Präzision eines Strompumpen-Schaltkreises über Widerstandstoleranzen und automotiven Temperaturbereich bewerten

In diesem Artikel nutzen wir LTspice, um die Präzision eines Strompumpen-Schaltkreises zu analysieren, wenn alle Widerstände nicht-ideale sind und die Temperatur über den automobilen Temperaturbereich variiert.

Letzte Woche veröffentlichte ich zwei Artikel zu einem Konstantstromquellen-Schaltkreis mit zwei Op-Amps und fünf Widerständen:

Schaltbild einer Präzisions-Strompumpe. Bild mit Genehmigung von Analog Devices

Im zweiten Artikel setzte ich LTspice ein, um zu bewerten, wie unvollkommene Widerstandsanpassung den Ausgang des Schaltkreises beeinflusst. Der Fehler wurde als Differenz zwischen dem simulierten Laststrom und dem durch den analytischen Ausdruck im Application Note vorhergesagten Strom definiert.

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

Unvollkommene Anpassung wurde simuliert, indem LTspices Monte-Carlo-Funktion R3 und R5 innerhalb einer spezifizierten Toleranz variierte, während R1, R2 und R4 ihre Nennwerte behielten.

In dieser Studie führen wir eine umfassende Simulation durch, die 0,1 % Widerstandstoleranz und Temperaturschwankungen berücksichtigt. Ziel ist es, die unter realistischen Bedingungen erreichbare Präzision zu quantifizieren.

Simulation bei spezifischen Temperaturen

Einige Op-Amp-Modelle in LTspice zeigen Temperaturabhängigkeit, andere nicht. Durch Trial-and-Error fand ich heraus, dass der AD8606 – für Niedervolt-Präzisionsanwendungen konzipiert – in seinem Makromodell Temperatursensitivität aufweist, während der LT1001A dies nicht tut.

Temperatur kann in LTspice über die .temp-Direktive eingebunden werden. Zum Beispiel führt .temp -40 125 die Simulation bei –40 °C und +125 °C durch.

Das folgende Schaltbild zeigt, wie sich der Ausgang eines Op-Amps mit der Temperatur ändert.

Der theoretische Ausgangsstrom für den Testfall beträgt (0,6 V – 0,5 V)/(100 Ω) = 1 mA. Die simulierten Werte bei den durch die .temp-Direktive spezifizierten Temperaturen sind unten dargestellt:

Monte-Carlo-Simulation mit Temperaturschwankungen

Wenn die Monte-Carlo-Funktion (mc) auf einen Widerstand angewendet und mit .step param run … kombiniert wird, führt LTspice mehrere unabhängige Runs durch, wobei jedes Mal ein neuer Widerstandswert innerhalb des Toleranzbereichs gewählt wird.

Unter der Annahme, dass der Schaltkreis über den gesamten automobilen Temperaturbereich (–40 °C bis +125 °C) – dem spezifizierten Bereich des AD8606 – arbeiten muss, fügte ich eine .temp-Direktive hinzu. Die Anzahl der Runs entspricht der Anzahl der Temperaturpunkte mal der Monte-Carlo-Iterationen pro Temperatur.

Um die Simulationszeit angemessen zu halten, wählte ich einige repräsentative Temperaturen, die den gesamten Bereich abdecken, da die Temperaturantwort des Op-Amps monoton und subtil ist.

Das für die Toleranz-plus-Temperatur-Studie verwendete Schaltbild ist unten gezeigt:

Der resultierende Plot des Laststroms aus 900 Runs (100 Runs pro Temperatur) wird hier angezeigt:

Leistungsstatistiken

Ich exportierte die Simulationsdaten in eine Textdatei und importierte sie in Excel zur Analyse. Die Rohdatentabelle sieht nach dem Import so aus:

Aus dem Datensatz ergibt sich ein mittlerer Ausgangsstrom von 0,9977 mA, was einen Offset von 0,0023 mA (0,23 %) durch nicht-ideales Op-Amp-Verhalten anzeigt. Die Standardabweichung beträgt 2,86 µA, mit einem Maximum von 1,0053 mA und einem Minimum von 0,9899 mA.

Selbst mit allen Widerständen bei 0,1 % Toleranz und breitem Temperaturschwankungsbereich bleibt der Laststrom innerhalb von ±5 µA vom Ziel in positiver Richtung und innerhalb von –10 µA in negativer Richtung – ein beeindruckendes Präzisionsniveau.

Fazit

Durch Kombination von Monte-Carlo-Analyse mit LTspices Temperaturdirektive demonstrierten wir, dass eine Zweí-Op-Amp-Präzisionsstromquelle außergewöhnliche Genauigkeit über einen breiten automobilen Temperaturbereich liefern kann. Statistische Analysen bestätigen sub-10-µA-Variation unter realistischen Bauteiltoleranzen.