“PSpice仿真——從入門到精通”系列課程共4大主題，21篇圖文教程，結合實際電路講解最新的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與其他熱門主流工具MATLAB/Simulink的協同工作。

集成運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，被廣泛應用于模擬信號的處理和產生電路中。集成運算放大器品種繁多，內部電路也不盡相同，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：

運算放大器的物理模型

基于運算放大器模板創建模型

根據官網下載創建模型

1運算放大器的物理模型

集成運算放大器是個高增益直接耦合放大電路，由輸入級、中間級、輸出級和偏置電路4部分組成。輸入級一般采用差分放大電路，對共模信號具有很強的抑制能力;中間級主要提供高電壓增益的放大級，由一級或多級放大電路組成;輸出級通常采用功率放大器，已滿足負載的需求;偏置電路為各級提供合適的偏置電流，保持工作點穩定。

圖20-1所示的電路是我們在大學教材中學習過的常用通用三極管運算放大器的內部電路：

圖20.1 通用三極管運算放大器的內部電路

根據上一期構建場效應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，可以根據實際對三極管的關鍵參數進行設置。

圖20.2 Capture中繪制的運放物理模型

點擊Tool/Create Netlist，利用軟件自動生成網表。如圖20.3所示：

圖20.3 生成電路圖的網絡表

網表設置完成后，系統會自動生成網表文件，后綴名為.lib。在工程目錄下找到lib文件，雙擊后，系統調用PSpice Model Editor工具，如圖20.4所示：

圖20.4 使用PSpice Model Editor工具打開模型文件

將此model 加入元件庫中：執行File→Export to capture Part library，獲得.olb文件。

圖20.5 創建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。

點擊下一步，在圖20.6(b)中可以直接點擊“完成”，采用系統默認的外觀，后面在原理圖中進行修改，也可以點擊“Replace Symbol”，從元件庫中找到可以兼容的外觀直接應用。

因為是運算放大器，所以可以使用PSpice中原有的OPAMP.olb庫中的外形，如圖20.6(c)，選用其中一個的外形。點擊下一步，根據圖20.2的管腳安排，選擇對應的管腳。

圖20.6 為新建的運放選擇合適的外觀

圖20.6(d)點擊保存后，模型就構建完成。

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

圖20.7 測試電路和仿真結果

2用模型編輯器創建運算放大器模型

PSpice Model Editor工具提供了采用描點輸入特性曲線的方式建模，也提供了基于模板的方式建模。在前面兩期詳細介紹了基于特性曲線的建模，這一期重點談談基于模板的建模方法。

01創建基于模板的運算放大器模型

基于模板的運算放大器模型是唯一使用模型編輯器創建多層支持的模型。多級支持意味著模型中使用的仿真參數的數量隨模型級別而變化。級別越高，仿真參數的數量就越多。具有更多仿真參數的模型更接近于現實生活中的設備。因此，使用高級模型時，仿真結果更準確。但是使用較低級別的仿真模型，可以最大量地縮短仿真時間。

本節以創建一個基于模板的多級運算放大器為例，分步驟陳述建模過程：

1啟動PSpice Model Editor軟件

2執行菜單File→new，以創建新的庫

3執行菜單Model→new,得到如圖20.8所示的對話框

圖20.8 新建基于模板模型的對話框

4新模型設置

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。在指定器件類型的下拉列表中選擇"Operational Amplifier"，并指定要創建的運算放大器類型。在本例中，選擇創建由NPN管輸入的具有內部補償的雙極性運算放大器。

5單擊“確定”后，得到圖20.9所示的模型列表和參數值的窗口

圖20.9 模型編輯界面

在模型列表中顯示了三個級別模型，這里顯示的是：

OPA_LOCAL_1

OPA_LOCAL_2

OPA_LOCAL_3

這種多級模型用于高級分析，模型編輯器為每個級別創建一個模型：

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

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

由于這三個模型的包含關系，OPA_LOCAL_2和OPA_LOCAL_1的改變會反映到OPA_LOCAL_3中，因而使用時要注意到這一點。

選擇OPA_LOCAL_3模型，并編輯表20.1中列出的仿真參數值。對于表中未列出的其他模擬參數，按默認值。

表20.1 待修改的仿真參數列表

6根據運算放大器的數據手冊數據對表20.1的參數值進行修改

在修改默認參數值時，將參數表的最后一列“Editable”的復選框選中，會出現一個對勾，然后在參數表的“Value”那一列中進行修改。對于參數表中的“Postol”和“Negtol”是用于輸入該參數的正負容差的，可以直接輸入數值，并在“Distribution”中設置分布規律。

