Meistern Sie Ihr Schaltungsdesign: Tauchen Sie ein in die Worst-Case-Analyse

Beim Entwurf eines jeden Schaltkreises ist es wesentlich, seine zuverlässige Leistung unter verschiedenen Bedingungen außerhalb der kontrollierten Umgebung eines Laborarbeitstisches zu gewährleisten. Dies beinhaltet die Berücksichtigung von Bauteiltoleranzen und Temperaturschwankungen. In sicherheitskritischen Anwendungen, wie in der Luft- und Raumfahrt und im Militär, müssen zusätzliche Faktoren wie Bauteilalterung und Strahlenexposition ebenfalls berücksichtigt werden. Obwohl das Einrichten geeigneter Tests eine Herausforderung sein kann, kann eine gründliche Analyse die Robustheit Ihres Designs effektiv überprüfen.

Dieser Artikel wird Sie durch die Analyse eines Differenzverstärkers führen, um Ihnen zu helfen, die Quellen von Fehlern zu verstehen und eine zuverlässige Leistung unter verschiedenen Bedingungen sicherzustellen.

Differenzverstärkerschaltung zur Messung kleiner Ströme

In diesem Beispiel untersuchen wir eine Differenzverstärkerkonfiguration, die entworfen wurde, um kleine Ströme durch einen Shunt-Widerstand zu messen. Unser gewählter Operationsverstärker ist der ADA4084, der einen Rail-to-Rail-Ausgang und eine niedrige Offsetspannung aufweist. Lassen Sie uns zunächst die korrekte Funktionalität unserer Schaltung überprüfen.

Abbildung 1: Differenzverstärkerkonfiguration zur Messung kleiner Ströme

Um die Schaltung zu überprüfen, führen wir eine DC-Sweep-Simulation durch. Der Ausdruck des Ausgangs berechnet den Strom aus der Ausgangsspannung, indem er durch den Verstärkungsfaktor (201) und den Wert des Shunt-Widerstands (0,2Ω) geteilt wird.

Abbildung 2: Ergebnisse der DC-Sweep-Simulation mit Parametern

Wie durch Cursor A gezeigt, funktioniert unsere Schaltung nahezu perfekt. Zum Beispiel erhalten wir bei einer realen Last von 30,005mA einen berechneten Strom von 29,810mA. Die reale Welt weicht jedoch oft ab.

Als Nächstes beziehen wir verschiedene Parameter ein, wie die Toleranzen von Widerständen und spezifische Parameter aus dem ADA4084-Datenblatt. Die kritischsten Parameter, die berücksichtigt werden müssen, sind die Eingangsspannungsabweichung, der Eingangsstromfehler und der Eingangsbiasstrom.

Abbildung 3: Wichtige Parameter, die in die Simulation einbezogen werden sollen und ihre Werte

Abbildung 4: Schaltung einschließlich Eingangsstromfehler, Eingangsspannungsabweichung und Eingangsstrom-Bias

Empfindlichkeitsanalyse

Die Empfindlichkeitsanalyse ermöglicht es uns zu bestimmen, welche Parameterabweichungen den Ausgang am meisten beeinflussen. Widerstände wurden mit einer Toleranz von 1% (10m im Empfindlichkeitsfenster) eingestellt, während andere Parameter auf 100% gesetzt wurden, um ihren Einfluss zu bewerten.

Abbildung 5: Aufbau der Empfindlichkeits-Simulation

Abbildung 6: Ergebnisse der Empfindlichkeitsanalyse. Die Spalte mit der relativen Abweichung zeigt den Einfluss auf den Ausgang bei sich ändernden Parametern

Wie erwartet spielen die Toleranzen der Widerstände die bedeutendste Rolle, während die Eingangsströme (Bias und Offset) vernachlässigbar sind. Aus Gründen der Einfachheit werden diese Parameter in diesem speziellen Fall später ignoriert.

Worst-Case-Analyse (WCA)

Während die Sensitivitätsanalyse jeweils den Wert einer Komponente ändert, untersucht die Worst-Case-Analyse die kombinierte Wirkung aller Parameterabweichungen. Die höchsten Werte bei einer Toleranz von 1% führen nicht notwendigerweise zum schlechtesten Ausgang; die Interaktion dieser Toleranzen tut es.

Monte-Carlo-Analyse ist ein nützliches Werkzeug für diesen Zweck. Sie erzeugt bei jeder Iteration des Algorithmus zufällige Werte für Komponenten innerhalb ihrer Toleranzen. Mit genügend Simulationen können wir Ausgangswerte mit spezifischen Wahrscheinlichkeiten bestimmen. Die Monte-Carlo-Analyse garantiert jedoch nicht, dass Extremwerte erreicht werden. Daher bietet die Auswahl der Worst-Case-Analyse-Option innerhalb der Monte-Carlo-Analyse in Altium und das Festlegen der Anzahl der Durchläufe auf 2^5 (unter Berücksichtigung von fünf Komponenten) eine gründliche Untersuchung. R10, der den Ausgang nicht beeinflusst, wird ausgeschlossen.

Abbildung 7: Parameter der Monte-Carlo-Analyse. In diesem speziellen Fall ändern wir nur Widerstände

Die Basistoleranz wurde als 1% definiert. Um Alterung einzubeziehen, könnten wir das Arrhenius-Gesetz verwenden, wie im ECSS-Q-HB-30-01A detailliert beschrieben. Der Einfachheit halber werden wir die Details hier überspringen und einfach eine zusätzliche Toleranz von 0,17% hinzufügen. Temperaturdrift kann ebenfalls in die Toleranzberechnung einbezogen werden. Zum Beispiel fügt ein 100 ppm Widerstand bei 50°C 0,5% hinzu, was in einer Gesamttoleranz von 1,67% resultiert.

Die Offsetspannung bleibt unverändert. Zwei separate Simulationsläufe wurden vorbereitet, einer mit einer Offsetspannung von -300µV und einer mit +300µV. Die Ergebnisse dieser Simulationen werden unten gezeigt.

Abbildung 8: DC-Sweep-Analyse mit unterschiedlicher Variation der Bauteilwerte. Offsetspannung: 300u

Abbildung 9: DC-Sweep-Analyse mit unterschiedlicher Variation der Bauteilwerte. Offsetspannung: -300u

Die Cursor veranschaulichen den Unterschied zwischen einer realen Last von 60mA und dem Ausgang, mit Fehlern von bis zu 17%! Um zu erkunden, wie sich dieser Wert mit unterschiedlichen Widerstandstoleranzen (z.B. 0,1%) ändert, können Sie es selbst ausprobieren. Versuchen Sie es noch heute! Altium bietet eine kostenlose Testversion für Ihre Experimente an.

Schlussfolgerung

Durch die Analyse und Simulation von Schaltkreisen können wir robuste und zuverlässige Systeme entwerfen, die den Herausforderungen ihrer vorgesehenen Umgebungen standhalten können. Dieser sorgfältige Prozess verbessert nicht nur die Leistung und Lebensdauer des Schaltkreises, sondern stellt auch sicher, dass er in kritischen Anwendungen, in denen Präzision und Zuverlässigkeit entscheidend sind, zuverlässig funktioniert.