Mengukur Ketelitian Sirkuit Pompa Arus Lintas Toleransi Resistor dan Rentang Suhu Otomotif

Dalam artikel ini, kami menggunakan LTspice untuk menganalisis ketelitian sirkuit pompa arus ketika semua resistor tidak ideal dan suhu bervariasi di seluruh rentang suhu otomotif.

Minggu lalu, saya menerbitkan dua artikel tentang sirkuit sumber arus konstan yang terdiri dari dua op-amp dan lima resistor:

Diagram pompa arus presisi. Gambar digunakan dengan kredit Analog Devices

Dalam artikel kedua, saya menggunakan LTspice untuk mengevaluasi bagaimana pencocokan resistor yang tidak sempurna mempengaruhi output sirkuit. Kesalahan didefinisikan sebagai selisih antara arus beban yang disimulasikan dan arus yang diprediksi oleh ekspresi analitis dalam catatan aplikasi.

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

Pencocokan yang tidak sempurna disimulasikan dengan menerapkan fungsi Monte Carlo LTspice untuk mengubah R3 dan R5 dalam toleransi tertentu, sambil mempertahankan R1, R2, dan R4 pada nilai nominal.

Dalam studi ini, kami melakukan simulasi komprehensif yang mencakup toleransi resistor 0,1% dan variasi suhu. Tujuannya adalah untuk mengukur ketelitian yang dapat dicapai dalam kondisi yang realistis.

Mensimulasikan pada Suhu Tertentu

Beberapa model op-amp dalam LTspice menunjukkan ketergantungan suhu, sementara yang lainnya tidak. Dengan pendekatan coba-coba, saya menemukan bahwa AD8606—yang dirancang untuk aplikasi tegangan rendah dan presisi tinggi—menunjukkan sensitivitas suhu dalam makro-modelnya, sedangkan LT1001A tidak.

Suhu dapat dimasukkan ke dalam LTspice menggunakan direktif .temp. Misalnya, .temp -40 125 menjalankan simulasi pada –40 °C dan +125 °C.

Skema berikut menggambarkan bagaimana output op-amp bervariasi dengan suhu.

Arus output teoretis untuk kasus uji adalah (0,6 V – 0,5 V)/(100 Ω) = 1 mA. Nilai simulasi pada suhu yang ditentukan oleh direktif .temp ditunjukkan di bawah ini:

Simulasi Monte Carlo dengan Variasi Suhu

Ketika fungsi Monte Carlo (mc) diterapkan pada resistor dan digabungkan dengan .step param run …, LTspice melakukan beberapa jalankan independen, setiap kali memilih nilai resistor baru dalam rentang toleransi.

Asumsikan sirkuit harus beroperasi di seluruh rentang suhu otomotif (–40 °C hingga +125 °C)—rentang yang ditentukan AD8606—saya menambahkan direktif .temp. Jumlah jalankan sama dengan jumlah titik suhu dikalikan jumlah iterasi Monte Carlo per suhu.

Untuk menjaga waktu simulasi tetap wajar, saya memilih beberapa suhu representatif yang mencakup seluruh rentang, karena respons suhu op-amp monoton dan halus.

Skema yang digunakan untuk studi toleransi ditambah suhu ditunjukkan di bawah ini:

Plot yang dihasilkan dari arus beban dari 900 jalankan (100 jalankan per suhu) ditampilkan di sini:

Statistik Performa

Saya mengekspor data simulasi ke file teks dan mengimpornya ke Excel untuk analisis. Tabel data mentah terlihat seperti ini setelah diimpor:

Dari dataset, rata-rata arus output adalah 0,9977 mA, yang menunjukkan offset 0,0023 mA (0,23%) karena perilaku op-amp yang tidak ideal. Simpangan baku adalah 2,86 µA, dengan maksimum 1,0053 mA dan minimum 0,9899 mA.

Meski semua resistor pada toleransi 0,1% dan fluktuasi suhu yang luas, arus beban tetap dalam ±5 µA dari target di arah positif dan dalam –10 µA di arah negatif—sebuah tingkat presisi yang mengesankan.

Kesimpulan

Dengan menggabungkan analisis Monte Carlo dengan direktif suhu LTspice, kami menunjukkan bahwa sumber arus presisi dua op-amp dapat memberikan akurasi luar biasa dalam rentang suhu otomotif yang luas. Analisis statistik mengonfirmasi variasi di bawah 10 µA dalam toleransi komponen yang realistis.