基于模板設計的運算放大器是有三級模型，模型3參數的任何更改都會反映在模型1和模型2中，所以需要謹慎修改。

7文件生成

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

對于高級分析，需要進入Smoke頁面設置Smoke參數。

8創建包含全部模型級別的器件

保存庫文件后，執行File→Export to Capture Part Library，創建包含全部模型級別的器件。同樣應用于反比例運算電路中如圖20.10所示，模型級別可以通過雙擊設置參數level修改數值來選擇，可以輸入1、2或3。

圖20.10 新建的模型應用于電路中

對于同一類型的器件，模型參數的變化會帶來器件性能的不同。在基于模板建模時，在參數設置窗口的“Editable”選項被激活的模型參數，如圖20.11所示，VOS、IB、IBOS、GBW都被選中，這四個參數在Capture的繪圖界面中都可以編輯。

圖20.11 模型編輯時被激活的參數

在Capture的繪圖區，選中剛剛創建運算放大器器件，執行鼠標右鍵命令Import model parameter，彈出圖20.12所示的參數選擇窗口，將需要修改的參數顯示到頁面中，同時自動導入到屬性編輯器內，就可以方便的進行編輯了。

圖20.12 插入模型參數

圖20.13 添加可編輯參數的器件

02基于器件特性曲線創建運算放大器

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

運算放大器的模型需要輸入四個曲線數據：

1大信號擺幅數據

圖20.14 大信號擺幅數據輸入窗口

2輸入開環增益數據

圖20.15 輸入開環增益數據輸入界面

3開環增益相位數據

圖20.16 開環增益相位數據輸入界面

4最大輸出擺幅數據

圖20.17 最大輸出擺幅數據輸入界面

具體步驟和方法可以參看前面兩期教程。

3根據官網下載的模型文件建模

幾乎所有的大型IC廠家都會在自己的網站上提供自家IC的Spice或PSpice模型，供使用者下載做設計參考。下面以德州儀器(TI)的精密運算放大器OPA2132為例來詳細說明這種建模方法。

01下載OPA2132的PSpice模型文件

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

圖20.18官網下載得到的庫文件

02設置文件

使用PSpice Model Editor軟件打開修改好的.lib文件，執行File→Export to Capture Part library，設置完畢后點擊OK。

圖20.19 輸出olb文件

03設置外觀

繼續執行File→Model Import Wizard[Capture]，按照第一節中的圖20.5的步驟，為該模型選擇合適的外形。圖20.20是設置外觀的最后一步，點擊“完成”，即可保存符號，建模就完成了。

圖20.20 為新建模型選擇合適的符號

最后，就可以直接應用于電路。這里根據OPA2132數據文件提供的應用電路搭建一個二階低通濾波器，如圖20.21所示：

圖20.21 OPA2132的測試電路

在設置仿真參數的界面中，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 將庫文件加載到工程中

運行仿真，得到跟數據手冊中描述的一致的幅頻特性和相頻特性，表明新模型構建成功。

圖20.23 頻率響應的仿真結果

寫在建模篇的最后：

器件建模是電路仿真過程中最艱難的步驟之一，它不僅要求對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用知識。

遇到沒有現成模型的器件，首先到PSpice官網搜索：

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

其次到器件原廠搜索，最后才是下載數據手冊，考慮自己創建模型。

為了獲得電路建模的最佳結果，遵從“使用盡可能簡單的模型”。另外還有幾點：

不要使模型比實際需要的更復雜，哪怕一點也不行，過度復雜的模型只會使它運行的更慢，出錯的可能性更大

建模是一個復雜的過程，需要循序漸進，不斷通過驗證進行完善，即使現成的模型，也是可以進行修改和完善的

不要害怕將電路分開成各部分單獨測試，需要時可以獨立運行和跟蹤調試子電路

對功率器件使用ABM建模時要小心，它可能在一個工作點上運行正確，但其他工作點可能產生不精確的結果

最后，最重要的是要知道自己在做什么。共勉!

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原文標題：【PSpice 21周仿真培訓(實例下載)】第20周：運算放大器模型的建立

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審核編輯：湯梓紅