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Maîtrisez votre conception de circuit : Plongez dans l'analyse de pire cas

Kamil Jasiński
|  Créé: December 23, 2024  |  Mise à jour: December 24, 2024

Lors de la conception de tout circuit, il est essentiel de garantir sa performance fiable dans diverses conditions, au-delà de l'environnement contrôlé d'un bureau de laboratoire. Cela implique de prendre en compte les tolérances des composants et les variations de température. Dans les applications critiques pour la sécurité, telles que l'aérospatiale et le militaire, des facteurs supplémentaires comme le vieillissement des composants et l'exposition aux radiations doivent également être considérés. Bien que la mise en place de tests appropriés puisse être un défi, une analyse approfondie peut vérifier efficacement la robustesse de votre conception.

Cet article vous guidera dans l'analyse d'un amplificateur différentiel, vous aidant à comprendre les sources d'erreurs et à garantir une performance fiable dans différentes conditions.

Circuit d'amplificateur différentiel pour mesurer de petits courants

Dans cet exemple, nous examinons une configuration d'amplificateur différentiel conçue pour mesurer de petits courants à travers une résistance de shunt. Notre amplificateur opérationnel choisi est l'ADA4084, qui présente une sortie rail-to-rail et une faible tension de décalage. Vérifions d'abord la bonne fonctionnalité de notre circuit.

Differential amplifier configuration for measuring small currents

Figure 1 : Configuration de l'amplificateur différentiel pour mesurer de petits courants

Pour vérifier le circuit, nous effectuons une simulation de balayage DC. L'expression de sortie calcule le courant à partir de la tension de sortie en le divisant par le facteur d'amplification (201) et la valeur de la résistance de shunt (0.2Ω).

Results of DC sweep simulation with parameters

Figure 2 : Résultats de la simulation de balayage DC avec paramètres

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Comme le montre le curseur A, notre circuit fonctionne presque parfaitement. Par exemple, avec une charge réelle de 30,005mA, nous obtenons un courant calculé de 29,810mA. Cependant, le monde réel diffère souvent.

Ensuite, nous incluons divers paramètres, tels que les tolérances des résistances et des paramètres spécifiques de la fiche technique de l'ADA4084. Les paramètres les plus critiques à considérer sont la tension de décalage en entrée, le courant de décalage en entrée et le courant de polarisation en entrée.

Important parameters to include in simulation and its values

Figure 3 : Paramètres importants à inclure dans la simulation et leurs valeurs

Circuit including input offset current, input offset voltage and input current bias

Figure 4 : Circuit incluant le courant de décalage en entrée, la tension de décalage en entrée et le courant de polarisation en entrée

Analyse de Sensibilité

L'analyse de sensibilité nous permet de déterminer quelles déviations de paramètres affectent le plus significativement la sortie. Les résistances étaient réglées sur une tolérance de 1% (10m dans la fenêtre de sensibilité), tandis que d'autres paramètres étaient réglés à 100% pour évaluer leur impact.

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Sensitivity simulation setup

Figure 5 : Configuration de la simulation de sensibilité

Results of sensitivity analysis

Figure 6 : Résultats de l'analyse de sensibilité. La colonne de déviation relative montre l'impact sur la sortie avec des paramètres changeants

Comme prévu, les tolérances des résistances jouent le rôle le plus significatif, tandis que les courants d'entrée (de polarisation et de décalage) sont négligeables. Pour simplifier, ces paramètres seront ignorés plus tard dans ce cas particulier.

Analyse de Pire Cas (WCA)

Alors que l'analyse de sensibilité modifie la valeur d'un composant à la fois, l'analyse de pire cas examine l'effet combiné de toutes les variations de paramètres. Les valeurs les plus élevées issues d'une tolérance de 1% ne donnent pas nécessairement le pire résultat ; c'est l'interaction de ces tolérances qui le fait.

L'analyse de Monte Carlo est un outil utile à cette fin. Elle crée des valeurs aléatoires pour les composants dans leurs tolérances à chaque itération de l'algorithme. Avec suffisamment de simulations, nous pouvons déterminer les valeurs de sortie avec des probabilités spécifiques. Cependant, l'analyse de Monte Carlo ne garantit pas que les valeurs extrêmes soient atteintes. Par conséquent, sélectionner l'option d'Analyse de Pire Cas au sein de l'analyse de Monte Carlo dans Altium et régler le nombre de simulations à 2^5 (en considérant cinq composants) offre un examen approfondi. R10, qui n'affecte pas la sortie, sera exclu.

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Monte Carlo analysis parameters

Figure 7 : Paramètres de l'analyse de Monte Carlo. Dans ce cas particulier, nous changeons uniquement les résistances

La tolérance de base a été définie à 1 %. Pour inclure le vieillissement, nous pourrions utiliser la loi d'Arrhenius, comme détaillé dans ECSS-Q-HB-30-01A. Pour simplifier, nous allons omettre les détails ici et juste ajouter une tolérance supplémentaire de 0,17 %. La dérive de température peut également être incluse dans le calcul de la tolérance. Par exemple, une résistance de 100 ppm à 50°C ajoute 0,5 %, résultant en une tolérance totale de 1,67 %.

La tension de décalage reste inchangée. Deux simulations séparées ont été préparées, une avec une tension de décalage de -300µV et une avec une tension de décalage de +300µV. Les résultats de ces simulations sont présentés ci-dessous.

DC sweep analysis - Offset voltage: 300u

Figure 8 : Analyse de balayage DC avec différentes variations des valeurs des composants. Tension de décalage : 300u

DC sweep analysis - Offset voltage: -300u

Figure 9 : Analyse de balayage DC avec différentes variations des valeurs des composants. Tension de décalage : -300u

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Les curseurs illustrent la différence entre une charge réelle de 60mA et la sortie, avec des erreurs allant jusqu'à 17 % ! Pour explorer comment cette valeur change avec différentes tolérances de résistances (par exemple, 0,1 %), vous pouvez l'essayer vous-même. Lancez-vous dès aujourd'hui ! Altium offre un essai gratuit pour vos expériences.

Conclusion

En analysant et en simulant les circuits, nous pouvons concevoir avec confiance des systèmes robustes et fiables capables de résister aux défis de leurs environnements prévus. Ce processus minutieux améliore non seulement la performance et la durée de vie du circuit, mais assure également son fonctionnement fiable dans des applications critiques où la précision et la fiabilité sont cruciales.

A propos de l'auteur

A propos de l'auteur

Kamil is an electronics engineer whose passion for the field began as a hobby. He initially pursued studies in Automation and Robotics, during which time he actively engaged with a science club as an electronics enthusiast. This involvement led him to contribute to his first space project, developed for a program organized by the European Space Agency.

After completing his initial studies, Kamil ventured into the medical industry and technical sales, gaining valuable experience. However, his passion for space drew him back to his roots. Now, with a Master’s degree in electronics engineering, Kamil is professionally involved in the space industry. He participated in robotic solutions project and scientific instruments.

In addition to his expertise in hardware, Kamil has also cultivated skills in software development. He has acquiring knowledge in embedded systems and high-level scripting languages such as Python. Kamil firmly believes that every workflow can be improved, and he is constantly seeking innovative solutions to automate the design and testing of electronic systems

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Documentation technique liée

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