許容誤差と温度による電流ポンプ性能のシミュレーション

この記事では、LTspiceを使用して、すべての抵抗器が理想的ではなく、温度が自動車全体で変化する場合の電流ポンプ回路の精度を分析します。温度範囲。

先週、2つのオペアンプと5つの抵抗で構成される定電流源回路に関する2つの記事を書きました。

高精度電流ポンプの図。アナログ・デバイセズの好意により使用された画像

これら2つの記事の2番目では、LTspiceを使用して、回路のエラーに対する不完全な抵抗マッチングの影響を評価しました。エラーは、シミュレートされた負荷電流とアプリノートに記載されている式によって予測された負荷電流の差として計算されました。

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

LTspiceのモンテカルロ関数を使用してR3とR5の値を指定された許容範囲内で変化させることにより、不完全なマッチングをシミュレートしました。出力電流の大きさはR1、R2、およびR4の値に正比例し、これら3つの抵抗は公称値のままでした。

この記事では、実際のパフォーマンスと理論上のパフォーマンスのより包括的なシミュレーションを実行します。すべての抵抗器の許容誤差は0.1％であり、動作温度の変動も組み込まれます。ここでの目的は、実際の条件下でこの回路に期待できる精度を実際に理解することです。

特定の温度でのシミュレーション

LTspiceに含まれるオペアンプコンポーネントの中には、温度に応じて変化するものとそうでないものがあります。どれがどれかを判断する便利な方法がある場合、私はそれを見つけることができなかったので、推測とチェックの方法を使用しました。

前のシミュレーションで使用したLT1001Aは、温度依存性のカテゴリに含まれていません。法案に適合しなかった他のいくつかのオペアンプをテストした後、低電圧アプリケーション向けの高精度オペアンプであるAD8606は、マクロモデルのどこかに温度依存性があることがわかりました。

「temp」ディレクティブを使用して、LTspiceの回路計算に温度を組み込むことができます。たとえば、「。temp -40 125」は、–40°Cでシミュレーションを実行し、+ 125°Cで別のシミュレーションを実行します。

次の回路は、オペアンプがさまざまな温度でさまざまな結果を生成するかどうかを示しています。

予想される出力電流は（0.6 V – 0.5 V）/（100Ω）=1mAです。 「temp」ディレクティブで指定された温度で得られたシミュレーション出力電流値は次のとおりです。

温度変化を伴うモンテカルロシミュレーション

モンテカルロ関数（LTspiceでは「mc」）を抵抗の値に適用し、「。step param run ...」ディレクティブを使用すると、シミュレーションは複数の独立した実行で構成され、実行ごとにmc関数は、指定された許容値によって決定された範囲内から新しい値を選択します。

目的のアプリケーションには、自動車の全温度範囲（–40°C〜 + 125°C）で機能が必要であると想定します。これは、AD8606の動作温度範囲でもあります。 「temp」ディレクティブを追加すると、実行回数にリスト内の温度数が掛けられます。

範囲内に多数の温度を含めると、シミュレーション時間が長くなり、それが必要になるシナリオを想像するのは困難です。オペアンプは、動作温度の適度な上昇または低下に応じて、パフォーマンスに大きな変動を示すことはありません。

実際、前のプロットは、温度の影響が単調で非常に微妙であることを示しています。したがって、全範囲をカバーするいくつかの温度を選択することで、温度の影響を適切に説明できると思います。

抵抗器公差と温度のシミュレーションに使用した回路図は次のとおりです。

そして、これが900回の実行（温度ごとに100回の実行）のシミュレートされた負荷電流のプロットです。

パフォーマンス統計

私が好む次のステップは、結果をテキストファイルとしてエクスポートしてから、さらに分析するためにテキストファイルをExcelにインポートすることです。これを行うには、プロットを右クリックして、[ファイル]-> [データをテキストとしてエクスポート]を選択します。テキストファイルをExcelにインポートした後のデータは次のようになります。

これで、関心のある統計を簡単に計算できます。平均値は0.9977 mAであるため、オペアンプの非理想性により、小さなオフセット（0.0023 mA、つまり期待される出力電流の0.23％）が作成されました。標準偏差は2.86µAで、最大値と最小値は1.0053mAと0.9899mAです。

最大および最小の結果は非常に印象的です。0.1％の許容誤差と温度が広い間隔で変化するすべての抵抗器を使用しても、負荷電流が正の方向に約5 µAを超えて目的の電流から逸脱しないことが期待できます。負の方向に10µA。

結論

モンテカルロ法とLTspiceの「temp」ディレクティブを組み合わせて、2オペアンプの高精度電流源の現実的な性能を調査しました。シミュレーション結果の統計分析は、回路が非常に広い温度範囲にわたって優れた精度を提供することを示しています。