Simulación del rendimiento de la bomba de corriente con tolerancia y temperatura

En este artículo, usamos LTspice para analizar la precisión de un circuito de bomba de corriente cuando todos los resistores no son ideales y la temperatura varía en todo el automóvil. rango de temperatura.

La semana pasada, escribí un par de artículos sobre un circuito de fuente de corriente constante que consta de dos amplificadores operacionales y cinco resistencias:

Diagrama de una bomba de corriente de precisión. Imagen utilizada por cortesía de Analog Devices

En el segundo de estos dos artículos, utilicé LTspice para evaluar la influencia de la coincidencia imperfecta de resistencias en el error del circuito, donde el error se calculó como la diferencia entre la corriente de carga simulada y la corriente de carga predicha por la fórmula dada en la nota de la aplicación.

\ [I_ {OUT} =\ frac {V_ {IN} \ left (\ frac {R4} {R2} \ right)} {R1} \]

La coincidencia imperfecta se simuló utilizando la función Monte Carlo de LTspice para variar los valores de R3 y R5 dentro de una tolerancia especificada. La magnitud de la corriente de salida es directamente proporcional a los valores de R1, R2 y R4, y estas tres resistencias permanecieron en su valor nominal.

En este artículo, realizaremos una simulación más completa del rendimiento real frente al rendimiento teórico. Todas las resistencias tendrán una tolerancia del 0,1% y también incorporaremos variación en la temperatura de funcionamiento. El objetivo aquí es comprender realmente cuánta precisión podemos esperar de este circuito en condiciones de la vida real.

Simulación a temperaturas específicas

Algunos de los componentes del amplificador operacional incluidos en LTspice exhiben variaciones en respuesta a la temperatura, y otros no. Si hay una forma conveniente de determinar cuáles son cuáles, no he podido encontrarla, así que utilicé el método de adivinar y verificar.

El LT1001A, que usamos en la simulación anterior, no está en la categoría de dependencia de la temperatura. Después de probar algunos otros amplificadores operacionales que no se ajustaban a los requisitos, descubrí que el AD8606, que es un amplificador operacional de precisión diseñado para aplicaciones de bajo voltaje, depende de la temperatura en algún lugar de su macromodelo.

Podemos incorporar la temperatura en los cálculos del circuito de LTspice mediante la directiva "temp". Por ejemplo, “.temp -40125” realizará una simulación a –40 ° C y otra a + 125 ° C.

El siguiente circuito indica si un amplificador operacional produce diferentes resultados a diferentes temperaturas.

La corriente de salida esperada es (0,6 V - 0,5 V) / (100 Ω) =1 mA. Estos son los valores de corriente de salida simulados obtenidos a las temperaturas especificadas en la directiva "temp":

Simulación de Monte Carlo con cambios de temperatura

Cuando aplicamos la función Monte Carlo ("mc" en LTspice) al valor de una resistencia y usamos la directiva ".step param run ...", la simulación constará de múltiples corridas independientes, y para cada corrida, el mc La función seleccionará un nuevo valor dentro del rango determinado por la tolerancia especificada.

Fingiremos que la aplicación deseada requiere funcionalidad en todo el rango de temperatura automotriz, que es de –40 ° C a + 125 ° C. Este también es el rango de temperatura de funcionamiento del AD8606. Si agregamos una directiva "temp", el número de corridas se multiplicará por el número de temperaturas en la lista.

Incluir numerosas temperaturas dentro del rango daría lugar a tiempos de simulación prolongados, y es difícil imaginar un escenario en el que eso sea necesario. Un amplificador operacional no exhibirá fluctuaciones severas en el rendimiento en respuesta a un aumento o disminución moderada de la temperatura de funcionamiento.

De hecho, la trama anterior indica que el efecto de la temperatura es monótono y muy sutil. Por lo tanto, creo que podemos explicar adecuadamente las influencias de la temperatura seleccionando varias temperaturas que cubran todo el rango.

Aquí está el esquema que usé para la simulación de resistencia-tolerancia-más-temperatura:

Y aquí hay un gráfico de la corriente de carga simulada para las 900 carreras (100 carreras por temperatura).

Estadísticas de rendimiento

Mi siguiente paso preferido es exportar los resultados como un archivo de texto y luego importar el archivo de texto a Excel para un análisis más detallado. Para hacer esto, haga clic derecho en el gráfico y seleccione Archivo -> Exportar datos como texto. Así es como se ven los datos después de importar el archivo de texto a Excel:

Ahora puedo calcular fácilmente las estadísticas que me interesan. El valor promedio es 0,9977 mA, por lo que algo de no ideal en el amplificador operacional creó una pequeña compensación (0,0023 mA o 0,23% de la corriente de salida esperada). La desviación estándar es 2,86 µA y los valores máximo y mínimo son 1,0053 mA y 0,9899 mA.

Encuentro los resultados máximos y mínimos bastante impresionantes:incluso con todas las resistencias sujetas a una tolerancia del 0.1% y la temperatura variando en un amplio intervalo, puedo esperar que la corriente de carga no se desvíe de la corriente deseada en más de aproximadamente 5 µA en la dirección positiva y 10 µA en la dirección negativa.

Conclusión

Hemos combinado un método Monte Carlo con la directiva "temp" de LTspice para explorar el rendimiento realista de una fuente de corriente de precisión de dos amplificadores operacionales. El análisis estadístico de los resultados de la simulación indica que el circuito ofrece una precisión excelente en un rango de temperatura muy amplio.