Teoría

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

El voltaje de modo común de entrada es una forma elegante de decir el voltaje promedio de las dos entradas:

$$\begin{gather} V_{cm} = \frac{V_{-} + V_{+}}{2} \end{gather}$$

Cuando el amplificador operacional funciona con retroalimentación negativa, puede suponer que$V_{cm} = V_{-} = V_{+}$.

La especificación está ahí para decirle que hay cierto rango de voltajes de entrada en los que puede esperar que el amplificador operacional funcione correctamente. Esto siempre está dentro del suministro dado al amplificador operacional:

$$\begin{gather} V_{s-}+A \le V_{cm} \le V_{s+}-B \end{gather}$$ dónde $A$y $B$son números no negativos y propiedades del amplificador operacional. Por supuesto, en lugar de darle estos dos números directamente, le dan una cantidad más útil, que es el rango de voltaje de modo común de entrada: $$\begin{gather} V_{cm-} \le V_{cm} \le V_{cm+} \end{gather}$$ Es necesario que se cumpla esta condición si desea esperar que el amplificador operacional funcione correctamente.

Tenga en cuenta que los parámetros$A$y$B$son funciones potencialmente no lineales del voltaje de suministro (y posiblemente otros valores como la corriente de salida). Debe consultar la hoja de datos para ver cómo cambia el rango de voltaje de modo común con el voltaje de suministro.

Por ejemplo, tome el LF412 . En las figuras 4 y 5 se muestra la tensión de modo común en función de las tensiones de alimentación positiva y negativa (referenciadas frente a la tensión de alimentación media). Sin embargo, simplemente no se especifica a continuación.$V_{s+} - V_{s-} \le 10V$porque presumiblemente el amplificador operacional simplemente no funcionará correctamente con menos voltaje.

Ahora volvamos a dibujar el circuito y elijamos un nuevo punto de tierra de modo que obtenga un suministro simétrico:

^{simular este circuito}

En tu gráfico, estás eligiendo$V_{in} \in [0V, 5V]$. esto corresponde a$V_{+} \in [-6V, -1V]$. Mirando la figura 5 de la hoja de datos del LF412, el voltaje de modo común mínimo permitido para un suministro negativo de -6 V es de aproximadamente -2,9 V, o en la referencia sin cambios que está usando de 3,1 V.

TL; DR: el modelo LF412 de PartSim está roto

Aparte de esto, por alguna razón, el modelo de Partsim para el LF412 está roto (lo más probable es que los pines estén fuera de servicio). Afortunadamente, puede obtener el archivo del modelo aquí . Tenga en cuenta que necesita algunos ajustes para que funcione con partsim.

Aquí está el modelo modificado:

*//////////////////////////////////////////////////////////
*LF412 LOW OFFSET, LOW DRIFT DUAL JFET INPUT OP-AMP MODEL
*//////////////////////////////////////////////////////////
*
* connections:  non-inverting input
*               |   inverting input
*               |   |   positive power supply
*               |   |   |   negative power supply
*               |   |   |   |   output
*               |   |   |   |   |
*               |   |   |   |   |
.SUBCKT LF412N  1   2  99  50  28
*
*Features:
*Fast settling time (.01%) =           2uS
*High bandwidth =                     3MHz
*High slew rate =                   10V/uS
*Low offset voltage =                  1mV
*Low supply current =                1.8mA
*NOTE: Model is for single device only and simulated
*      supply current is 1/2 of total device current.
*
IOS 2 1 25.0P
CI1 1 0 3P
CI2 2 0 3P
R1 1 3 1E12
R2 3 2 1E12
I1 99 4 1.0M
J1 5 2 4 JX
J2 6 7 4 JX
R3 5 50 650
R4 6 50 650
*Fp2=28 MHZ
C4 5 6 4.372P
I2 99 50 800UA
EOS 7 1 POLY(1) 16 49 1E-3 1
R8 99 49 80K
R9 49 50 80K
V2 99 8 2.13
D1 9 8 DX
D2 10 9 DX
V3 10 50 2.13
EH 99 98 99 49 1
G1 98 9 5 6 20E-3
R5 98 9 10MEG
VA3 9 11 0
*Fp1=18 HZ
C3 98 11 857.516P
*Fp=30 MHz
G3 98 15 9 49 1E-6
R12 98 15 1MEG
C5 98 15 5.305E-15
G4 98 16 3 49 1E-8
L2 98 17 144.7M
R13 17 16 1K
F6  99 50 VA7 1
F5  99 23 VA8 1
D5  21 23 DX
VA7 99 21 0
D6  23 99 DX
E1  99 26 99 15 1
VA8 26 27 0
R16 27 28 50
V5  28 25 0.646V
D4  25 15 DX
V4  24 28 0.646V
D3  15 24 DX
.MODEL DX D(IS=1E-15)
.MODEL JX PJF(BETA=1.183E-3 VTO=-.65 IS=50E-12)
.ENDS
*$

