回路設計をマスターしよう：最悪ケース分析に深く潜る

回路を設計する際には、実験室の机の上という制御された環境を超えた様々な条件下での信頼性の高い性能を確保することが不可欠です。これには、コンポーネントの許容差や温度変動を考慮することが含まれます。航空宇宙や軍事などの安全が重要なアプリケーションでは、コンポーネントの経年劣化や放射線への曝露などの追加的な要因も考慮する必要があります。適切なテストを設定することは難しいかもしれませんが、徹底的な分析によって設計の堅牢性を効果的に検証することができます。

この記事では、差動アンプの分析を通じて、エラーの原因を理解し、異なる条件下での信頼性の高い性能を確保する方法を案内します。

小電流を測定するための差動アンプ回路

この例では、シャント抵抗を通る小電流を測定するために設計された差動アンプの構成を検討します。選択したオペアンプはADA4084で、レール・ツー・レール出力と低オフセット電圧を特徴としています。まず、回路の正しい機能を検証しましょう。

図1: 小電流を測定するための差動アンプ構成

回路を検証するために、DCスイープシミュレーションを実施します。出力表現は、出力電圧を増幅率（201）とシャント抵抗値（0.2Ω）で割ることによって電流を計算します。

図2: パラメータを用いたDCスイープシミュレーションの結果

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カーソルAが示すように、私たちの回路はほぼ完璧に動作します。例えば、実際の負荷が30.005mAの場合、計算された電流は29.810mAとなります。しかし、実際の世界はしばしば異なります。

次に、抵抗の許容誤差やADA4084データシートからの特定のパラメータなど、さまざまなパラメータを含めます。考慮すべき最も重要なパラメータは、入力オフセット電圧、入力オフセット電流、および入力バイアス電流です。

図3：シミュレーションに含める重要なパラメータとその値

図4：入力オフセット電流、入力オフセット電圧、および入力バイアス電流を含む回路

感度分析

感度分析は、どのパラメータの偏差が出力に最も大きく影響するかを決定することを可能にします。抵抗は1%の許容誤差（感度ウィンドウ内で10m）に設定され、他のパラメータはその影響を評価するために100%に設定されました。

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図5：感度シミュレーションの設定

図6：感度分析の結果。相対偏差の列は、パラメータが変化すると出力に与える影響を示しています

予想通り、抵抗の許容誤差が最も重要な役割を果たし、入力電流（バイアスおよびオフセット）は無視できます。この特定のケースでは、簡単のため、これらのパラメータは後で無視されます。

最悪の場合の分析（WCA）

感度分析では一度に1つのコンポーネント値を変更しますが、最悪ケース分析ではすべてのパラメータの変動の組み合わせ効果を調べます。1％の許容誤差からの最高値が必ずしも最悪の出力をもたらすわけではありません。これらの許容誤差の相互作用が影響します。

モンテカルロ解析は、この目的に役立つツールです。それは、各アルゴリズムの繰り返しで、その許容誤差内のコンポーネントに対してランダムな値を生成します。十分なシミュレーションを行うことで、特定の確率で出力値を決定することができます。しかし、モンテカルロ解析は極端な値が達成されることを保証しません。したがって、Altium内でモンテカルロ解析の中で最悪ケース分析オプションを選択し、実行回数を2^5（5つのコンポーネントを考慮）に設定することで、徹底的な検査が提供されます。出力に影響を与えないR10は除外されます。

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図7：モンテカルロ解析パラメータ。この特定のケースでは抵抗のみを変更します

基本公差は1%と定義されました。経年変化を含めるために、ECSS-Q-HB-30-01Aで詳述されているアレニウスの法則を使用することができます。簡単のため、ここでは詳細は省略し、追加で0.17%の公差を加えることにします。温度ドリフトも公差計算に含めることができます。例えば、50°Cでの100 ppmの抵抗器は0.5%を加え、合計公差は1.67%になります。

オフセット電圧は変わりません。-300µVのオフセット電圧を持つものと、+300µVのオフセット電圧を持つもの、2つの別々のシミュレーションが準備されました。これらのシミュレーションの結果は以下に示されます。

図8: コンポーネント値の異なる変動でのDCスイープ分析。オフセット電圧: 300u

図9: コンポーネント値の異なる変動でのDCスイープ分析。オフセット電圧: -300u

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カーソルは、60mAの実負荷と出力の違いを示しており、誤差は最大で17%にもなります！異なる抵抗公差（例えば、0.1%）でこの値がどのように変化するかを探求するために、自分で試してみてください。今日試してみましょう！Altium は実験のための無料トライアルを提供しています。

結論

回路を分析し、シミュレーションすることで、意図された環境の課題に耐えうる堅牢で信頼性の高いシステムを自信を持って設計することができます。この慎重なプロセスは、回路の性能と寿命を向上させるだけでなく、精度と信頼性が重要なクリティカルなアプリケーションで信頼性の高い機能を保証します。