Évaluation de la précision d'un circuit pompe de courant face aux tolérances de résistances et aux plages de température automobile

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

La semaine dernière, j'ai publié deux articles sur un circuit source de courant constant comprenant deux amplificateurs opérationnels et cinq résistances :

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

 

Dans le second article, j'ai employé LTspice pour évaluer comment l'appariement imparfait des résistances affecte la sortie du circuit. L'erreur était définie comme la différence entre le courant de charge simulé et le courant prédit par l'expression analytique de la note d'application.

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

L'appariement imparfait était simulé en appliquant la fonction Monte Carlo de LTspice pour varier R3 et R5 dans une tolérance spécifiée, tout en gardant R1, R2 et R4 à leurs valeurs nominales.

Dans cette étude, nous effectuons une simulation complète tenant compte d'une tolérance de résistance de 0,1 % et de variations de température. L'objectif est de quantifier la précision atteignable dans des conditions réalistes.

Simulation à des températures spécifiques

Certains modèles d'amplificateurs opérationnels dans LTspice présentent une dépendance en température, d'autres non. Par une approche essais-erreurs, j'ai trouvé que l'AD8606 — conçu pour applications basse tension, haute précision — montre une sensibilité thermique dans son macro-modèle, tandis que le LT1001A n'en montre pas.

La température peut être intégrée dans LTspice via la directive .temp. Par exemple, .temp -40 125 lance la simulation à –40 °C et +125 °C.

Le schéma suivant illustre comment la sortie d'un amplificateur opérationnel varie avec la température.

Le courant de sortie théorique pour le cas test est (0,6 V – 0,5 V)/(100 Ω) = 1 mA. Les valeurs simulées aux températures spécifiées par la directive .temp sont affichées ci-dessous :

Simulation Monte Carlo avec variations de température

Lorsque la fonction Monte Carlo (mc) est appliquée à une résistance et combinée avec .step param run …, LTspice effectue plusieurs exécutions indépendantes, sélectionnant à chaque fois une nouvelle valeur de résistance dans la plage de tolérance.

En supposant que le circuit doit fonctionner sur toute la plage de température automobile (–40 °C à +125 °C) — la plage spécifiée de l'AD8606 — j'ai ajouté une directive .temp. Le nombre d'exécutions équivaut au nombre de points de température multiplié par le nombre d'itérations Monte Carlo par température.

Pour maintenir un temps de simulation raisonnable, j'ai choisi quelques températures représentatives couvrant toute la plage, car la réponse thermique de l'ampli-op est monotone et subtile.

Le schéma utilisé pour l'étude tolérance-plus-température est montré ci-dessous :

Le graphique résultant du courant de charge sur 900 exécutions (100 par température) est affiché ici :

Statistiques de performance

J'ai exporté les données de simulation vers un fichier texte et importé dans Excel pour analyse. Le tableau de données brutes ressemble à ceci après importation :

Du jeu de données, le courant de sortie moyen est 0,9977 mA, indiquant un décalage de 0,0023 mA (0,23 %) dû au comportement non idéal de l'ampli-op. L'écart-type est de 2,86 µA, avec un maximum de 1,0053 mA et un minimum de 0,9899 mA.

Même avec toutes les résistances à 0,1 % de tolérance et une large variation de température, le courant de charge reste dans ±5 µA de la cible dans le sens positif et –10 µA dans le sens négatif — un niveau de précision impressionnant.

Conclusion

En combinant l'analyse Monte Carlo avec la directive de température de LTspice, nous avons démontré qu'une source de courant de précision à deux amplificateurs opérationnels peut offrir une précision exceptionnelle sur une large plage de température automobile. L'analyse statistique confirme une variation sous 10 µA sous des tolérances de composants réalistes.