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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.
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.
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).
Figure 2 : Résultats de la simulation de balayage DC avec paramètres
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.
Figure 3 : Paramètres importants à inclure dans la simulation et leurs valeurs
Figure 4 : Circuit incluant le courant de décalage en entrée, la tension de décalage en entrée et le courant de polarisation en entrée
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.
Figure 5 : Configuration de la simulation de sensibilité
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.
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.
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.
Figure 8 : Analyse de balayage DC avec différentes variations des valeurs des composants. Tension de décalage : 300u
Figure 9 : Analyse de balayage DC avec différentes variations des valeurs des composants. Tension de décalage : -300u
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.
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.