在過去幾年中，Spice模式毫無疑問的在市場上被廣泛採用。一方面是由於IC製造商努力的向客戶提供精確的模式，另一方面則是系統設計工程師也逐漸要求採用更加精確的模式，在這過程當中，無形地促進了Spice巨集模式 (macro model) 的創新發展。
許多IC公司都自認為擁有最佳或具革命性新特性的模式產品，但他們往往未能向使用者提供用於驗證其巨集模式精確度的測試電路。而最常用的模式，應該是運算放大器巨集模式。精確的運算放大器巨集模式非常有用，但對於一般使用者而言，這種模式會帶來嚴重的問題。
大多數系統設計工程師在將運算放大器巨集模式實作到綜合性電路之前，都會對其進行測試。但不幸的是，面對錯誤的模擬結果，系統設計師會直接向IC製造商的應用工程師抱怨，指稱其開發模式毫無用處、一文不值。而當應用工程師試圖了解問題模式運作的具體情況時，得到的回答卻是「哦，在採用貴公司競爭對手提供的另一種模式時，電路就能得出正確的結果。」
事實上，每一種模式都不盡相同，有的可能不支持某個特定設置。因此筆者認為，最好的辦法並不是弄清楚各個運算放大器巨集模式存在的缺陷，而是提供一套能夠支持任何運算放大器巨集模式的電路，也就是提供出一套適用於向各種運算放大器巨集模式的全能測試電路。
究竟需要測試哪些參數？
巨集模式的區別主要在於其測試參數的複雜程度。它與規格書很相似，該模式應該模擬運算放大器認為適合與相關的應用參數。像是對於軌到軌輸出運算放大器，工程師需要測試並驗證輸出飽和電壓與負載電流的關係。同樣的，低雜訊放大器，其模式至少必須可模擬出電壓雜訊。
排除這些區別之後，各種放大器巨集模型可能會具有一些相同的參數；這些值得關注的參數一般都是模擬的啟始參考。
開迴路增益和相位容限
系統設計師在評估其放大器巨集模式的性能時，一般會先測試其開迴路增益 (open loop gain) 與頻率的關係。這個測試非常重要，因為設計師可以利用一個簡單的小電路，了解模式的DC增益、-3dB頻率、交叉頻率（如果是電壓迴授放大器，則為增益頻寬積）和相位容限 (phase margin)。
圖1所示為測試電路。RC網路確保輸出的偏壓在適當的DC電壓。在較高頻率下，電容會將反相輸入短路接地，使運算放大器處於開迴路形態。這個電路採用了一個較大的電容，以儘快降低頻率（2πRC），因此既使被測出運算放大器的主極點頻率極低，工程師也可以模擬並實現平穩的變化，下降速率為20dB/十倍頻程。
在測試開迴路增益和相位時，工程師選擇的頻率範圍應當高於放大器的單位增益頻寬。
在使用軌到軌輸出模式時，用戶必須向測試電路施加規格書中規定的負載，否則模擬結果可能發生錯誤，尤其是DC增益（AOL=gmRL）部份。
變動率︰
這是一個放大器速度參數，所有模式都應當能夠模擬這個參數。變動率等於定電流與補償電容的比值。
根據所用的巨集模式，工程師可決定變動率的電容應置於輸入端或一個單獨的網路中。
由於已經知道Idt=Cdv的關係，因此可直接利用圖2所示電路，根據輸出值，計算出變動率。工程師只需寫入命令，在探針螢幕上顯示的輸出電壓值之前，鍵入字母「d」。
在執行變動率模擬時，請確保將模式設置為暫態 (transient)，讓輸入訊號具備足夠快的上升時間和下降時間（邊緣），不會對變動率造成限制。同時工程師必須根據運算放大器的速率，選擇相應的輸入訊號頻率。輸入訊號頻率過高會導致收斂問題。
CMRR和PSRR︰
雖然有部份模式無法模擬這兩個參數，但是這兩個參數卻是同樣重要的。通常，CMRR（共模抑制比）和PSRR（電源抑制比）模擬電路是由一個簡單的RC網路、一個電阻分壓器和一個電壓控制電源構成，工程師可以在模式中輕鬆實施這兩個參數。
由於調變的存在，在非反相配置中， CMRR變得尤其重要；此外如果應用的電源容易受到干擾，那麼，PSRR就非常重要。
工程師可藉助圖3和圖4所示測試電路模擬這兩個參數。如果正確地模擬了這兩個參數，極點和零點位置就應當與數據表中的曲線圖一致。
請注意，只要在電壓探棒之前寫入一個負符號，即可反轉圖表螢幕上的CMRR值或PSRR值。
輸出阻抗︰
通常規格書中不會包含這個參數，但是有時必須測試這個參數。
如果正確的實現了模擬結果，工程師可以透過輸出阻抗，更加精確地計算出放大器在驅動電容性負載時的穩定時間。
