Mensimulasikan Kinerja Pompa Saat Ini dengan Toleransi dan Suhu
Dalam artikel ini, kami menggunakan LTspice untuk menganalisis presisi sirkuit pompa arus ketika semua resistor tidak ideal dan suhu bervariasi di seluruh otomotif kisaran suhu.
Minggu lalu, saya menulis sepasang artikel tentang rangkaian sumber arus konstan yang terdiri dari dua op-amp dan lima resistor:
Diagram pompa presisi saat ini. Gambar yang digunakan atas izin Perangkat Analog
Di bagian kedua dari dua artikel ini, saya menggunakan LTspice untuk menilai pengaruh pencocokan resistor yang tidak sempurna pada kesalahan rangkaian, di mana kesalahan dihitung sebagai perbedaan antara arus beban yang disimulasikan dan arus beban yang diprediksi oleh rumus yang diberikan dalam catatan aplikasi.
\[I_{OUT}=\frac{V_{IN}\left(\frac{R4}{R2}\right)}{R1}\]
Pencocokan tidak sempurna disimulasikan dengan menggunakan fungsi Monte Carlo LTspice untuk memvariasikan nilai R3 dan R5 dalam toleransi yang ditentukan. Besarnya arus keluaran berbanding lurus dengan nilai R1, R2, dan R4, dan ketiga resistor ini tetap pada nilai nominalnya.
Dalam artikel ini, kami akan melakukan simulasi yang lebih komprehensif dari kehidupan nyata versus kinerja teoretis. Semua resistor akan memiliki toleransi 0,1%, dan kami juga akan memasukkan variasi dalam suhu operasi. Tujuannya di sini adalah untuk benar-benar memahami seberapa presisi yang dapat kita harapkan dari sirkuit ini dalam kondisi kehidupan nyata.
Mensimulasikan pada Suhu Tertentu
Beberapa komponen op-amp yang termasuk dalam LTspice menunjukkan variasi dalam menanggapi suhu, dan beberapa tidak. Jika ada cara mudah untuk menentukan yang mana, saya belum dapat menemukannya, jadi saya hanya menggunakan metode tebak-dan-periksa.
LT1001A, yang kami gunakan dalam simulasi sebelumnya, tidak termasuk dalam kategori ketergantungan suhu. Setelah menguji beberapa op-amp lain yang tidak sesuai dengan tagihan, saya menemukan bahwa AD8606, yang merupakan op-amp presisi yang ditujukan untuk aplikasi tegangan rendah, memiliki ketergantungan suhu di suatu tempat di makromodelnya.
Kita dapat memasukkan suhu ke dalam perhitungan sirkuit LTspice melalui arahan "temp". Misalnya, “.temp -40 125” akan melakukan simulasi pada –40°C dan simulasi lainnya pada +125°C.
Rangkaian berikut menunjukkan apakah sebuah op-amp menghasilkan hasil yang berbeda pada suhu yang berbeda.
Arus keluaran yang diharapkan adalah (0,6 V – 0,5 V)/(100 ) =1 mA. Berikut adalah nilai arus keluaran simulasi yang diperoleh pada suhu yang ditentukan dalam arahan "temp":
Simulasi Monte Carlo dengan Perubahan Suhu
Ketika kita menerapkan fungsi Monte Carlo ("mc" dalam LTspice) ke nilai resistor dan menggunakan arahan ".step param run ...", simulasi akan terdiri dari beberapa run independen, dan untuk setiap run, mc fungsi akan memilih nilai baru dari dalam rentang yang ditentukan oleh toleransi yang ditentukan.
Kami akan berpura-pura bahwa aplikasi yang dimaksud memerlukan fungsionalitas di seluruh rentang suhu otomotif, yaitu –40°C hingga +125°C. Ini juga terjadi pada kisaran suhu operasi AD8606. Jika kita menambahkan perintah “temp”, jumlah proses akan dikalikan dengan jumlah suhu dalam daftar.
Memasukkan banyak suhu dalam kisaran akan menyebabkan waktu simulasi yang lama, dan sulit untuk membayangkan skenario yang diperlukan. Op-amp tidak akan menunjukkan fluktuasi kinerja yang parah sebagai respons terhadap peningkatan atau penurunan suhu pengoperasian yang moderat.
Faktanya, plot sebelumnya menunjukkan bahwa efek suhu monoton dan sangat halus. Jadi, saya pikir kita dapat memperhitungkan pengaruh suhu dengan memilih beberapa suhu yang mencakup seluruh rentang.
Berikut skema yang saya gunakan untuk simulasi resistor-toleransi-plus-suhu:
Dan berikut adalah plot simulasi arus beban untuk 900 putaran (100 putaran per suhu).
Statistik Kinerja
Langkah pilihan saya selanjutnya adalah mengekspor hasil sebagai file teks dan kemudian mengimpor file teks ke Excel untuk analisis lebih lanjut. Untuk melakukan ini, klik kanan pada plot dan pilih File -> Ekspor data sebagai teks. Ini adalah tampilan data setelah saya mengimpor file teks ke Excel:
Sekarang saya dapat dengan mudah menghitung statistik apa pun yang saya minati. Nilai rata-ratanya adalah 0,9977 mA, jadi beberapa non-idealitas dalam op-amp menciptakan offset kecil (0,0023 mA, atau 0,23% dari arus keluaran yang diharapkan). Standar deviasinya adalah 2,86 A, dan nilai maksimum dan minimumnya adalah 1,0053 mA dan 0,9899 mA.
Saya menemukan hasil maksimum dan minimum cukup mengesankan:bahkan dengan semua resistor tunduk pada toleransi 0,1% dan suhu yang bervariasi pada interval yang lebar, saya dapat mengharapkan arus beban tidak menyimpang dari arus yang diinginkan lebih dari sekitar 5 A ke arah positif dan 10 A ke arah negatif.
Kesimpulan
Kami telah menggabungkan metode Monte Carlo dengan arahan "temp" LTspice untuk mengeksplorasi kinerja realistis dari sumber arus presisi dua op-amp. Analisis statistik dari hasil simulasi menunjukkan bahwa rangkaian menawarkan presisi yang sangat baik pada rentang suhu yang sangat luas.
