自動車温度範囲における抵抗公差を考慮したカレントポンプ回路精度の評価

LTspiceを用いて、全抵抗が非理想で自動車温度範囲（-40°C〜+125°C）で温度変化する条件下でのカレントポンプ回路精度を解析

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ついて2本の記事を公開しました：

精密カレントポンプの回路図。Analog Devices提供画像

 

第2回では、LTspiceで不完全な抵抗マッチングが出力に与える影響を評価しました。誤差はシミュレーション負荷電流とアプリケーションノートの解析式による予測値の差として定義しました。

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

不完全マッチングは、LTspiceのモンテカルロ機能でR3とR5を指定公差内で変動させ、R1、R2、R4を公称値に固定してシミュレートしました。

本稿では、0.1%抵抗公差と温度変動を考慮した包括的シミュレーションを行い、現実的条件下での達成可能精度を定量化します。

特定温度でのシミュレーション

LTspiceのオペアンプモデルには温度依存性があるものとないものがあります。試行錯誤の結果、低電圧高精度用途向けAD8606はマクロモデルで温度感度を示す一方、LT1001Aは示さないことが判明。

温度はLTspiceの.tempディレクティブで組み込めます。例：.temp -40 125で-40°Cと+125°Cでシミュレーション実行。

以下の回路図は、オペアンプ出力が温度によりどう変化するかを示します。

テストケースの理論出力電流は(0.6 V - 0.5 V)/(100 Ω) = 1 mA。.tempディレクティブ指定温度でのシミュレーション値は以下：

温度変動を含むモンテカルロシミュレーション

抵抗にモンテカルロ関数（mc）を適用し、.step param run …と組み合わせると、LTspiceは複数の独立実行を行い、実行ごとに公差範囲内で新しい抵抗値を選択します。

回路が自動車全温度範囲（-40°C〜+125°C、AD8606仕様範囲）で動作必須と仮定し、.tempディレクティブを追加。実行回数は温度ポイント数×温度あたりのモンテカルロ反復数になります。

シミュレーション時間短縮のため、オペアンプの温度応答が単調で微小であるため、全範囲をカバーする代表的な温度をいくつか選択しました。

公差＋温度検証に使用した回路図：

900回実行（温度あたり100回）の負荷電流プロット：

性能統計

シミュレーションデータをテキストファイルにエクスポートし、Excelで分析。インポート後の生データテーブル：

データセットから、平均出力電流は0.9977 mAで、非理想オペアンプ挙動による0.0023 mA（0.23%）のオフセット。標準偏差2.86 µA、最大1.0053 mA、最小0.9899 mA。

全抵抗0.1%公差と広い温度変動下でも、負荷電流は目標値から正方向±5 µA、負方向-10 µA以内に収まる、印象的な精度です。

結論

モンテカルロ解析とLTspiceの温度ディレクティブを組み合わせ、2オペアンプ精密電流源が広い自動車温度範囲で優れた精度を発揮することを実証。統計解析により、現実的部品公差下でサブ10 µA変動であることを確認。