設計旨在實現穩定性的補償方案時，也需要根據輸出阻抗，計算出適當的元件值。
工程師可在頻域內，以這個測試電路，使用3種不同的增益值，模擬出對應的輸出阻抗。輸出電壓與1A電源電流的比值即為輸出阻抗。
圖3A顯示，LMV791的輸出阻抗約為100Ω。
| 《圖十 輸出阻抗測試電路，增益分別為1、10和100》 |
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電壓和電流雜訊︰
在放大器巨集模式設計改進方面，電壓和電流雜訊的改善較為顯著。在現有的一些模式中，工程師可利用其閃爍雜訊組件模擬電壓雜訊，精確地模擬電流雜訊。在巨集模式中實現雜訊模擬並不需要消耗太多的運算能力或時間，這個任務的困難點在於工程師必須採用正確的方程式，才能使電壓雜訊密度曲線具備類似於規格書曲線圖的1/f轉角。利用二重對數尺度上的電壓輸出器（電源電壓為0伏特）輸出值，用戶可以輕鬆測試電壓雜訊密度。用戶還可以利用這個電路，在非反相輸入端串聯一個100kΩ的電阻，模擬電流雜訊密度。請務必將探針窗口中顯示的測得結果除以100E3，或者使用者選用的其他電阻值。
選用的電阻值越高，產生的電流雜訊越顯著，相比之下，電壓雜訊和熱雜訊變得微不足道。
請確定在Pspice的分析設置窗口中指定輸出電壓。在圖5A所示例子中詳述了輸出電壓為V（伏特），輸入電壓為Vin，並核對「啟用雜訊」選框。
輸入偏置電流和輸入偏移電壓︰
這兩個參數大概是最容易模擬的參數。輸入偏移電壓可以輕鬆實現為輸入端的電壓控制電源，規格書表中規定了其電壓值。
總而言之，工程師們甚至可以利用前面介紹的任何電路，來測試Vos和IB。工程師只要啟用Pspice中主動式的電壓探針和電流探針，就可以得到圖7所示電路。其中，輸入偏置電流為1.5pA，輸入偏移電壓為1.48mV。
請注意，電源電流為1.15mA @ ±2.5V。
這個參數有時也被稱為下降電壓差。在軌到軌輸出模式中，這個參數尤為重要，因為它表明了輸出隨負載電流的變化而變化，特別是在負載較高或者需要支持動態範圍的情況下，有助於用戶選擇適當的運算放大器。
這個測試電路採用了一個簡單的直流掃描分析，利用2個數值相等正負相反的輸入電壓，複製負載電流的來源和汲取。
電源電流與電源電壓︰
利用下面這個測試電路，工程師可以掃描電源電流，檢測放大器在不同的電源電壓下，將消耗多少電流。對於功耗比較敏感型的應用，這個測試尤其重要。
工程師可以在模式中輕鬆實現電源電流曲線斜率。
過流和暫態反應︰
這個測試電路有2個用途︰測試暫態反應（不論是小訊號還是大訊號）和過流。
過流參數表明了放大器在驅動電容性負載時的振盪情況。過流在時域上是一個穩定性的量測參數，等於頻域內的峰值。
有些巨集模式藉助額外的被動元件來精確模擬過流，但一般而言，只要相位容限是精確的，模擬的過流就應當十分接近精確值。
工程師還可以利用這個測試電路，檢測暫態反應。在測試暫態反應時，無需使用100pF電容；不過有些規格書可能要求在測量小訊號暫態反應時，將一個較小的電容用作負載。如果是這種情況，請使用規格書中規定的電容。
共模電壓範圍（CMVR）︰
這個參數表明了輸入訊號電壓的範圍，以及該輸入訊號電壓與電源電壓之間的差距。
圖11A所示的第一個測試電路採用了一個電壓控制電源。在使用圖12A所示的第二個測試電路時，所採用的電壓範圍為-2.5至2.5V。
相位逆向︰
有些放大器，當輸入訊號電壓超出輸入共模電壓範圍時，就會發生相位逆向的情形。在發生這種情況時，輸出訊號的極性將發生變化，可能損害運算放大器，導致系統自鎖。
這個測試電路是一個簡單的電壓輸出器，具備6V正弦波輸入。圖13B所示輸出波形表明，和運算放大器一樣，巨集模式未發生相位逆向，輸入訊號電壓箝制在±2.5V之內。
結論︰
採用了前面介紹的這些測試電路，並不表示無需對器件執行標準測試。確切地說，這些測試電路的用途僅僅是幫助工程師們靈活、迅速地評估巨集模式的精確度而已。
（作者為美國國家半導體公司放大器市場行銷經理）
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