Padroneggia il tuo progetto di circuito: immergiti nell'analisi del caso peggiore

Quando si progetta un circuito, è essenziale garantire la sua affidabilità sotto varie condizioni, oltre l'ambiente controllato di un laboratorio. Questo comporta la considerazione delle tolleranze dei componenti e delle variazioni di temperatura. In applicazioni critiche per la sicurezza, come quelle aerospaziali e militari, devono essere considerati anche fattori aggiuntivi come l'invecchiamento dei componenti e l'esposizione alle radiazioni. Anche se impostare test appropriati può essere impegnativo, un'analisi approfondita può verificare efficacemente la robustezza del tuo progetto.

Questo articolo ti guiderà nell'analisi di un amplificatore differenziale, aiutandoti a comprendere le fonti di errore e garantendo un funzionamento affidabile sotto diverse condizioni.

Circuito amplificatore differenziale per la misurazione di piccole correnti

In questo esempio, esaminiamo una configurazione di amplificatore differenziale progettata per misurare piccole correnti attraverso una resistenza shunt. Il nostro amplificatore operazionale scelto è l'ADA4084, che presenta un'uscita rail-to-rail e una bassa tensione di offset. Verifichiamo prima la corretta funzionalità del nostro circuito.

Figura 1: Configurazione dell'amplificatore differenziale per la misurazione di piccole correnti

Per verificare il circuito, conduciamo una simulazione di sweep DC. L'espressione di uscita calcola la corrente dall'uscita di tensione dividendo per il fattore di amplificazione (201) e il valore della resistenza shunt (0,2Ω).

Figura 2: Risultati della simulazione di sweep DC con parametri

Come mostrato dal cursore A, il nostro circuito funziona quasi perfettamente. Ad esempio, con un carico reale di 30,005mA, otteniamo una corrente calcolata di 29,810mA. Tuttavia, il mondo reale spesso differisce.

In seguito, includiamo vari parametri, come le tolleranze delle resistenze e parametri specifici dal datasheet dell'ADA4084. I parametri più critici da considerare sono la tensione di offset in ingresso, la corrente di offset in ingresso e la corrente di polarizzazione in ingresso.

Figura 3: Parametri importanti da includere nella simulazione e i loro valori

Figura 4: Circuito che include corrente di offset in ingresso, tensione di offset in ingresso e corrente di polarizzazione in ingresso

Analisi di Sensibilità

L'analisi di sensibilità ci permette di determinare quali deviazioni dei parametri influenzano maggiormente l'uscita. Le resistenze sono state impostate con una tolleranza dell'1% (10m nella finestra di sensibilità), mentre altri parametri sono stati impostati al 100% per valutarne l'impatto.

Figura 5: Configurazione della simulazione di sensibilità

Figura 6: Risultati dell'analisi di sensibilità. La colonna della deviazione relativa mostra l'impatto sull'uscita con il cambiamento dei parametri

Come previsto, le tolleranze delle resistenze giocano il ruolo più significativo, mentre le correnti di ingresso (di polarizzazione e di offset) sono trascurabili. Per semplicità, questi parametri verranno ignorati in seguito in questo caso particolare.

Analisi del Caso Peggiore (WCA)

Mentre l'analisi di sensibilità modifica il valore di un componente alla volta, l'analisi del caso peggiore esamina l'effetto combinato di tutte le variazioni dei parametri. I valori più alti derivanti da una tolleranza dell'1% non generano necessariamente il peggior risultato; è l'interazione di queste tolleranze a farlo.

L'analisi di Monte Carlo è uno strumento utile a questo scopo. Crea valori casuali per i componenti all'interno delle loro tolleranze ad ogni iterazione dell'algoritmo. Con un numero sufficiente di simulazioni, possiamo determinare i valori di uscita con probabilità specifiche. Tuttavia, l'analisi di Monte Carlo non garantisce il raggiungimento di valori estremi. Pertanto, selezionare l'opzione di Analisi del Caso Peggiore all'interno dell'analisi di Monte Carlo in Altium e impostare il numero di esecuzioni a 2^5 (considerando cinque componenti) fornisce un esame approfondito. R10, che non influisce sull'uscita, sarà escluso.

Figura 7: Parametri dell'analisi di Monte Carlo. In questo caso particolare cambiamo solo le resistenze

La tolleranza di base è stata definita come 1%. Per includere l'invecchiamento, potremmo utilizzare la legge di Arrhenius, come dettagliato in ECSS-Q-HB-30-01A. Per semplicità, qui salteremo i dettagli e aggiungeremo solo una tolleranza aggiuntiva dello 0,17%. Anche la deriva termica può essere inclusa nel calcolo della tolleranza. Ad esempio, una resistenza di 100 ppm a 50°C aggiunge lo 0,5%, risultando in una tolleranza totale dell'1,67%.

La tensione di offset rimane invariata. Sono state preparate due simulazioni separate, una con una tensione di offset di -300µV e una con una tensione di offset di +300µV. I risultati di queste simulazioni sono mostrati di seguito.

Figura 8: Analisi dello sweep in corrente continua con diverse variazioni dei valori dei componenti. Tensione di offset: 300u

Figura 9: Analisi dello sweep in corrente continua con diverse variazioni dei valori dei componenti. Tensione di offset: -300u

I cursori illustrano la differenza tra un carico reale di 60mA e l'uscita, con errori fino al 17%! Per esplorare come questo valore cambia con diverse tolleranze dei resistori (ad es., 0,1%), puoi provarlo tu stesso. Provalo oggi! Altium offre una prova gratuita per i tuoi esperimenti.

Conclusione

Analizzando e simulando i circuiti, possiamo progettare con fiducia sistemi robusti e affidabili capaci di resistere alle sfide dei loro ambienti previsti. Questo processo attento non solo migliora le prestazioni e la durata del circuito, ma garantisce anche che funzioni in modo affidabile in applicazioni critiche dove precisione e affidabilità sono cruciali.