本文主要进行光电二极管和AD8045运放模型建立、应用电路测试和高级优化仿真分析——让线性电路设计更轻松、更完美！
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第1步：AD8045模型建立与测试——PS：AD8045 model test
根据运放AD8045数据手册中频率特性曲线建立其数学传递函数模型，通过极点与增益进行具体设置，第三极点fp3用于产生Q值，使得增益与相位突变，具体测试电路、仿真设置、波形数据分别如下图所示。
图1 AD8045模型与频率特性测试电路
图2 交流仿真设置
（a） 数据手册中的频率特性曲线
（b） 仿真模型的频率特性曲线
图3 AD8045频率特性曲线对比——模型与数据手册基本一致
第2步：光电二极管模型建立与应用电路测试——PS：APP Test
光电二极管模型建立：利用交流电流源+并联电阻+寄生电容+偏置电压进行光电二极管模型等效，具体电路如下图所示。
图4 光电二极管模型
应用电路测试、仿真设置、波形数据分别如下图所示，
图5 参考电路
图6 仿真电路
图7 瞬态仿真设置：最小步长非常重要
图8 输入电流波形：最大2mA、最小1.4mA
TP1误差小于2mV、输入信号频率为1megHz时TP2与TP3完全一致
图9 测试点电压波形
输出电压最大值2.35V、最小值1.65V；互阻值为2.35/2m=1175欧姆；
输入电流2mA对应2.35V、输入电压1.4mA对应1.65V；
图10 输出电压波形与数据
图11 Iin直流参数Iv仿真设置
Iv=1mA时输出电压VOUT=1.1757V、Iv=2mA时输出电压VOUT=2.3513V；
光电流线性增加时输出电压同时线性增大
图12 直流仿真结果
图13 交流仿真设置
输出电压频率特性曲线与数据——-3dB带宽约176megHz
图14 交流仿真结果
第3步：电路改进——PS：APP BW200meg
改进说明：第1级互阻放大器的环路增益为1，带宽固定；中间级滤波电路对带宽有影响；第2级额外增益级的增益带宽积固定，对带宽有影响；将第2级增益提高到第1级，即将R1的阻值变为原来阻值的增益倍；中间级R2阻值降低以提高截止频率；第2级的增益设置为1，即跟随输出，以提高驱动能力；具体电路和仿真结果分别如下图所示。
图15 测试电路：Freq=1meg
输出电压频率特性曲线与数据——-3dB带宽约257megHz——满足200meg要求
图16 改进之后的交流仿真结果
图17瞬态仿真设置：50ns、最小步长20ps——根据输出信号进行具体设置
图18 傅立叶设置
图19 输入电流与输出电压波形
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
输入信号频率为200meg时总谐波失真优于千分之一，只是输入与输出相移很大，约为172度！
第4步：利用高级仿真分析进行带宽优化设计——PS：Optimizer for BW
利用高级分析进行带宽优化设计，截止频率测量函数为Cutoff_Lowpass_3dB(V(VOUT))；具体测试电路、仿真设置、波形数据分别如下图所示。
图20 优化分析测试电路：电阻和电容的容差均为5%
图21 输出电压DB(V(VOUT))频率特性曲线与-3dB带宽——与测试电路性能一致
R2、C2对带宽影响最严重，其次为C1，然后为R3、R4，二者对带宽影响效果相同；
R1对带宽影响最弱；
图22 灵敏度分析结果
优化分析：第1级和第2级联合控制输出电压范围，但是根据增益带宽积原理，将第2级增益设置为1以提高其带宽，此时第1级互阻将增加1.951倍；R2和C2对带宽影响最严重，所以对其进行优化即可实现200megHz带宽要求，此时等效测试电路如下图所示。
图23 优化仿真分析电路
实现200megHz带宽时的R2=105.2、C2=4.898pF
图24 优化设置与仿真结果
图25 利用优化参数时的带宽测试电路
图26 输出电压DB(V(VOUT))频率特性曲线与-3dB带宽——优于205megHz、满足要求
蒙特卡洛分析：电阻和电容的容差均为5%时测试-3dB带宽分布；具体仿真设置、波形数据分别如下图所示。
图27 蒙特卡洛仿真设置：运行次数50、分成10组
图28 蒙特卡洛分布：最小带宽195.6megHz、最大带宽216.4megHz、平均值205megHz
本文总结：如果所设计电路为线性电路，可利用高级仿真分析进行优化设计，以实现技术指标要求；将元器件模型建立好、关键点分析透彻、具体参数范围规定清楚，高级优化仿真可以帮我们把电路分析和设计地更加完美！
元器件建模参考书籍：《PSpice元器件模型建立及应用》
PSpice仿真功能参考书籍：《基于OrCAD Capture和PSpice的模拟电路设计与仿真 第2版》