Aquí están los resultados de la simulación con el modelo fijo ($V_{out}$es azul,$V_{+}$es negro):

Curiosamente, el resultado no se alinea del todo con la teoría; eso es porque simplemente asumí que debido a que la figura 5 de la hoja de datos no muestra el voltaje de suministro negativo frente al rango de voltaje de modo común, no funcionará por debajo de eso. En cambio, simplemente no se especifica. El modelo simplemente funciona debajo de eso, aunque no sé qué comportamiento obtendrás en la vida real.

El macromodelo estándar de amplificadores operacionales de Boyle que se utiliza para la mayoría de los amplificadores operacionales antiguos no modela el rango de entrada del modo común.

Sin embargo, el rendimiento de la temperatura, el rango de entrada de modo común , el voltaje de compensación, la corriente de compensación, la protección de entrada, el rechazo de la fuente de alimentación, el ruido, el THD, la impedancia de entrada, la buena resistencia de salida de CA y el cambio en la corriente de suministro frente al voltaje de suministro son algunos de los más. parámetros importantes que no están modelados con la topología macro de Boyle.

Actualmente, TI solo ofrece un modelo básico de Boyle para LM324 (y no proporciona nada para LM324-N). Las cosas se ponen más interesantes para el LF412. Para el estándar de bog, también obtiene solo un modelo de Boyle identificado como "LF412C" dentro del archivo. Pero para LF412- N obtienes un modelo (identificado como "LF412/NS" dentro del archivo) que tiene efectos de modo común . Cuidado con el descargador.

Por supuesto, no tengo idea de qué usa partim. El dicho "muéstrame el código" se traduce como "muéstrame el modelo" cuando se trata de simulaciones de SPICE opamp más allá de lo básico.

Ahora a asuntos más prácticos. Primero dices:

Está intentando amplificar el voltaje de Vin en 1,4, de modo que cuando Vin esté en el rango de 0,5 V CC, Vout sea 1,4 veces más alto en el rango de 0,12 V CC (soy consciente de que nunca alcanzaré los 12 V exactamente).

No es así como va a funcionar, debido a la configuración no inversora, el factor será 2.4 (1+Rf/Rg).

Pero dejando eso de lado, incluso con el modelo LM324 de TI, al menos puede limitar la salida por debajo del riel de 12 V ... que es más de lo que maneja partsim:

Aquí está el LF412C, esto no puede bajar hasta 0:

Y así es como funciona; querrá consultar el esquema de Boyle mientras lee las cosas a continuación. He marcado con un círculo las partes que simulan los límites relacionados con el riel para la salida.

Para LM324, las fuentes de voltaje en serie con los diodos (que simulan los límites del riel, este es el más a la derecha) se configuran en

DC    5 53 DX
DE   54  5 DX
VC    3 53 DC 2.100
VE   54  4 DC .6

Entonces, en el lado bajo, llega a 0 después de restar la caída del diodo, pero el lado alto llega a aproximadamente 10,5 V (caída de 2,1 diodos).

Para el LF412C ahora tenemos

VC    3 53 DC 2.200
VE   54  4 DC 2.200

Entonces, ambos lados (alto y bajo) están limitados a aproximadamente 1.6V del riel. Así es como simulan que LM324 es capaz de operar con un solo suministro, pero LF412 no lo es.

Tengo que ver ahora qué compra aquí el modelo LF412NS más elegante, en todo caso. Bueno, no hay diferencia real

*********OUTPUT VOLTAGE LIMITING********
V2 99 8 2.13
D1 9 8 DX
D2 10 9 DX
V3 10 50 2.13

Todavía tengo que asimilar qué partes del código/plataforma sobre el modo común en ese último modelo realmente hacen, pero no parece agregar ninguna limitación obvia del rango de entrada además de lo que ya imponen las limitaciones de oscilación de salida (como resultado).

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Creo que descubrí cuál es la adición en el modelo NS. La hoja de datos del LF412 (incluida la variante N) tiene un CMRR típico de 100 dB. Eso significa que para un voltaje de modo común de 5V, un cambio en la salida de 50uV. Con el modelo 412NS obtenemos exactamente ese "efecto de modo común". Con el modelo 412C, se trata de cosas/valores aparentemente aleatorios.

Sin embargo, parece que tampoco hay simulación del rango de entrada de modo común en este último.