÃO DE UM OTA COM PSPICE
3.1. Configurações Iniciais
i.
Selecione o menu File e clique em New, Project
Figura 13 -
ii.
Configurações do Novo Projeto
Na tab Configuration FIles do Simulation Settings, incluir a biblioteca
790.lib como Add to Design ou Add as Global, caso a .lib não esteja
na pasta recomendada (Library).
Figura 14 -
Incluir a biblioteca no Simulation Settings
3.2. Curvas Caracteristicas do OTA
Monte o circuito:
Figura 15 -
Circuito para Simulação
10uA
5uA
0A
-5uA
-10uA
0s
1ms
2ms
3ms
4ms
5ms
6ms
7ms
-I(R1)
Time
Figura 16 -
3.2.1.
Saída do OTA
Função de Transferência
Figura 17 -
Configurações do DC Sweep.
8ms
9ms
10ms
500uA
400uA
200uA
-0uA
-200uA
-400uA
-500uA
-300mV
-I(R1)
-250mV
-200mV
-150mV
-100mV
-50mV
0mV
50mV
100mV
150mV
200mV
250mV
300mV
250mV
300mV
V_V6
Figura 18 -
3.2.2.
Curva da Função de Transferência
Ganho
10m
8m
6m
4m
2m
0
-300mV
-250mV
D(I(R1))
-200mV
-150mV
-100mV
-50mV
0V
50mV
100mV
V_V6
Figura 19 -
Ganho x Tensão de Entrada
150mV
200mV
3.2.4.
Ganho de Corrente
100m
10m
1.0m
100u
10u
1.0u
100nA
300nA
I(R1)/ V(U1:1)
1.0uA
3.0uA
10uA
30uA
I_I1
Figura 20 -
Figura 21 -
Transcondutância x Corrente de Polarização
Grafico fornecido pelo fabricante no datasheet
100uA
300uA
1.0mA
3.3. Modo Comum
Figura 22 -
Circuito Simulado
1.0uA
0.5uA
0A
-0.5uA
-1.0uA
-16V
-14V
-I(R1)
-12V
-10V
-8V
-6V
-4V
-2V
0V
2V
4V
6V
V_V9
Figura 23 -
Ganho em modo comum
8V
10V
12V
14V
16V