Simulation des performances de la pompe de courant avec tolérance et température

Dans cet article, nous utilisons LTspice pour analyser la précision d'un circuit de pompe de courant lorsque toutes les résistances ne sont pas idéales et que la température varie dans l'automobile plage de température.

La semaine dernière, j'ai écrit une paire d'articles sur un circuit source de courant constant composé de deux amplificateurs opérationnels et de cinq résistances :

Schéma d'une pompe à courant de précision. Image utilisée avec l'aimable autorisation d'Analog Devices

Dans le deuxième de ces deux articles, j'ai utilisé LTspice pour évaluer l'influence d'une correspondance de résistance imparfaite sur l'erreur du circuit, l'erreur étant calculée comme la différence entre le courant de charge simulé et le courant de charge prédit par la formule donnée dans la note d'application.

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

Une correspondance imparfaite a été simulée en utilisant la fonction Monte Carlo de LTspice pour faire varier les valeurs de R3 et R5 dans une tolérance spécifiée. L'amplitude du courant de sortie est directement proportionnelle aux valeurs de R1, R2 et R4, et ces trois résistances sont restées à leur valeur nominale.

Dans cet article, nous allons effectuer une simulation plus complète des performances réelles par rapport aux performances théoriques. Toutes les résistances auront une tolérance de 0,1%, et nous intégrerons également la variation de la température de fonctionnement. L'objectif ici est réellement de comprendre quelle précision on peut attendre de ce circuit dans des conditions réelles.

Simulation à des températures spécifiques

Certains des composants de l'ampli-op inclus dans LTspice présentent des variations en réponse à la température, et d'autres non. S'il existe un moyen pratique de déterminer lesquels sont lesquels, je n'ai pas pu le trouver, j'ai donc simplement utilisé la méthode de devinette et de vérification.

Le LT1001A, que nous avons utilisé dans la simulation précédente, n'appartient pas à la catégorie de dépendance à la température. Après avoir testé quelques autres amplis-op qui ne correspondaient pas à la facture, j'ai découvert que l'AD8606, qui est un ampli-op de précision destiné aux applications basse tension, a une dépendance à la température quelque part dans son macromodèle.

Nous pouvons incorporer la température dans les calculs de circuit de LTspice au moyen de la directive "temp". Par exemple, ".temp -40 125" effectuera une simulation à -40°C et une autre à +125°C.

Le circuit suivant indique si un ampli-op produit des résultats différents à différentes températures.

Le courant de sortie attendu est (0,6 V – 0,5 V)/(100 Ω) =1 mA. Voici les valeurs de courant de sortie simulées obtenues aux températures spécifiées dans la directive « temp » :

Simulation Monte Carlo avec changements de température

Lorsque nous appliquons la fonction Monte Carlo ("mc" dans LTspice) à la valeur d'une résistance et utilisons la directive ".step param run ...", la simulation consistera en plusieurs exécutions indépendantes, et pour chaque exécution, le mc La fonction sélectionnera une nouvelle valeur dans la plage déterminée par la tolérance spécifiée.

Nous allons prétendre que l'application prévue nécessite des fonctionnalités sur toute la plage de température automobile, qui est de -40°C à +125°C. Il s'agit également de la plage de température de fonctionnement de l'AD8606. Si nous ajoutons une directive "temp", le nombre de courses sera multiplié par le nombre de températures dans la liste.

Inclure de nombreuses températures dans la plage conduirait à de longs temps de simulation, et il est difficile d'imaginer un scénario dans lequel cela serait nécessaire. Un ampli-op ne va pas présenter de fortes fluctuations de performances en réponse à une augmentation ou une diminution modérée de la température de fonctionnement.

En fait, le graphique précédent indique que l'effet de la température est monotone et très subtil. Ainsi, je pense que nous pouvons correctement tenir compte des influences de la température en sélectionnant plusieurs températures qui couvrent toute la plage.

Voici le schéma que j'ai utilisé pour la simulation résistance-tolérance-plus-température :

Et voici un tracé du courant de charge simulé pour les 900 courses (100 courses par température).

Statistiques de performances

Ma prochaine étape préférée consiste à exporter les résultats sous forme de fichier texte, puis à importer le fichier texte dans Excel pour une analyse plus approfondie. Pour ce faire, cliquez avec le bouton droit sur le tracé et sélectionnez Fichier -> Exporter les données sous forme de texte. Voici à quoi ressemblent les données après avoir importé le fichier texte dans Excel :

Maintenant, je peux facilement calculer toutes les statistiques qui m'intéressent. La valeur moyenne est de 0,9977 mA, donc une certaine non-idéalité dans l'ampli-op a créé un petit décalage (0,0023 mA, ou 0,23 % du courant de sortie attendu). L'écart type est de 2,86 µA et les valeurs maximale et minimale sont de 1,0053 mA et 0,9899 mA.

Je trouve les résultats maximum et minimum assez impressionnants :même avec toutes les résistances soumises à une tolérance de 0,1 % et une température variant sur un large intervalle, je peux m'attendre à ce que le courant de charge ne s'écarte pas du courant souhaité de plus d'environ 5 µA dans le sens positif et 10 µA dans le sens négatif.

Conclusion

Nous avons combiné une méthode Monte Carlo avec la directive "temp" de LTspice pour explorer les performances réalistes d'une source de courant de précision à deux amplificateurs opérationnels. L'analyse statistique des résultats de simulation indique que le circuit offre une excellente précision sur une très large plage de température.